鈾濃縮工廠取料系統(tǒng)最佳運(yùn)行模式探索及應(yīng)用

李東珀

中核陜西鈾濃縮有限公司 陜西漢中 723312

鈾濃縮工廠級(jí)聯(lián)低豐度產(chǎn)品較多，較大的產(chǎn)品和尾料流量給取料系統(tǒng)帶來(lái)了很大考驗(yàn)。本文以鈾濃縮工廠取料系統(tǒng)現(xiàn)狀展開分析，建立產(chǎn)品和尾料收料容器凝華散熱模型來(lái)研究不同工況下取料系統(tǒng)最佳運(yùn)行模式并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，不斷促進(jìn)鈾濃縮工廠安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。

1 鈾濃縮工廠取料系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

鈾濃縮級(jí)聯(lián)工況調(diào)整后，產(chǎn)品、尾料流量差異較大，鈾濃縮工廠取料系統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)盡量滿足1臺(tái)容器收料以便于豐度控制和容器周轉(zhuǎn)，尾料應(yīng)盡量滿足4臺(tái)容器并聯(lián)收料，然而在具體的工況下，對(duì)增壓泵頻率如何設(shè)置、需要幾臺(tái)容器收料等方面有很大的不確定性，對(duì)取料系統(tǒng)能力進(jìn)行深入研究，得到不同工況下取料系統(tǒng)的最佳運(yùn)行模式具有重要意義[1]。

2 鈾濃縮工廠取料容器收料能力計(jì)算

溫度較高的UF6氣體凝華成固態(tài)所釋放的熱量依次經(jīng)過(guò)不凝性氣體層（輕雜質(zhì)）、固態(tài)UF6層和容器壁傳遞到容器外的-25℃制冷環(huán)境中，完成傳熱過(guò)程，其過(guò)程如圖1所示。

能量守恒定律：任何發(fā)生能量傳遞的熱力過(guò)程中，傳遞前后能量的總量守恒。對(duì)于多層不同材料圓筒的傳熱過(guò)程，其導(dǎo)熱流的計(jì)算公式為：

式中：T--導(dǎo)熱熱流，J/h；S--導(dǎo)熱面積，m2；λ1--圓筒導(dǎo)熱系數(shù)，J/（m·h·K）；di--第i層圓筒外徑，m；l--圓筒高度，m；Δt=t1-t2--溫差，K；h1--UF6固體傳熱系數(shù)；d1--圓筒內(nèi)徑，m。

傅里葉定律：導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)給定截面的熱量，正比于垂直于該截面方向上溫度變化率和截面面積，熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反，各環(huán)節(jié)熱流密度相等，即：

式中：JT--熱流密度，W/m2；k--導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；dT/dx--在x方向上的溫度梯度。

根據(jù)傅里葉定律，各環(huán)節(jié)熱流密度相等，即：

式中：T1-UF6氣體溫度；T2-不凝性氣體層溫度，K；T3--固體物料層溫度，K；T4--器壁溫度，K；T5--容器外部溫度，K；σ1、σ2--UF6傳熱系數(shù)，W/m2·K；ξ1、ξ2--器壁的傳熱系數(shù)，W/m·K；θ1、θ2--UF6固體、器壁的厚度，m。

由式（2-3）通過(guò)計(jì)算可以得到：

式中：Q--氣體輕雜質(zhì)的傳熱系數(shù)。

UF6氣體進(jìn)入容器后由氣態(tài)直接凝華為固態(tài)，凝華過(guò)程釋放的熱量為：

式中：E1--熱量，J/s；G--收料能力，kg/s；c--比熱容，J/（℃·kg）；R--凝華熱，J/kg·K。

UF6氣體通過(guò)傳熱面積S傳給-25℃制冷環(huán)境的熱量為：

UF6氣體放出的熱量全部傳遞給-25℃制冷環(huán)境，因此E1=E2。即：

由（2-4）式和（2-7）式可以計(jì)算得到容器的凝華收料能力為：

A級(jí)聯(lián)取料系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況：產(chǎn)品U F6氣體溫度T1≈T2=348K，尾料UF6氣體溫度T1≈T2=358K，T5=248K，UF6氣體比熱容c=563J/kg·K，凝華熱R=135400J/kg·K，式（8）中參量σ1=10W/m2·K，θ1/ζ1=1/79m2·K/W≈0，θ2/ζ2=11/40=0.27m2·K/W，對(duì)于產(chǎn)品3m3C容器而言θ2/ζ2=16.2/40=0.405m2·K/W且冷凝面積比3m3容器提升20%，σ2=43.94W/m2·K，Q=0.42，則得到產(chǎn)品容器和尾料容器內(nèi)物料層厚度、熱阻、傳熱面積與收料重量的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而計(jì)算出不同收料量下產(chǎn)品容器連續(xù)收取UF6氣體能力。當(dāng)產(chǎn)品（尾料）收料0kg時(shí)，連續(xù)收取UF6氣體的重量為38.772kg（42.670kg），依次計(jì)算出容器連續(xù)收取UF6氣體的凝華收料能力如圖2、圖3所示：

圖2 產(chǎn)品3m3C容器凝華收料能力與收料量關(guān)系圖

圖3 尾料3m3容器凝華收料能力與收料量關(guān)系圖

3 鈾濃縮工廠取料增壓泵運(yùn)行能力計(jì)算及統(tǒng)計(jì)分析

3.1 產(chǎn)品增壓泵實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

產(chǎn)品和尾料增壓泵均為增壓真空泵，入口和出口壓差與壓比對(duì)泵來(lái)說(shuō)是有限制的，如果壓差超過(guò)允許壓差，泵會(huì)因負(fù)載過(guò)大和過(guò)熱而損壞[2]。

式中：ρ--密度（g/c m3）；P--U F6壓力，單位為（1/760mmHg）；T--UF6氣體溫度（K）。

因此，當(dāng)產(chǎn)品或尾料氣體的質(zhì)量流量確定時(shí)，所需增壓泵的有效抽速關(guān)系式如下：

式中：q--有效抽速（L/s）；qm--質(zhì)量流量（kg/h）；T--入口氣體溫度（室溫，K）；P--入口壓力（mmHg）。

產(chǎn)品3m3C最大凝華收料能力qm=P=38.772kg/h，尾料3m3容器為qm=W=42.670kg/h，則根據(jù)公式（3-1）計(jì)算出增壓泵有效抽速和入口壓力關(guān)系如表1所示。

表1 增壓泵所需有效抽速與增壓泵入口壓力的關(guān)系

A級(jí)聯(lián)取料系統(tǒng)2臺(tái)增壓泵串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)質(zhì)量流量守恒，得到：

式中：P1--一級(jí)泵入口壓力（mmHg）；P2--一級(jí)泵出口壓力，即二級(jí)泵入口壓力（mmHg）；S1--一級(jí)泵抽速（L/s）；S2--二級(jí)泵抽速（L/s）。

（P2-P1）應(yīng)小于最大許可壓差ΔPmax，一級(jí)泵抽速S1和二級(jí)泵抽速S2應(yīng)滿足以下關(guān)系：

3.2 增壓泵實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)收料模型計(jì)算結(jié)果得到的容器凝華收料能力，可以初步根據(jù)質(zhì)量流量的大小選擇與之匹配的收料容器臺(tái)數(shù)，然后再結(jié)合增壓泵的的運(yùn)行參數(shù)（入口出口壓力、泵體溫度等）和負(fù)載率來(lái)選擇合適的增壓泵運(yùn)行頻率，以保證收料容器能在連續(xù)正常收料的同時(shí)，也確保增壓泵在合理的負(fù)載下工作[3]。下面針對(duì)級(jí)聯(lián)在實(shí)際運(yùn)行的3種工況（a%、b%和c%工況）下，根據(jù)理論模型計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)了產(chǎn)品、尾料收料容器的臺(tái)數(shù)和對(duì)應(yīng)的增壓泵運(yùn)行數(shù)據(jù)如下：

（1）a%豐度工況，產(chǎn)品流量負(fù)載31%，增壓設(shè)備負(fù)載41%，1臺(tái)容器收料。

（2）b%豐度工況，產(chǎn)品流量負(fù)載62%，增壓設(shè)備負(fù)載61%，2臺(tái)容器收料。

（3）c%豐度工況，產(chǎn)品流量負(fù)載90%，增壓設(shè)備負(fù)載89%，3臺(tái)容器收料。

（4）a%豐度工況，尾料流量負(fù)載33%，增壓設(shè)備負(fù)載45%，4臺(tái)容器收料。

（5）b%豐度工況，尾料流量負(fù)載64%，增壓設(shè)備負(fù)載66%，5臺(tái)容器收料。

（6）c%豐度工況，尾料流量負(fù)載92%，增壓設(shè)備負(fù)載90%，6臺(tái)容器收料。

4 結(jié)論

4.1 產(chǎn)品取料系統(tǒng)最佳運(yùn)行模式

（1）P≦38kg/h，1臺(tái)3m3C容器收料，在二級(jí)泵不掉頻和電流不超限的情況下，盡量減少二級(jí)泵負(fù)載，增壓泵頻率設(shè)置為25/14Hz（流量較?。┖?8/12Hz（流量接近38kg/h）；

（2）38kg/h﹤P≦76kg/h，2臺(tái)3m3C容器收料，增壓泵頻率設(shè)置為27/16Hz（流量接近38kg/h）和38/12Hz（流量接近76kg/h）；

（3）76kg/h﹤P≦114kg/h，3臺(tái)3m3C容器收料，增壓泵頻率設(shè)置為25/16Hz（流量接近76kg/h）和38/12Hz（流量接近114kg/h）；

（4）較大流量容器收料末期，隨著3m3C容器凝華收料能力的下降，增加凈化頻次。

4.2 尾料取料系統(tǒng)最佳運(yùn)行模式

（1）W≦170kg/h，4臺(tái)3m3容器收料，在三級(jí)泵不掉頻和電流不超限的情況下，盡量減少三級(jí)泵負(fù)載，增壓泵頻率設(shè)置為25/15/12Hz（流量較?。┖?5/20/12Hz（流量接近170kg/h）；

（2）170kg/h﹤W≦210kg/h，5臺(tái)3m3容器收料，增壓泵頻率設(shè)置為28/22/20Hz（流量接近170kg/h）和38/20/12Hz（流量接近210kg/h）；

（3）210kg/h﹤W≦250kg/h，6臺(tái)3m3容器收料，增壓泵頻率設(shè)置為30/22/16Hz（流量接近210kg/h）和38/18/12Hz（流量接近250kg/h）。

（4）較大流量容器收料末期，隨著3m3容器凝華收料能力的下降，某臺(tái)容器收滿時(shí)，先并一臺(tái)新容器后，再退出裝滿容器。

5 結(jié)語(yǔ)

本文得到鈾濃縮級(jí)聯(lián)各種工況下取料系統(tǒng)的最佳運(yùn)行模式。目前國(guó)內(nèi)鈾濃縮工廠使用的增壓泵單級(jí)最大增壓能力只有60mmHg左右，即使采用多級(jí)組合，其增壓能力也比較有限。輕雜質(zhì)對(duì)容器凝華收料能力影響最大，若在UF6氣體進(jìn)入容器之前將輕雜質(zhì)去除，則不需要凈化操作，容器凝華收料能力也不會(huì)隨收料量的增加而減弱較多，有利于節(jié)約人力成本和智能化工廠的建設(shè)。