批式溶解器大吊篮到位信号检测方法的研究与改进

李海丽

(中国核电工程有限公司电仪所，北京 100840)

批式溶解器大吊篮到位信号检测方法的研究与改进

李海丽

(中国核电工程有限公司电仪所，北京 100840)

针对动力堆乏燃料后处理中间试验厂中批式溶解器大吊篮到位信号无法有效检测的问题，从理论方面论证了吹气检测法的可行性，并根据计算结果重新提出了设备加工要求。在原检测方案的基础上进行了改进设计并通过多组试验进行了验证，结果表明：在设备满足加工要求的前提下，运用吹气法检测批式溶解器大吊篮到位信号的成功率为100%。

大吊篮到位信号检测 吹气检测法 批式溶解器 吹气流量 测量孔孔径

对动力堆乏燃料进行后处理实现核燃料的闭式循环，对有效利用铀资源，实现我国核能可持续发展，具有重要作用[1]。目前，我国唯一的动力堆乏燃料后处理中间试验厂已经顺利通过了热调试，但它无法正常检测溶解器大吊篮是否到位[2]，如果加工新的溶解器，开展大吊篮到位信号检测工作是极其必要的[3]。

乏燃料后处理中间试验厂的溶解器设备安装在设备室中，工作人员很难进入，因此溶解器大吊篮到位信号的检测采取了非接触测量方法[4]。如吹气检测法，该方法结构简单可靠，适用于腐蚀性、放射性、高粘度、强腐蚀性、易凝固、易结晶或含有悬浮颗粒的被测介质的液位测量，在国内外核工业领域、船用仓储计量等方面获得了广泛应用[5,6]。经过对国内外乏燃料后处理中间试验厂溶解器的调研发现，目前溶解器大吊篮到位信号的检测方法除吹气检测法外，还有一种通过升降电机上的编码器信号判断是否到位的方法。但由于大吊篮缆绳为软绳，当大吊篮在下降过程中卡在溶解管上时，无法通过升降电机的编码器信号来判断大吊篮是否到位。为此，根据批式溶解器工作环境的强放射性、强腐蚀性等特点[7]，笔者选用吹气检测法检测大吊篮到位信号，并从理论和试验两方面对该方法进行了验证，最终在原方案的基础上进行了探索性改进设计，为后续设计动力堆乏燃料后处理中间试验厂批式溶解器大吊篮到位信号检测方案提供参考依据。

1 理论分析①

大吊篮座上的测量孔在大吊篮到位后被堵住的程度是决定到位信号能否检测到的重要因素，而这主要取决于两个接触面的表面粗糙度和角度公差。当两个接触面接触后，由角度公差过大造成的测量孔泄漏面积过大将导致断面压力变化不明显，从而无法判断出到位信号。因此，必须通过计算提出严格的加工要求，并对零件进行检验后再焊接加工设备。然而由于调试时中间试验厂的批式溶解器设备已经加工完毕，无法对该部件进行加工精度的检测，因此，加工缺陷是可能导致无法检测出到位信号的主要原因。

2 公式推导与理论计算

2.1公式推导

根据原设计，测量孔(孔径φ3mm)细节放大图如图1所示。1-1断面为测量孔，为方便计算，将测量孔被堵住的情况近似为测量孔连接一个直径更小的短管，短管的出口直通溶解器内部，即2-2断面。

根据恒定气流能量方程[8]，以0-0为基线，1-1、2-2断面的能量方程为：

(1)

式中p1、p2——断面1-1、2-2处的静压，Pa；

图1 测量孔细节放大图

pl1-2——流动压强损失；

v1、v2——断面1-1、2-2处的流速，m/s；

ρ——空气密度，kg/m3。

由于小管长度很短，沿程阻力损失小，因此可忽略不计。压缩气体通过测量孔最终流入溶解器内部，经过两次局部压力损失。即pl1-2由两部分组成，一部分为突然缩小的局部损失p1-2，即从断面1-1到2-2的过程；另一部分为从小孔到溶解器内部时突然扩大的局部损失p2-0，即从断面2-2到溶解器内部的过程。计算式为：

pl1-2=p1-2+p2-0

(2)

根据能量损失公式[8]：

(3)

其中，ξ为局部阻力系数，v为流体速度。

对于突然缩小的情况，有：

(4)

对于突然扩大的情况，有：

(5)

式中A0——小孔出口后的面积，mm2；

A1——断面1-1处的面积，mm2；

A2——断面2-2处的面积，mm2。

将式(4)、(5)代入式(2)、(3)中可以得到：

(6)

将式(6)代入式(1)中可以得到恒定气流能量方程为：

(7)

简化后：

(8)

根据流量守恒原理，有：

(9)

式中Q——吹气流量，L/h；

r——测量孔半径，mm。

将式(9)代入式(8)整理后得到：

(10)

由于：

用于桥面铺装层的玄武岩纤维增强聚合物混凝土试验研究……………………………………………………… 房金刚（2-105）

(11)

式中h——大吊篮到位后，两个接触面在测量孔中心处的距离，mm。

则将式(11)代入式(10)后可得：

(12)

由式(12)整理可得：

(13)

2.2理论计算

由式(12)可以看出，静压的变化与大吊篮到位后两接触面在测量孔中心处的垂直距离h、吹气流量Q、测量孔孔径r和空气密度ρ有关。静压的变化值越大，检测到的压差值变化越大，大吊篮到位信号越容易检测。Q越大压差值越大，但不存在检测孔径越小压差值越大的情况。由式(13)可以看出，当其他参数一定时，h越小，静压的变化值越大。

2.2.1偏差角度

根据设计经验，设吹气流量Q=10L/h，测量孔半径r=1.5mm，空气密度1.2kg/m3，静压差400Pa，并将所有参数代入式(12)中，计算得到h≈0.018mm。

如图2所示，测量孔布置在接触面垂直方向中心位置处，L为已知长度，根据三角公式即可算出角度α的值。据此可以对设备加工提出具体要求，即最大偏差不得使两接触面角度大于α。

图2 大吊篮到位偏差角度示意图

由于测量孔孔径和吹气流量也是主要影响因素，因此在改进设计中考虑选用不同孔径的测量孔在不同吹气流量下进行对比。参考原设计中的测量孔直径(φ3mm)，另外设计两对直径分别为φ2mm和φ4mm的测量孔。以h=0.018mm、ρ=1.2kg/m3为前提，当吹气流量分别为5、10、20、40l/h时，代入式(12)中可以计算得到各测量孔在不同流量下产生的静压差p1-p2值，如图3所示。

图3 不同孔径不同流量下的静压差计算值

直径为φ2mm、φ3mm、φ4mm的测量孔在满足设备加工要求(h≤0.018mm)的基础上，通过调节吹气流量是可以在大吊篮到位后检测出明显的压力变化的。此时，吹气检测法测量大吊篮到位信号的方法理论上是可行的。

3 改进设计

为了进一步验证该方法的可行性，结合500kg铀批式溶解器科研样机大吊篮到位信号检测部分的设计需求，依照上述理论分析，在原设计基础上对大吊篮到位信号检测系统进行改进设计。

根据理论分析，影响压差值的因素主要有偏差角度α(垂直距离h)、测量孔孔径r和吹气流量Q。改进设计中，通过对设备加工提出角度公差不能大于α的要求控制垂直距离h；设计3对孔径分别为φ2mm、φ3mm、φ4mm的测量孔，用于考量测量孔孔径r对压差值的影响；试验中分别改变吹气流量的大小，用于考量吹气流量Q对压差值的影响。

3.1设备条件

在大吊篮支撑面垂直方向的中心位置处分别开一对直径为φ2mm、φ3mm、φ4mm的测量孔和一个直径为φ17mm的参考孔，并预留两个盲孔备用。

为保证完全抵消液位差带来的压力差，测量孔需与参考孔在同一水平位置上，具体设计要求如下：

a.φ3mm测量孔的中心线位于接触面垂直方向的正中心位置，参考孔的开孔中心线和φ2mm、φ4mm测量孔的φ17mm外套大孔的中心线均与φ3mm测量孔的φ17mm外套大孔的中心线平齐；

b. 为防止残液滞留在外套大孔中，要求所有测量孔的下边缘均与外套大孔的下边缘平齐；

c. 依据理论分析，提出设备加工要求，两接触面角度公差不得大于α。

3.2仪控系统设计

为实现在控制间上位机上远程控制吹气流量，改进设计中选用了质量流量控制器来进行吹气流量的调节。同时为了验证原设计的可行性，保留了原吹气装置的设计，使吹气装置和质量流量控制器互为备用。大吊篮到位信号检测系统示意图如图4所示。

根据理论计算值，减压阀后压力变送器量程选为0.0～0.3MPa；质量流量控制器量程选为0～100L/h；两台差压变送器量程选为0～10kPa；吹气装置流量调节范围选为0～60L/h。

到位信号的检测过程为：选定一对测量孔，打开或关闭相应的阀门，在上位机设定吹气流量，待吹气流量稳定并达到设定值后，进行到位信号试验。通过记录差压变送器到位前后的数值变化来判断大吊篮到位情况。当两台差压变送器中有一台的压差值在到位前后有明显变化就可以判断大吊篮到位了。

图4 大吊篮到位信号检测系统示意图

4 试验验证与结果分析

4.1试验验证

试验思路为：分别在溶解器内部无水和有水两种情况下进行试验，验证不同孔径、不同流量下的检测情况，每种情况随机吊起放下大吊篮5次，并记录数据，压差值取每种情况下两台差压变送器中数值较大的一个。由于结果类似，仅列出有水条件下的试验结果。

有水条件下，大吊篮未到位时，记录不同流量下不同测量孔径的压差值如图5所示。可以看出，大吊篮未到位时，差压变送器的最大显示值为0.27kPa。

图5 未到位时不同吹气流量不同 孔径下的压差值比较

有水条件下，根据数据记录表，分别绘制了在5、10、20、40L/h吹气流量下，各测量孔在5次随机吊起放下大吊篮后的压差值数据趋势(图6)。可以看出，4种不同流量下产生的压差值均明显超过图5的未到位时最大压差值0.27kPa；每种吹气流量下共检测了15次，检测信号成功率为100%。

a. 5L/h

b. 10L/h

c. 20L/h

d. 40L/h图6 到位后不同吹气流量下各测量孔的压差值数据趋势

有水条件下，根据数据记录表，分别绘制了在不同吹气流量下，φ2mm、φ3mm、φ4mm测量孔在5次随机吊起放下大吊篮后的压差值数据趋势(图7)。可以看出，检测到的压差值均明显大于图5的未到位时最大压差值0.27kPa，检测到位信号的成功率为100%。

a. φ2mm

b. φ3mm

c. φ4mm图7 到位后各测量孔在不同流量下 的压差值数据趋势

4.2结果分析

无论溶解器内是否有水，由图6可以看出，对于同一流量下，并不存在直径越小的测量孔产生的压差值越大的现象，这与理论推导结果相符。另外，3种孔径的测量孔均可测得压差值，且无明显区别。

无论溶解器内是否有水，由图7可以看出，对于同一孔径的测量孔来说，吹气流量越大，测得的压差值越大，这与理论推导结论相符。

在有水的情况下，由图6d、7可以看出，大部分检测点测得的压差值存在超量程现象。根据后续试验观察，差压变送器确实存在长时间超量程的现象。因此，差压变送器的量程(0～10kPa)选择偏小。

综上所述，在有无水的情况下，各进行了60次随机试验。除无水情况下吹气流量为5L/h时存在一个检测失败点外，其他随机试验均可成功检测出大吊篮到位信号。

5 结束语

笔者为解决动力堆乏燃料后处理中间试验厂中批式溶解器大吊篮到位信号无法检测的问题，从理论方面进行了推导，在推导结果的基础上对吹气法检测大吊篮到位信号进行了改进设计，并通过具体试验进行了验证。结果表明，加工缺陷是导致无法检测大吊篮到位信号的主要原因，在设备满足加工要求的前提下，运用吹气法检测批式溶解器大吊篮到位信号的方法是可行的。

[1] 章泽甫,王俊峰,张天祥,等.动力堆核燃料后处理工学[M].北京:中国原子能出版社,2013:13.

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[3] 袁世颐,李海丽,关天齐,等.中试厂仪控重要整改项目回顾及尚需进一步整改项目建议[C].后处理专业委员会年会论文集.重庆:中国核学会核化工分会后处理专业委员会,2011:27～32.

[4] 张平发.液位测量吹气装置的研究[J].化工自动化及仪表,2003,30(1):58～60.

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DetectionMethodResearchandImprovementforSignalsofBatchDissolver’sBigBasketinPlace

LI Hai-li

(ElectricalandInstrumentInstitute,ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100840,China)

TH816

A

1000-3932(2016)12-1276-06

2016-07-02(修改稿)