鈾濃縮工廠取料系統(tǒng)最佳運行模式探索及應用

李東珀

中核陜西鈾濃縮有限公司 陜西漢中 723312

鈾濃縮工廠級聯低豐度產品較多，較大的產品和尾料流量給取料系統(tǒng)帶來了很大考驗。本文以鈾濃縮工廠取料系統(tǒng)現狀展開分析，建立產品和尾料收料容器凝華散熱模型來研究不同工況下取料系統(tǒng)最佳運行模式并應用于實際生產系統(tǒng)，總結經驗技術，不斷促進鈾濃縮工廠安全穩(wěn)定高效運行。

1 鈾濃縮工廠取料系統(tǒng)現狀分析

鈾濃縮級聯工況調整后，產品、尾料流量差異較大，鈾濃縮工廠取料系統(tǒng)產品應盡量滿足1臺容器收料以便于豐度控制和容器周轉，尾料應盡量滿足4臺容器并聯收料，然而在具體的工況下，對增壓泵頻率如何設置、需要幾臺容器收料等方面有很大的不確定性，對取料系統(tǒng)能力進行深入研究，得到不同工況下取料系統(tǒng)的最佳運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算

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

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

式中：T--導熱熱流，J/h；S--導熱面積，m2；λ1--圓筒導熱系數，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；d1--圓筒內徑，m。

傅里葉定律：導熱現象中，單位時間內通過給定截面的熱量，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--導熱系數，W/（m·K）；dT/dx--在x方向上的溫度梯度。

根據傅里葉定律，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，W/m2·K；ξ1、ξ2--器壁的傳熱系數，W/m·K；θ1、θ2--UF6固體、器壁的厚度，m。

由式（2-3）通過計算可以得到：

式中：Q--氣體輕雜質的傳熱系數。

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

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）式可以計算得到容器的凝華收料能力為：

A級聯取料系統(tǒng)實際運行情況：產品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，對于產品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，則得到產品容器和尾料容器內物料層厚度、熱阻、傳熱面積與收料重量的計算結果，進而計算出不同收料量下產品容器連續(xù)收取UF6氣體能力。當產品（尾料）收料0kg時，連續(xù)收取UF6氣體的重量為38.772kg（42.670kg），依次計算出容器連續(xù)收取UF6氣體的凝華收料能力如圖2、圖3所示：

圖2 產品3m3C容器凝華收料能力與收料量關系圖

圖3 尾料3m3容器凝華收料能力與收料量關系圖

3 鈾濃縮工廠取料增壓泵運行能力計算及統(tǒng)計分析

3.1 產品增壓泵實際運行數據統(tǒng)計分析

產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泵來說是有限制的，如果壓差超過允許壓差，泵會因負載過大和過熱而損壞[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，當產品或尾料氣體的質量流量確定時，所需增壓泵的有效抽速關系式如下：

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

產品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，則根據公式（3-1）計算出增壓泵有效抽速和入口壓力關系如表1所示。

表1 增壓泵所需有效抽速與增壓泵入口壓力的關系

A級聯取料系統(tǒng)2臺增壓泵串聯運行時，根據質量流量守恒，得到：

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

（P2-P1）應小于最大許可壓差ΔPmax，一級泵抽速S1和二級泵抽速S2應滿足以下關系：

3.2 增壓泵實際運行數據統(tǒng)計分析

通過收料模型計算結果得到的容器凝華收料能力，可以初步根據質量流量的大小選擇與之匹配的收料容器臺數，然后再結合增壓泵的的運行參數（入口出口壓力、泵體溫度等）和負載率來選擇合適的增壓泵運行頻率，以保證收料容器能在連續(xù)正常收料的同時，也確保增壓泵在合理的負載下工作[3]。下面針對級聯在實際運行的3種工況（a%、b%和c%工況）下，根據理論模型計算結果統(tǒng)計了產品、尾料收料容器的臺數和對應的增壓泵運行數據如下：

（1）a%豐度工況，產品流量負載31%，增壓設備負載41%，1臺容器收料。

（2）b%豐度工況，產品流量負載62%，增壓設備負載61%，2臺容器收料。

（3）c%豐度工況，產品流量負載90%，增壓設備負載89%，3臺容器收料。

（4）a%豐度工況，尾料流量負載33%，增壓設備負載45%，4臺容器收料。

（5）b%豐度工況，尾料流量負載64%，增壓設備負載66%，5臺容器收料。

（6）c%豐度工況，尾料流量負載92%，增壓設備負載90%，6臺容器收料。

4 結論

4.1 產品取料系統(tǒng)最佳運行模式

（1）P≦38kg/h，1臺3m3C容器收料，在二級泵不掉頻和電流不超限的情況下，盡量減少二級泵負載，增壓泵頻率設置為25/14Hz（流量較小）和38/12Hz（流量接近38kg/h）；

（2）38kg/h﹤P≦76kg/h，2臺3m3C容器收料，增壓泵頻率設置為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3m3C容器收料，增壓泵頻率設置為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)最佳運行模式

（1）W≦170kg/h，4臺3m3容器收料，在三級泵不掉頻和電流不超限的情況下，盡量減少三級泵負載，增壓泵頻率設置為25/15/12Hz（流量較小）和35/20/12Hz（流量接近170kg/h）；

（2）170kg/h﹤W≦210kg/h，5臺3m3容器收料，增壓泵頻率設置為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3m3容器收料，增壓泵頻率設置為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，某臺容器收滿時，先并一臺新容器后，再退出裝滿容器。

5 結語

本文得到鈾濃縮級聯各種工況下取料系統(tǒng)的最佳運行模式。目前國內鈾濃縮工廠使用的增壓泵單級最大增壓能力只有60mmHg左右，即使采用多級組合，其增壓能力也比較有限。輕雜質對容器凝華收料能力影響最大，若在UF6氣體進入容器之前將輕雜質去除，則不需要凈化操作，容器凝華收料能力也不會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。