鈾濃縮工廠取料系統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帶來了很大考驗。本文以鈾濃縮工廠取料系統現狀展開分析，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最佳運行模式并應用于實際生產系統，總結經驗技術，不斷促進鈾濃縮工廠安全穩定高效運行。

1 鈾濃縮工廠取料系統現狀分析

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，對取料系統能力進行深入研究，得到不同工況下取料系統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氣體凝華成固態所釋放的熱量依次經過不凝性氣體層（輕雜質）、固態UF6層和容器壁傳遞到容器外的-25℃制冷環境中，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，各環節熱流密度相等，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，各環節熱流密度相等，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直接凝華為固態，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℃制冷環境的熱量為：

UF6氣體放出的熱量全部傳遞給-25℃制冷環境，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收取UF6氣體能力。當產品（尾料）收料0kg時，連續收取UF6氣體的重量為38.772kg（42.670kg），依次計算出容器連續收取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計分析

3.1 產品增壓泵實際運行數據統計分析

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?。┖?8/12Hz（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，有利于節約人力成本和智能化工廠的建設。