摘 要：針對(duì)目前核電站低、中放射性固體廢物灌漿固定所用的移動(dòng)灌漿裝置均為國(guó)外壟斷供貨的狀態(tài)，研發(fā)一種新型移動(dòng)灌漿裝置，旨在突破國(guó)外關(guān)鍵技術(shù)的封鎖，實(shí)現(xiàn)送料、攪拌和泵送一體的工藝路線和性能需求。并在就地控制模式下完成多項(xiàng)性能試驗(yàn)，包括物料輸送能力、計(jì)量精度、灌漿流量調(diào)節(jié)，以及用于固定放射性固體廢物水泥漿的固定介質(zhì)性能等。試驗(yàn)結(jié)果表明：新型移動(dòng)灌漿裝置滿足物料輸送能力的設(shè)定要求，輸送精度達(dá)到了國(guó)外同類設(shè)備的水平。灌漿流量調(diào)節(jié)范圍滿足核電站對(duì)不同灌漿對(duì)象要求。水泥漿性能滿足固定介質(zhì)的性能要求。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)灌漿裝置；放射性固體廢物；固定介質(zhì)；就地控制

中圖分類號(hào)：TL94" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)：2096-6903（2025）01-0041-03

0 引言

核電站產(chǎn)生的低、中放廢物，通常采用水泥砂漿、細(xì)石混泥土或環(huán)氧樹脂等固定介質(zhì)，把放射性固體廢物[1]固結(jié)成整體的廢物體[2]。例如廢濾芯或壓縮桶餅，即采用裝入400 L金屬桶灌漿固定的工藝處理。灌漿固定可減少搬運(yùn)、運(yùn)輸、貯存或處置期間放射性核素的彌散和遷移。

用于生產(chǎn)水泥漿固定介質(zhì)的移動(dòng)灌漿設(shè)備，以往均由國(guó)外公司壟斷供貨?；诖?，本文研制了一種新型移動(dòng)灌漿裝置。該裝置實(shí)現(xiàn)同步送料、攪拌和泵送，攪拌混合效率高，在結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)方面與國(guó)外產(chǎn)品明顯不同。本文通過(guò)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能、關(guān)鍵技術(shù)突破方法和控制方式等方面的分析來(lái)介紹該設(shè)備的研制過(guò)程和成果，通過(guò)設(shè)備調(diào)試過(guò)程和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證新型移動(dòng)灌漿裝置的性能，旨在論證其高效性、穩(wěn)定性和技術(shù)的創(chuàng)新性。

1 移動(dòng)灌漿裝置的研制

現(xiàn)役核電站的低、中放射性廢物一般集中在某一段時(shí)間內(nèi)處理。工作周期內(nèi)，將移動(dòng)灌漿裝置搬運(yùn)至操作間，在灌漿工作區(qū)組裝和運(yùn)行，非工作周期則拆卸后轉(zhuǎn)運(yùn)至存儲(chǔ)間。為便于設(shè)備移動(dòng)和拆卸，移動(dòng)灌漿裝置采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，由1個(gè)移動(dòng)料倉(cāng)模塊和下部的1個(gè)攪拌控制模塊組成。攪拌控制模塊含液體計(jì)量單元、攪拌泵送單元和電氣控制單元3部分，如圖1所示。

1.1 移動(dòng)料倉(cāng)模塊

移動(dòng)料倉(cāng)分為上下兩部分，上部為水泥料斗，下部為螺旋輸送計(jì)量送料機(jī)構(gòu)。該模塊的主要功能是接收、轉(zhuǎn)運(yùn)、計(jì)量和輸送水泥干粉料等。

水泥粉料計(jì)量精度要求不低于±1%，常規(guī)解決方案是采用稱重傳感器稱重計(jì)量完成。然而，稱重裝置的工作特性要求傳感器固定且水平安裝，才能保證其稱重的精度和可靠性，但是移動(dòng)料倉(cāng)需經(jīng)常轉(zhuǎn)運(yùn)至BQS廠房填裝水泥，不具備固定條件。另一方面，以市場(chǎng)上具有代表性的梅特勒托利多傳感器為例，其計(jì)量精度可達(dá)到3‰，但是滿載料倉(cāng)重約1.2 t，為滿足水泥粉料實(shí)時(shí)輸送質(zhì)量60 kg/min、精度±1%的要求，則實(shí)時(shí)質(zhì)量誤差為±10 g/s，實(shí)際要求傳感器的精度為10 g/1.2 t，約為1×10-6，顯然超出傳感器的計(jì)量精度范圍。因此要尋求以螺旋輸送機(jī)的體積計(jì)量，作為計(jì)量精度的實(shí)施方式。

螺旋輸送計(jì)量送料機(jī)構(gòu)集成了粉料疏松裝置和精密螺旋，可完成水泥干粉料的計(jì)量和輸送。疏松裝置可有效地解決水泥干粉料堆積密度不同和螺旋內(nèi)填充系數(shù)不穩(wěn)定的問(wèn)題，精密螺旋通過(guò)設(shè)置合理的螺距和出料結(jié)構(gòu)保證物料輸送質(zhì)量的穩(wěn)定性。螺旋輸送機(jī)采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泥粉料的輸送量，達(dá)到不同水灰比所需求的水泥輸送流量。

1.2 攪拌控制模塊

攪拌控制模塊將液體計(jì)量單元、攪拌泵送單元和電氣控制單元集成一體。當(dāng)電氣控制單元與液體計(jì)量單元和攪拌單元集成在一起后，相關(guān)儀控用電設(shè)備等接線均可固化，具備減少現(xiàn)場(chǎng)接線操作的條件。

1.2.1 液體計(jì)量單元

液體計(jì)量單元由除鹽水和添加劑（為液體減水劑）供應(yīng)管線和計(jì)量裝置組成，其主要功能是完成除鹽水和添加劑的計(jì)量和穩(wěn)定供應(yīng)。水和添加劑在輸送管內(nèi)混合，然后送至攪拌泵送單元的攪拌倉(cāng)內(nèi)。水計(jì)量管線包括水泵、電磁閥、流量開關(guān)、減壓閥、流量計(jì)和精確調(diào)節(jié)閥等管路部件，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流量供水，供水精度可以達(dá)到±1% 。添加劑貯存在添加劑罐內(nèi)，添加劑管線包括添加劑計(jì)量泵、單向閥、流量開關(guān)和排空閥等管路，添加劑輸送精度可以達(dá)到±0.5%。

1.2.2 攪拌泵送單元

參與混合的3種物料同步輸送至攪拌泵送單元后，在攪拌倉(cāng)內(nèi)完成攪拌混合。由于設(shè)備的工作方式為連續(xù)進(jìn)料，連續(xù)攪拌和同步泵送，為此要求設(shè)備上部物料在達(dá)到下部出口過(guò)程中就能夠?qū)崿F(xiàn)攪拌混合均勻?；诖?，攪拌倉(cāng)的容積設(shè)置和攪拌槳的結(jié)構(gòu)型式這兩項(xiàng)是決定攪拌效果[3]的關(guān)鍵因素。

研制過(guò)程中采用fluent多相流模型模擬了整個(gè)攪拌混合過(guò)程，根據(jù)不同槳型的仿真結(jié)果對(duì)比完成了攪拌槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)。多相流仿真計(jì)算為進(jìn)料流量，進(jìn)料高度和進(jìn)料時(shí)間等多個(gè)工藝參數(shù)的設(shè)置提供支撐依據(jù)。

攪拌槳結(jié)構(gòu)為多層框式結(jié)構(gòu)攪拌槳。攪拌槳由多層槳葉和中間軸焊接組成。物料從進(jìn)入攪拌倉(cāng)到達(dá)螺桿泵進(jìn)口時(shí)間段內(nèi)，多相物料在攪拌槳作用下達(dá)到混合均勻的狀態(tài)。為避免攪拌倉(cāng)底部物料堆積，在攪拌槳下層攪拌葉片上設(shè)置刮灰板，推動(dòng)底部物料向上和向中間移動(dòng)，以便于螺桿泵將水泥漿吸入完成泵送。

1.2.3 電氣控制單元

電氣控制單元安裝在攪拌泵送單元框架上。移動(dòng)灌漿裝置各用電設(shè)備通過(guò)航空快接插頭連接到電氣控制單元控制柜上，控制柜通過(guò)航空快速插頭與廠房外部電源連接。控制系統(tǒng)包括供電模塊、PLC模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、操作面板等?？刂葡到y(tǒng)與上游控制系統(tǒng)之間的通信采用Modbus TCP通訊協(xié)議。

為便于人機(jī)交互和就地控制，在操作面板上布置觸摸屏及電源開關(guān)、指示燈、遠(yuǎn)程就地選擇開關(guān)和急停按鈕。就地自動(dòng)模式有以下2項(xiàng)功能：①灌漿準(zhǔn)備功能。系統(tǒng)在當(dāng)前所選流量下的灌漿準(zhǔn)備時(shí)間內(nèi)，加入除鹽水及添加劑，當(dāng)灌漿準(zhǔn)備程序結(jié)束后，界面彈出“一鍵灌漿”按鈕。②一鍵灌漿功能。按下觸摸屏“一鍵灌漿”按鈕，攪拌電機(jī)將按照選擇流量所對(duì)應(yīng)頻率運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到攪拌桶內(nèi)砂漿高位信號(hào)后，停止送料，攪拌電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，直到系統(tǒng)達(dá)到操作員所選擇的流量對(duì)應(yīng)的延時(shí)時(shí)間。當(dāng)達(dá)到延時(shí)時(shí)間后，送料系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)。

2 移動(dòng)灌漿裝置性能試驗(yàn)

根據(jù)運(yùn)行準(zhǔn)則及程序文件，準(zhǔn)備試驗(yàn)耗材、儀器儀表。調(diào)節(jié)閥門處于初始狀態(tài)，連接水源，將水泥料斗加滿水泥，添加劑罐加滿添加劑，確保所有快插電源線連接就位。

2.1 水泥流量及精度試驗(yàn)

本試驗(yàn)為研究螺旋輸送計(jì)量機(jī)構(gòu)水泥流量及穩(wěn)定送料精度試驗(yàn)。在調(diào)試功能界面上設(shè)置變頻電機(jī)的頻率，設(shè)置工作時(shí)間1 min，稱量3次螺旋輸送計(jì)量機(jī)構(gòu)輸出水泥的質(zhì)量。除鹽水和水泥的比例為0.26～0.4，故設(shè)定工作水泥流量頻率f0、f0.26和 f0.4，并驗(yàn)證其送料精度。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

在f為43 Hz的情況下，水泥的1 min流量均值為43 384 g，即2 603 kg/h，依照配方計(jì)算需添加劑的質(zhì)量流量和除鹽水的質(zhì)量流量。在研究除鹽水與水泥的比例為0.26～0.4的攪拌均勻性時(shí)，固定除鹽水和添加劑的流量不變，僅調(diào)整水泥的輸送流量，即水泥輸送頻率為f0.26和f0.4。

2.2 除鹽水的流量試驗(yàn)

本試驗(yàn)為研究本設(shè)備除鹽水供應(yīng)管線輸送流量和穩(wěn)定送料的精度試驗(yàn)。

在觸摸屏上的調(diào)試功能操作界面上啟動(dòng)水泵，水壓高位報(bào)警后，打開電磁閥，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥，流量指示器顯示為640 L/h，在觸摸屏上設(shè)置水泵工作時(shí)間為3 min，稱量管線出水質(zhì)量。重復(fù)調(diào)節(jié)流量閥，測(cè)量供水管線除鹽水流量。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由流量指示器數(shù)值和去離子水質(zhì)量流量關(guān)系曲線，算出滿足水灰比的流量指示器的顯示數(shù)值L取為864 L/h，稱量3次取平均值，其質(zhì)量流量和計(jì)量精度均滿足配方要求。

2.3 添加劑的流量調(diào)試

本試驗(yàn)為研究本設(shè)備添加劑供應(yīng)管線輸送流量和穩(wěn)定送料的精度試驗(yàn)。調(diào)整計(jì)量泵的刻度至50%，在觸摸屏上功能調(diào)試界面啟動(dòng)計(jì)量泵，直至添加劑連續(xù)流出，停止計(jì)量泵。在觸摸屏上功能調(diào)試界面設(shè)置計(jì)量泵工作時(shí)間為6 min，稱量添加劑質(zhì)量。以10%進(jìn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵刻度，重復(fù)稱量添加劑質(zhì)量。設(shè)定工作所需流量并驗(yàn)證其質(zhì)量精度， 試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由計(jì)量泵刻度及添加劑6 min的質(zhì)量關(guān)系曲線，算出添加劑滿足添加劑與水泥的質(zhì)量比為0.7%～1%時(shí)，計(jì)量泵的刻度K為73.5%，并稱量3次取平均值，其質(zhì)量和精度均滿足配方要求。

2.4 遠(yuǎn)程控制模式

該移動(dòng)灌漿裝置可切換至遠(yuǎn)程控制模式，在灌漿條件準(zhǔn)備就緒后，發(fā)出準(zhǔn)備就緒信號(hào)，遠(yuǎn)程控制模式下，可啟動(dòng)“一鍵灌漿”功能。

2.5 制作固定體試塊并檢驗(yàn)固定體性能

現(xiàn)場(chǎng)取樣做水泥漿流動(dòng)性試驗(yàn)[2]并記錄流動(dòng)度的值，取樣做抗壓強(qiáng)度試塊和抗?jié)B性能試塊。用保鮮膜包覆試塊，24 h脫模后養(yǎng)護(hù)28 d，然后做28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和28 d抗?jié)B性試驗(yàn)，均滿足固定介質(zhì)的性能指標(biāo)[3]。試驗(yàn)如表4所示。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

新型移動(dòng)灌漿裝置與同類產(chǎn)品在以下4方面具備特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)更加緊湊，布局合理，便于轉(zhuǎn)運(yùn)存儲(chǔ)，集液體計(jì)量、電氣控制、攪拌泵送為一體，現(xiàn)場(chǎng)操作人員線纜和管線連接工作量減少。②螺旋輸送計(jì)量送料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)精巧，解決了水泥干粉料堆積密度不同和螺旋內(nèi)填充系數(shù)不穩(wěn)定問(wèn)題。通過(guò)設(shè)置合理的螺距和出料結(jié)構(gòu)保證物料輸送質(zhì)量的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了水泥粉的計(jì)量功能。③攪拌槳采用多層框式結(jié)構(gòu)，達(dá)到了高效混合攪拌的效果。④控制系統(tǒng)功能完善，操作界面對(duì)操作人員友好靈活，便于調(diào)試及就地操作，提高了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和操作效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

新型移動(dòng)灌漿裝置所生產(chǎn)的水泥漿性能穩(wěn)定，水泥固定體性能符合《放射性廢物體和廢物包的特性鑒定》中規(guī)定的固定廢物體用固定介質(zhì)的性能指標(biāo)。新型移動(dòng)灌漿裝置符合核電行業(yè)的技術(shù)要求，滿足TES水泥固化線灌漿固定廢濾芯和壓縮桶餅的工藝要求。該新型移動(dòng)灌漿裝置通過(guò)華龍一號(hào)在役核電機(jī)組關(guān)鍵核心技術(shù)裝備的研制驗(yàn)收鑒定，具備推廣條件和使用價(jià)值。

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收稿日期：2024-06-18

作者簡(jiǎn)介：王吉珍（1984—），女，湖北襄陽(yáng)人，本科，工程師，研究方向：核廢物處置方案。