鈾濃縮工廠供取料系統(tǒng)運行控制及優(yōu)化

孫繼全 唐建 潘國棟

（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聯(lián)和供取料兩個環(huán)節(jié)。其中，供取料系統(tǒng)負責向級聯(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，加熱設備、制冷設備、增壓設備、抽空設備、供料收料容器等存在于各個工藝環(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)品儲存、轉(zhuǎn)運容器，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 水解時的熱量釋放問題。容器的裝填限值控制通過設置電子秤來實現(xiàn)，容器的重量通過電子秤遠傳至中控室，當容器裝填料到達限值，計算機發(fā)出報警信息，則將相應的容器退出，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

制冷設備主要包括供料凈化及精貧料收料冷風箱、供料及精料凈化制冷柜、凝凍器等。制冷設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）。冷風箱工作溫度一般為-25℃，一般采用一級壓縮機的制冷系統(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℃，一般采用二級壓縮機的制冷系統(tǒng)為其提供冷量，其內(nèi)部容器為50L容器，在進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)典型溫度及對應的UF6（HF）飽和蒸氣壓［2］如表2所示。

表2 供取料系統(tǒng)典型溫度對應的U F6（H F）飽和蒸氣壓

2.2 加熱溫度控制

加熱設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備中設置的加熱絲等。加熱箱的主要作用是促進其容器內(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；制冷設備加熱絲的作用一是改善制冷設備的工作條件（如除霜用），二是促進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)風機組合熱對流的方式加熱；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，主要通過熱傳導的方式加熱［3］。

供取料系統(tǒng)各個工藝環(huán)節(jié)UF6均以負壓的狀態(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置溫度檢測點，當溫度達到設定的高限值時，自動切斷其控制回路或動力元器件，重要的溫度控制點設置雙重甚至多重的溫度控制保護。

3 主要聯(lián)鎖設置

供取料系統(tǒng)設置聯(lián)鎖的目的主要是保證系統(tǒng)的安全、連續(xù)運行。

3.1 供料系統(tǒng)主要聯(lián)鎖

供料系統(tǒng)負責向級聯(lián)供給壓力、流量穩(wěn)定的氣態(tài)UF6，除了需要加熱箱等設備外，電動調(diào)節(jié)閥作為一個關鍵設備，調(diào)節(jié)滿足系統(tǒng)要求的壓力。級聯(lián)系統(tǒng)主機供料必須保證壓力及輕雜質(zhì)含量在一定的安全范圍，否則輕則影響級聯(lián)生產(chǎn)效率、重則威脅主機安全運行。圖1 為供料系統(tǒng)的關鍵節(jié)點示意圖，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)鎖設置一：電動調(diào)節(jié)閥后壓力超高限，自動關閉供料電磁氣動閥，說明此時電動調(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，關閉供料電磁氣動閥是為了保證級聯(lián)系統(tǒng)主機安全。

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

圖1 供料系統(tǒng)關鍵節(jié)點

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)、安全收集級聯(lián)物料的關鍵設備。精貧料的聯(lián)鎖主要圍繞增壓泵（組）進行，精料/貧料系統(tǒng)的關鍵節(jié)點如圖2所示。

圖2 精料/貧料系統(tǒng)關鍵節(jié)點

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

聯(lián)鎖設置二：泵（組）停車，對應出口電閥自動關閉，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)鎖的設置原則主要是防止空氣倒灌，影響系統(tǒng)安全運行。

聯(lián)鎖設置一：真空泵（組）啟動，對應入口電閥才能打開。

聯(lián)鎖設置二：真空泵（組）停車，對應入口電閥自動關閉。

4 運行工藝優(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，可能會出現(xiàn)燒壞相應的容器、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，其實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)溫度的原理為：在兩個平行導線中填充高分子導電塑料作芯帶，這種導電塑料在溫度上升時，受熱膨脹，使得部分電流通道網(wǎng)絡逐步斷開，通過的電流降低，發(fā)熱量也隨之減少；當溫度上升到某個范圍時，導電塑料中電流通道因受熱膨脹而幾乎成為斷路；當溫度降低時芯帶收縮，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)溫度自動調(diào)整其輸出功率，這種特性在產(chǎn)品長度上處處存在，因此，可以交叉重疊安裝，在交叉重疊點也不會產(chǎn)生過熱，可按使用長度任意剪切。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

貧料容器收料達到規(guī)定量后即可進行儲存，按照UF6容器使用規(guī)定［5］，精料產(chǎn)品只能使用30B產(chǎn)品容器運輸。而目前采用3m3B（C）容器收取級聯(lián)精料產(chǎn)品，3m3B（C）容器只能作為設施內(nèi)部周轉(zhuǎn)容器，運輸前必須將精料產(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)的風險最大，UF6液化溫度在93℃左右，壓力高達0.4MPa，工藝整體無法在耐壓裝置內(nèi)完成，存在UF6物料泄漏的風險，一旦發(fā)生UF6物料泄漏，將對環(huán)境和工作人員造成嚴重的傷害，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30B產(chǎn)品容器進行均質(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φ22直角閥，在收料過程中一個閥門作為收料進口，當容器內(nèi)壓力升高到一定程度，另一個閥門作為凈化釋放壓力的出口，因此，可以實現(xiàn)收料連續(xù)化。而30B容器只有一個φ22 直角閥，收取的是精料過程中當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］，可以實現(xiàn)HF的非能動收集。

NaF + HF ?NaHF2

上式為可逆反應，當溫度為80℃以下時，正反應占絕對優(yōu)勢，只有當溫度為250℃以上時，逆反應才占優(yōu)，因此，NaF 可反復吸附、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，需要對拆裝部位進行吹洗操作，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間資源。根據(jù)吹洗操作的工作特點，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，只需對拆裝部位進行深度抽空，在拆裝時，利用真空泵維持拆裝部位處于負壓狀態(tài)，大氣連續(xù)不斷地吸入拆裝部位然后抽走，達到了吹洗操作目的的同時，還可有效避免拆裝時出現(xiàn)工作氣體外泄的現(xiàn)象，減少對工作人員的傷害，降低了對廠房及周邊環(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)場的電動設備，實現(xiàn)凈化的自動化，降低人工操作量、減少人工失誤，提升可靠性。圖3是以3m3B（C）容器收取精料時的凈化操作為例，來說明自動凈化的執(zhí)行程序步驟。

圖3 精料自動凈化流程

5 結(jié)語

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