新型移動灌漿裝置的研制及性能驗證

摘 要：針對目前核電站低、中放射性固體廢物灌漿固定所用的移動灌漿裝置均為國外壟斷供貨的狀態，研發一種新型移動灌漿裝置，旨在突破國外關鍵技術的封鎖，實現送料、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性能試驗，包括物料輸送能力、計量精度、灌漿流量調節，以及用于固定放射性固體廢物水泥漿的固定介質性能等。試驗結果表明：新型移動灌漿裝置滿足物料輸送能力的設定要求，輸送精度達到了國外同類設備的水平。灌漿流量調節范圍滿足核電站對不同灌漿對象要求。水泥漿性能滿足固定介質的性能要求。

關鍵詞：移動灌漿裝置；放射性固體廢物；固定介質；就地控制

中圖分類號：TL94" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2025）01-0041-03

0 引言

核電站產生的低、中放廢物，通常采用水泥砂漿、細石混泥土或環氧樹脂等固定介質，把放射性固體廢物[1]固結成整體的廢物體[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、運輸、貯存或處置期間放射性核素的彌散和遷移。

用于生產水泥漿固定介質的移動灌漿設備，以往均由國外公司壟斷供貨。基于此，本文研制了一種新型移動灌漿裝置。該裝置實現同步送料、攪拌和泵送，攪拌混合效率高，在結構和調節方面與國外產品明顯不同。本文通過對設備結構、功能、關鍵技術突破方法和控制方式等方面的分析來介紹該設備的研制過程和成果，通過設備調試過程和試驗結果驗證新型移動灌漿裝置的性能，旨在論證其高效性、穩定性和技術的創新性。

1 移動灌漿裝置的研制

現役核電站的低、中放射性廢物一般集中在某一段時間內處理。工作周期內，將移動灌漿裝置搬運至操作間，在灌漿工作區組裝和運行，非工作周期則拆卸后轉運至存儲間。為便于設備移動和拆卸，移動灌漿裝置采用模塊化設計的思想，由1個移動料倉模塊和下部的1個攪拌控制模塊組成。攪拌控制模塊含液體計量單元、攪拌泵送單元和電氣控制單元3部分，如圖1所示。

1.1 移動料倉模塊

移動料倉分為上下兩部分，上部為水泥料斗，下部為螺旋輸送計量送料機構。該模塊的主要功能是接收、轉運、計量和輸送水泥干粉料等。

水泥粉料計量精度要求不低于±1%，常規解決方案是采用稱重傳感器稱重計量完成。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，但是移動料倉需經常轉運至BQS廠房填裝水泥，不具備固定條件。另一方面，以市場上具有代表性的梅特勒托利多傳感器為例，其計量精度可達到3‰，但是滿載料倉重約1.2 t，為滿足水泥粉料實時輸送質量60 kg/min、精度±1%的要求，則實時質量誤差為±10 g/s，實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量精度范圍。因此要尋求以螺旋輸送機的體積計量，作為計量精度的實施方式。

螺旋輸送計量送料機構集成了粉料疏松裝置和精密螺旋，可完成水泥干粉料的計量和輸送。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填充系數不穩定的問題，精密螺旋通過設置合理的螺距和出料結構保證物料輸送質量的穩定性。螺旋輸送機采用變頻電機驅動，通過調節電機轉速，改變水泥粉料的輸送量，達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量單元、攪拌泵送單元和電氣控制單元集成一體。當電氣控制單元與液體計量單元和攪拌單元集成在一起后，相關儀控用電設備等接線均可固化，具備減少現場接線操作的條件。

1.2.1 液體計量單元

液體計量單元由除鹽水和添加劑（為液體減水劑）供應管線和計量裝置組成，其主要功能是完成除鹽水和添加劑的計量和穩定供應。水和添加劑在輸送管內混合，然后送至攪拌泵送單元的攪拌倉內。水計量管線包括水泵、電磁閥、流量開關、減壓閥、流量計和精確調節閥等管路部件，實現穩定流量供水，供水精度可以達到±1% 。添加劑貯存在添加劑罐內，添加劑管線包括添加劑計量泵、單向閥、流量開關和排空閥等管路，添加劑輸送精度可以達到±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，在攪拌倉內完成攪拌混合。由于設備的工作方式為連續進料，連續攪拌和同步泵送，為此要求設備上部物料在達到下部出口過程中就能夠實現攪拌混合均勻。基于此，攪拌倉的容積設置和攪拌槳的結構型式這兩項是決定攪拌效果[3]的關鍵因素。

研制過程中采用fluent多相流模型模擬了整個攪拌混合過程，根據不同槳型的仿真結果對比完成了攪拌槳的優化設計。多相流仿真計算為進料流量，進料高度和進料時間等多個工藝參數的設置提供支撐依據。

攪拌槳結構為多層框式結構攪拌槳。攪拌槳由多層槳葉和中間軸焊接組成。物料從進入攪拌倉到達螺桿泵進口時間段內，多相物料在攪拌槳作用下達到混合均勻的狀態。為避免攪拌倉底部物料堆積，在攪拌槳下層攪拌葉片上設置刮灰板，推動底部物料向上和向中間移動，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。移動灌漿裝置各用電設備通過航空快接插頭連接到電氣控制單元控制柜上，控制柜通過航空快速插頭與廠房外部電源連接。控制系統包括供電模塊、PLC模塊、電機驅動模塊、操作面板等。控制系統與上游控制系統之間的通信采用Modbus TCP通訊協議。

為便于人機交互和就地控制，在操作面板上布置觸摸屏及電源開關、指示燈、遠程就地選擇開關和急停按鈕。就地自動模式有以下2項功能：①灌漿準備功能。系統在當前所選流量下的灌漿準備時間內，加入除鹽水及添加劑，當灌漿準備程序結束后，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，攪拌電機將按照選擇流量所對應頻率運行。當系統檢測到攪拌桶內砂漿高位信號后，停止送料，攪拌電機繼續運行，直到系統達到操作員所選擇的流量對應的延時時間。當達到延時時間后，送料系統同時啟動。

2 移動灌漿裝置性能試驗

根據運行準則及程序文件，準備試驗耗材、儀器儀表。調節閥門處于初始狀態，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

本試驗為研究螺旋輸送計量機構水泥流量及穩定送料精度試驗。在調試功能界面上設置變頻電機的頻率，設置工作時間1 min，稱量3次螺旋輸送計量機構輸出水泥的質量。除鹽水和水泥的比例為0.26～0.4，故設定工作水泥流量頻率f0、f0.26和 f0.4，并驗證其送料精度。試驗結果如表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，依照配方計算需添加劑的質量流量和除鹽水的質量流量。在研究除鹽水與水泥的比例為0.26～0.4的攪拌均勻性時，固定除鹽水和添加劑的流量不變，僅調整水泥的輸送流量，即水泥輸送頻率為f0.26和f0.4。

2.2 除鹽水的流量試驗

本試驗為研究本設備除鹽水供應管線輸送流量和穩定送料的精度試驗。

在觸摸屏上的調試功能操作界面上啟動水泵，水壓高位報警后，打開電磁閥，調節流量調節閥，流量指示器顯示為640 L/h，在觸摸屏上設置水泵工作時間為3 min，稱量管線出水質量。重復調節流量閥，測量供水管線除鹽水流量。試驗結果如表2所示。

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

2.3 添加劑的流量調試

本試驗為研究本設備添加劑供應管線輸送流量和穩定送料的精度試驗。調整計量泵的刻度至50%，在觸摸屏上功能調試界面啟動計量泵，直至添加劑連續流出，停止計量泵。在觸摸屏上功能調試界面設置計量泵工作時間為6 min，稱量添加劑質量。以10%進程調節計量泵刻度，重復稱量添加劑質量。設定工作所需流量并驗證其質量精度， 試驗結果如表3所示。

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

2.4 遠程控制模式

該移動灌漿裝置可切換至遠程控制模式，在灌漿條件準備就緒后，發出準備就緒信號，遠程控制模式下，可啟動“一鍵灌漿”功能。

2.5 制作固定體試塊并檢驗固定體性能

現場取樣做水泥漿流動性試驗[2]并記錄流動度的值，取樣做抗壓強度試塊和抗滲性能試塊。用保鮮膜包覆試塊，24 h脫模后養護28 d，然后做28 d抗壓強度試驗和28 d抗滲性試驗，均滿足固定介質的性能指標[3]。試驗如表4所示。

3 創新點

新型移動灌漿裝置與同類產品在以下4方面具備特點：①結構更加緊湊，布局合理，便于轉運存儲，集液體計量、電氣控制、攪拌泵送為一體，現場操作人員線纜和管線連接工作量減少。②螺旋輸送計量送料機構結構精巧，解決了水泥干粉料堆積密度不同和螺旋內填充系數不穩定問題。通過設置合理的螺距和出料結構保證物料輸送質量的穩定性，實現了水泥粉的計量功能。③攪拌槳采用多層框式結構，達到了高效混合攪拌的效果。④控制系統功能完善，操作界面對操作人員友好靈活，便于調試及就地操作，提高了試驗的準確性和操作效率。

4 結束語

新型移動灌漿裝置所生產的水泥漿性能穩定，水泥固定體性能符合《放射性廢物體和廢物包的特性鑒定》中規定的固定廢物體用固定介質的性能指標。新型移動灌漿裝置符合核電行業的技術要求，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。該新型移動灌漿裝置通過華龍一號在役核電機組關鍵核心技術裝備的研制驗收鑒定，具備推廣條件和使用價值。

參考文獻

[1] 馬寶成，邱小平，葉永東.核電廠放射性固體廢物處理[J].南華大學學報，2010，24（1）：17-20.

[2] 中華人民共和國國家質量監督檢驗疫總局，中國國家標準管理委員會.GB /T 2419-2005 水泥膠砂流動度測試方法 [S].北京：中國標準出版社，2005.

[3] 國防科學技術工業委員會，EJ 1186—2005 放射性廢物體和廢物包的特性鑒定.[S].北京：中國標準出版社，2005.

收稿日期：2024-06-18

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