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        鈾濃縮工廠(chǎng)取料系統(tǒng)最佳運(yùn)行模式探索及應(yīng)用

        2021-12-05 06:02:26李東珀
        商品與質(zhì)量 2021年39期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)品能力

        李東珀

        中核陜西鈾濃縮有限公司 陜西漢中 723312

        鈾濃縮工廠(chǎng)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(chǎng)取料系統(tǒng)現(xiàn)狀展開(kāi)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(chǎng)安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。

        1 鈾濃縮工廠(chǎng)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(chǎng)取料系統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)盡量滿(mǎn)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(mǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(mǎn)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(流量較小)和38/12Hz(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(mǎn)時(shí),先并一臺(tái)新容器后,再退出裝滿(mǎn)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(chǎng)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(chǎng)的建設(shè)。

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