孫繼全 唐建 潘國(guó)棟

（中核陜西鈾濃縮有限公司 陜西漢中 723312）

鈾濃縮工藝主要包括分離級(jí)聯(lián)和供取料兩個(gè)環(huán)節(jié)。其中，供取料系統(tǒng)負(fù)責(zé)向級(jí)聯(lián)系統(tǒng)供給壓力、流量穩(wěn)定的物料（氣態(tài)UF6），并通過增壓、冷凝的方式，收集級(jí)聯(lián)分離后的精料以及貧料。供取料系統(tǒng)主要工藝環(huán)節(jié)包括供料及供料凈化系統(tǒng)、精料系統(tǒng)、貧料系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、吹洗系統(tǒng)等，其中，加熱設(shè)備、制冷設(shè)備、增壓設(shè)備、抽空設(shè)備、供料收料容器等存在于各個(gè)工藝環(huán)節(jié)中［1］。

1 容器裝填限值控制

供取料系統(tǒng)使用的容器按容積區(qū)分可分為大容器和小容器。大容器包括3m3、3m3B（C）、30B 容器，小容器包括50L、24L、20L 容器等，其中，3m3B（C）、50L、24L、20L 容器內(nèi)部存在數(shù)量不等的隔板。3m3容器作為供料容器及貧料取料容器，3m3B（C）容器作為精料取料容器，30B容器作為精料產(chǎn)品儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)容器，50L容器主要作為系統(tǒng)內(nèi)的物料收集、轉(zhuǎn)換容器，24L、20L容器主要用來收集各工藝環(huán)節(jié)中的HF。

各種容器內(nèi)的UF6在不同的工藝環(huán)節(jié)可能存在物相的轉(zhuǎn)換，由于UF6固態(tài)、液態(tài)密度的差異，UF6從固態(tài)轉(zhuǎn)換為液態(tài)的過程中存在體積膨脹的現(xiàn)象，因此，必須控制UF6裝填量。在供取料系統(tǒng)的工藝條件下，為保證安全裕度，根據(jù)121.1℃時(shí)UF6的密度3.26g/cm3確定UF6容器的裝填限值，貧化UF6容器的裝填限值根據(jù)112.8℃時(shí)UF6的密度3.32g/cm3確定，要求液化后容器剩余容積不小于規(guī)定最小容積的5%［2］，即可計(jì)算出固態(tài)UF6在容器內(nèi)的裝填限值；24L 或20L 容器裝填HF的限值主要是考慮HF 水解時(shí)的熱量釋放問題。容器的裝填限值控制通過設(shè)置電子秤來實(shí)現(xiàn)，容器的重量通過電子秤遠(yuǎn)傳至中控室，當(dāng)容器裝填料到達(dá)限值，計(jì)算機(jī)發(fā)出報(bào)警信息，則將相應(yīng)的容器退出，投入備用容器。表1列出了供取料系統(tǒng)各種容器的裝填限值。

表1 供取料系統(tǒng)容器裝填限值

2 溫度控制

2.1 制冷溫度控制

制冷設(shè)備主要包括供料凈化及精貧料收料冷風(fēng)箱、供料及精料凈化制冷柜、凝凍器等。制冷設(shè)備的作用是利用不同溫度下UF6（HF）飽和壓力的差異，來收集或分離UF6（HF）。冷風(fēng)箱工作溫度一般為-25℃，一般采用一級(jí)壓縮機(jī)的制冷系統(tǒng)為其提供冷量，其內(nèi)部收料容器一般為3m3B（C）容器，用來冷凝收集級(jí)聯(lián)系統(tǒng)分離出來的貧料與精料產(chǎn)品；制冷柜工作溫度一般為-80℃，一般采用二級(jí)壓縮機(jī)的制冷系統(tǒng)為其提供冷量，其內(nèi)部容器為50L容器，在進(jìn)行供料或精料凈化工藝環(huán)節(jié)中，利用UF6與HF同一溫度下飽和蒸氣壓的懸殊差異，達(dá)到UF6與HF分離的目的；凝凍器用加注液氮（-196℃）的方式來冷卻其內(nèi)部的24L或20L的容器，主要用來收集各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的HF。供取料系統(tǒng)各工藝環(huán)節(jié)典型溫度及對(duì)應(yīng)的UF6（HF）飽和蒸氣壓［2］如表2所示。

表2 供取料系統(tǒng)典型溫度對(duì)應(yīng)的U F6（H F）飽和蒸氣壓

2.2 加熱溫度控制

加熱設(shè)備主要包括供料容器加熱箱、供料保溫箱、管道及儀表電伴加熱以及部分制冷設(shè)備中設(shè)置的加熱絲等。加熱箱的主要作用是促進(jìn)其容器內(nèi)UF6由固態(tài)至氣態(tài)的轉(zhuǎn)換；保溫箱及電伴加熱的作用是維持UF6的氣體狀態(tài)，防止UF6冷凝形成堵塞；制冷設(shè)備加熱絲的作用一是改善制冷設(shè)備的工作條件（如除霜用），二是促進(jìn)UF6由固態(tài)至氣態(tài)的轉(zhuǎn)換（如50L容器內(nèi)UF6倒料）。

加熱箱的工作溫度一般在50～80℃的范圍內(nèi)，主要通過加熱絲與循環(huán)風(fēng)機(jī)組合熱對(duì)流的方式加熱；保溫箱的工作溫度一般維持在60℃，主要通過加熱絲、鹵鎢燈等熱輻射的方式加熱；電伴加熱一般包裹在管道及儀表外表面上，工作溫度由管道內(nèi)的氣態(tài)UF6壓力決定，主要通過熱傳導(dǎo)的方式加熱［3］。

供取料系統(tǒng)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)UF6均以負(fù)壓的狀態(tài)存在，這是供取料系統(tǒng)的工藝原則，因此，不管采用哪一種加熱方式，加熱溫度的控制都顯得尤為重要。供取料系統(tǒng)加熱溫度的控制主要是通過設(shè)置溫度檢測(cè)點(diǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的高限值時(shí)，自動(dòng)切斷其控制回路或動(dòng)力元器件，重要的溫度控制點(diǎn)設(shè)置雙重甚至多重的溫度控制保護(hù)。

3 主要聯(lián)鎖設(shè)置

供取料系統(tǒng)設(shè)置聯(lián)鎖的目的主要是保證系統(tǒng)的安全、連續(xù)運(yùn)行。

3.1 供料系統(tǒng)主要聯(lián)鎖

供料系統(tǒng)負(fù)責(zé)向級(jí)聯(lián)供給壓力、流量穩(wěn)定的氣態(tài)UF6，除了需要加熱箱等設(shè)備外，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，調(diào)節(jié)滿足系統(tǒng)要求的壓力。級(jí)聯(lián)系統(tǒng)主機(jī)供料必須保證壓力及輕雜質(zhì)含量在一定的安全范圍，否則輕則影響級(jí)聯(lián)生產(chǎn)效率、重則威脅主機(jī)安全運(yùn)行。圖1 為供料系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)示意圖，供料系統(tǒng)的主要聯(lián)鎖則是以供料的安全、連續(xù)為原則。

聯(lián)鎖設(shè)置一：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥后壓力超高限，自動(dòng)關(guān)閉供料電磁氣動(dòng)閥，說明此時(shí)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)能力出現(xiàn)故障或者系統(tǒng)壓力出現(xiàn)異常，關(guān)閉供料電磁氣動(dòng)閥是為了保證級(jí)聯(lián)系統(tǒng)主機(jī)安全。

聯(lián)鎖設(shè)置二：供料電磁氣動(dòng)閥與凈化電閥不能同時(shí)打開。如圖1 所示，所有的供料單元共用供料凈化線，如果電磁氣動(dòng)閥與凈化電閥同時(shí)打開，則正在進(jìn)行凈化操作的供料單元的物料就會(huì)反串進(jìn)入供料線，那么，輕雜質(zhì)含量高的物料進(jìn)入級(jí)聯(lián)系統(tǒng)則影響到主機(jī)的安全。

圖1 供料系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

3.2 精貧料系統(tǒng)主要聯(lián)鎖

增壓泵（組）是保證精貧料系統(tǒng)連續(xù)、安全收集級(jí)聯(lián)物料的關(guān)鍵設(shè)備。精貧料的聯(lián)鎖主要圍繞增壓泵（組）進(jìn)行，精料/貧料系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖2 精料/貧料系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

聯(lián)鎖設(shè)置一：增壓泵（組）入口壓力超高限值或泵（組）停車，旁通電閥自動(dòng)打開，物料自動(dòng)收集到應(yīng)急容器，保證收料連續(xù)性。

聯(lián)鎖設(shè)置二：泵（組）停車，對(duì)應(yīng)出口電閥自動(dòng)關(guān)閉，防止物料倒流影響系統(tǒng)及堵塞泵組。

3.3 其他系統(tǒng)主要聯(lián)鎖

真空系統(tǒng)、吹洗系統(tǒng)的出口即為大氣，因此，聯(lián)鎖的設(shè)置原則主要是防止空氣倒灌，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。

聯(lián)鎖設(shè)置一：真空泵（組）啟動(dòng)，對(duì)應(yīng)入口電閥才能打開。

聯(lián)鎖設(shè)置二：真空泵（組）停車，對(duì)應(yīng)入口電閥自動(dòng)關(guān)閉。

4 運(yùn)行工藝優(yōu)化

4.1 電伴加熱方式優(yōu)化

供取料系統(tǒng)通常采用的恒功率式的電伴加熱，恒功率式電伴加熱如果出現(xiàn)加熱控制失控，可能會(huì)出現(xiàn)燒壞相應(yīng)的容器、管道及儀表的問題。隨著高分子材料的發(fā)展，目前有一種新型的自控溫式電伴加熱，其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的原理為：在兩個(gè)平行導(dǎo)線中填充高分子導(dǎo)電塑料作芯帶，這種導(dǎo)電塑料在溫度上升時(shí)，受熱膨脹，使得部分電流通道網(wǎng)絡(luò)逐步斷開，通過的電流降低，發(fā)熱量也隨之減少；當(dāng)溫度上升到某個(gè)范圍時(shí)，導(dǎo)電塑料中電流通道因受熱膨脹而幾乎成為斷路；當(dāng)溫度降低時(shí)芯帶收縮，電流通道重新接通，電伴加熱又開始供給熱量［4］。

自控溫電伴加熱能根據(jù)溫度自動(dòng)調(diào)整其輸出功率，這種特性在產(chǎn)品長(zhǎng)度上處處存在，因此，可以交叉重疊安裝，在交叉重疊點(diǎn)也不會(huì)產(chǎn)生過熱，可按使用長(zhǎng)度任意剪切。自控溫電伴加熱的這種工作特性非常適用于供取料系統(tǒng)，可以根據(jù)系統(tǒng)不同的溫度要求選擇使用不同溫度等級(jí)的自控溫電伴加熱，提高加熱溫度本質(zhì)安全度。

4.2 收料工藝優(yōu)化

貧料容器收料達(dá)到規(guī)定量后即可進(jìn)行儲(chǔ)存，按照UF6容器使用規(guī)定［5］，精料產(chǎn)品只能使用30B產(chǎn)品容器運(yùn)輸。而目前采用3m3B（C）容器收取級(jí)聯(lián)精料產(chǎn)品，3m3B（C）容器只能作為設(shè)施內(nèi)部周轉(zhuǎn)容器，運(yùn)輸前必須將精料產(chǎn)品分裝至30B產(chǎn)品容器中。分裝工藝主要包含了液化均質(zhì)、液態(tài)取樣、液態(tài)分裝等環(huán)節(jié)，其中，液態(tài)分裝環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)最大，UF6液化溫度在93℃左右，壓力高達(dá)0.4MPa，工藝整體無法在耐壓裝置內(nèi)完成，存在UF6物料泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生UF6物料泄漏，將對(duì)環(huán)境和工作人員造成嚴(yán)重的傷害，給企業(yè)造成巨大損失。

為降低發(fā)生UF6泄漏事故的可能性，從本質(zhì)上提高分裝工藝的安全度，可直接采用30B 產(chǎn)品容器在線收料，并直接對(duì)30B產(chǎn)品容器進(jìn)行均質(zhì)及取樣。3m3B（C）容器與30B產(chǎn)品容器的主要區(qū)別在于有兩個(gè)φ22直角閥，在收料過程中一個(gè)閥門作為收料進(jìn)口，當(dāng)容器內(nèi)壓力升高到一定程度，另一個(gè)閥門作為凈化釋放壓力的出口，因此，可以實(shí)現(xiàn)收料連續(xù)化。而30B容器只有一個(gè)φ22 直角閥，收取的是精料過程中當(dāng)壓力升高到一定程度后，須轉(zhuǎn)換到輔助容器收料，將收料的30B容器退出、凈化，容器內(nèi)壓力凈化降低后重新投入收料。

4.3 HF收集工藝優(yōu)化

供取料系統(tǒng)使用液氮冷凍的方式來收集HF，需要人工定期加注液氮，液氮消耗量大且人工操作量大。借鑒電子行業(yè)采用NaF 收集HF 的思路［6］，可以實(shí)現(xiàn)HF的非能動(dòng)收集。

NaF + HF ?NaHF2

上式為可逆反應(yīng)，當(dāng)溫度為80℃以下時(shí)，正反應(yīng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，只有當(dāng)溫度為250℃以上時(shí)，逆反應(yīng)才占優(yōu)，因此，NaF 可反復(fù)吸附、脫附，循環(huán)利用。由于NaF 可循環(huán)利用，使用成本較低，也不會(huì)大量增加固態(tài)廢物的產(chǎn)生量。

4.4 操作程序優(yōu)化

4.4.1 吹洗操作優(yōu)化

供取料系統(tǒng)容器拆裝前，需要對(duì)拆裝部位進(jìn)行吹洗操作，吹洗系統(tǒng)真空泵的工作特性決定了吹洗操作需要多次破空、抽空，吹洗是供取料系統(tǒng)的主要操作，由于容器拆裝較為頻繁，占用很大人力資源及時(shí)間資源。根據(jù)吹洗操作的工作特點(diǎn)，可選擇抽空壓力范圍較寬的真空泵［7-8］（如干式渦旋泵），從而優(yōu)化吹洗操作程序，容器拆裝前，只需對(duì)拆裝部位進(jìn)行深度抽空，在拆裝時(shí)，利用真空泵維持拆裝部位處于負(fù)壓狀態(tài)，大氣連續(xù)不斷地吸入拆裝部位然后抽走，達(dá)到了吹洗操作目的的同時(shí)，還可有效避免拆裝時(shí)出現(xiàn)工作氣體外泄的現(xiàn)象，減少對(duì)工作人員的傷害，降低了對(duì)廠房及周邊環(huán)境的污染。

4.4.2 凈化操作優(yōu)化

凈化為供取料系統(tǒng)的另一個(gè)主要操作，包括供料凈化和精料凈化。目前，供取料一般采用DCS控制系統(tǒng)，可利用DCS 組態(tài)的程序編輯功能，配合現(xiàn)場(chǎng)的電動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)凈化的自動(dòng)化，降低人工操作量、減少人工失誤，提升可靠性。圖3是以3m3B（C）容器收取精料時(shí)的凈化操作為例，來說明自動(dòng)凈化的執(zhí)行程序步驟。

圖3 精料自動(dòng)凈化流程

5 結(jié)語

鈾濃縮工廠在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了使供取料系統(tǒng)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)安全受控，設(shè)置了各種安全運(yùn)行管理措施、控制措施及聯(lián)鎖關(guān)系，并依托新材料、新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，不斷進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)，提升系統(tǒng)的本質(zhì)安全度及自動(dòng)化程度。