铀浓缩工厂取料系统最佳运行模式探索及应用

李东珀

中核陕西铀浓缩有限公司 陕西汉中 723312

铀浓缩工厂级联低丰度产品较多，较大的产品和尾料流量给取料系统带来了很大考验。本文以铀浓缩工厂取料系统现状展开分析，建立产品和尾料收料容器凝华散热模型来研究不同工况下取料系统最佳运行模式并应用于实际生产系统，总结经验技术，不断促进铀浓缩工厂安全稳定高效运行。

1 铀浓缩工厂取料系统现状分析

铀浓缩级联工况调整后，产品、尾料流量差异较大，铀浓缩工厂取料系统产品应尽量满足1台容器收料以便于丰度控制和容器周转，尾料应尽量满足4台容器并联收料，然而在具体的工况下，对增压泵频率如何设置、需要几台容器收料等方面有很大的不确定性，对取料系统能力进行深入研究，得到不同工况下取料系统的最佳运行模式具有重要意义[1]。

2 铀浓缩工厂取料容器收料能力计算

温度较高的UF6气体凝华成固态所释放的热量依次经过不凝性气体层（轻杂质）、固态UF6层和容器壁传递到容器外的-25℃制冷环境中，完成传热过程，其过程如图1所示。

能量守恒定律：任何发生能量传递的热力过程中，传递前后能量的总量守恒。对于多层不同材料圆筒的传热过程，其导热流的计算公式为：

式中：T--导热热流，J/h；S--导热面积，m2；λ1--圆筒导热系数，J/（m·h·K）；di--第i层圆筒外径，m；l--圆筒高度，m；Δt=t1-t2--温差，K；h1--UF6固体传热系数；d1--圆筒内径，m。

傅里叶定律：导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比于垂直于该截面方向上温度变化率和截面面积，热量传递的方向与温度升高的方向相反，各环节热流密度相等，即：

式中：JT--热流密度，W/m2；k--导热系数，W/（m·K）；dT/dx--在x方向上的温度梯度。

根据傅里叶定律，各环节热流密度相等，即：

式中：T1-UF6气体温度；T2-不凝性气体层温度，K；T3--固体物料层温度，K；T4--器壁温度，K；T5--容器外部温度，K；σ1、σ2--UF6传热系数，W/m2·K；ξ1、ξ2--器壁的传热系数，W/m·K；θ1、θ2--UF6固体、器壁的厚度，m。

由式（2-3）通过计算可以得到：

式中：Q--气体轻杂质的传热系数。

UF6气体进入容器后由气态直接凝华为固态，凝华过程释放的热量为：

式中：E1--热量，J/s；G--收料能力，kg/s；c--比热容，J/（℃·kg）；R--凝华热，J/kg·K。

UF6气体通过传热面积S传给-25℃制冷环境的热量为：

UF6气体放出的热量全部传递给-25℃制冷环境，因此E1=E2。即：

由（2-4）式和（2-7）式可以计算得到容器的凝华收料能力为：

A级联取料系统实际运行情况：产品U F6气体温度T1≈T2=348K，尾料UF6气体温度T1≈T2=358K，T5=248K，UF6气体比热容c=563J/kg·K，凝华热R=135400J/kg·K，式（8）中参量σ1=10W/m2·K，θ1/ζ1=1/79m2·K/W≈0，θ2/ζ2=11/40=0.27m2·K/W，对于产品3m3C容器而言θ2/ζ2=16.2/40=0.405m2·K/W且冷凝面积比3m3容器提升20%，σ2=43.94W/m2·K，Q=0.42，则得到产品容器和尾料容器内物料层厚度、热阻、传热面积与收料重量的计算结果，进而计算出不同收料量下产品容器连续收取UF6气体能力。当产品（尾料）收料0kg时，连续收取UF6气体的重量为38.772kg（42.670kg），依次计算出容器连续收取UF6气体的凝华收料能力如图2、图3所示：

图2 产品3m3C容器凝华收料能力与收料量关系图

图3 尾料3m3容器凝华收料能力与收料量关系图

3 铀浓缩工厂取料增压泵运行能力计算及统计分析

3.1 产品增压泵实际运行数据统计分析

产品和尾料增压泵均为增压真空泵，入口和出口压差与压比对泵来说是有限制的，如果压差超过允许压差，泵会因负载过大和过热而损坏[2]。

式中：ρ--密度（g/c m3）；P--U F6压力，单位为（1/760mmHg）；T--UF6气体温度（K）。

因此，当产品或尾料气体的质量流量确定时，所需增压泵的有效抽速关系式如下：

式中：q--有效抽速（L/s）；qm--质量流量（kg/h）；T--入口气体温度（室温，K）；P--入口压力（mmHg）。

产品3m3C最大凝华收料能力qm=P=38.772kg/h，尾料3m3容器为qm=W=42.670kg/h，则根据公式（3-1）计算出增压泵有效抽速和入口压力关系如表1所示。

表1 增压泵所需有效抽速与增压泵入口压力的关系

A级联取料系统2台增压泵串联运行时，根据质量流量守恒，得到：

式中：P1--一级泵入口压力（mmHg）；P2--一级泵出口压力，即二级泵入口压力（mmHg）；S1--一级泵抽速（L/s）；S2--二级泵抽速（L/s）。

（P2-P1）应小于最大许可压差ΔPmax，一级泵抽速S1和二级泵抽速S2应满足以下关系：

3.2 增压泵实际运行数据统计分析

通过收料模型计算结果得到的容器凝华收料能力，可以初步根据质量流量的大小选择与之匹配的收料容器台数，然后再结合增压泵的的运行参数（入口出口压力、泵体温度等）和负载率来选择合适的增压泵运行频率，以保证收料容器能在连续正常收料的同时，也确保增压泵在合理的负载下工作[3]。下面针对级联在实际运行的3种工况（a%、b%和c%工况）下，根据理论模型计算结果统计了产品、尾料收料容器的台数和对应的增压泵运行数据如下：

（1）a%丰度工况，产品流量负载31%，增压设备负载41%，1台容器收料。

（2）b%丰度工况，产品流量负载62%，增压设备负载61%，2台容器收料。

（3）c%丰度工况，产品流量负载90%，增压设备负载89%，3台容器收料。

（4）a%丰度工况，尾料流量负载33%，增压设备负载45%，4台容器收料。

（5）b%丰度工况，尾料流量负载64%，增压设备负载66%，5台容器收料。

（6）c%丰度工况，尾料流量负载92%，增压设备负载90%，6台容器收料。

4 结论

4.1 产品取料系统最佳运行模式

（1）P≦38kg/h，1台3m3C容器收料，在二级泵不掉频和电流不超限的情况下，尽量减少二级泵负载，增压泵频率设置为25/14Hz（流量较小）和38/12Hz（流量接近38kg/h）；

（2）38kg/h﹤P≦76kg/h，2台3m3C容器收料，增压泵频率设置为27/16Hz（流量接近38kg/h）和38/12Hz（流量接近76kg/h）；

（3）76kg/h﹤P≦114kg/h，3台3m3C容器收料，增压泵频率设置为25/16Hz（流量接近76kg/h）和38/12Hz（流量接近114kg/h）；

（4）较大流量容器收料末期，随着3m3C容器凝华收料能力的下降，增加净化频次。

4.2 尾料取料系统最佳运行模式

（1）W≦170kg/h，4台3m3容器收料，在三级泵不掉频和电流不超限的情况下，尽量减少三级泵负载，增压泵频率设置为25/15/12Hz（流量较小）和35/20/12Hz（流量接近170kg/h）；

（2）170kg/h﹤W≦210kg/h，5台3m3容器收料，增压泵频率设置为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台3m3容器收料，增压泵频率设置为30/22/16Hz（流量接近210kg/h）和38/18/12Hz（流量接近250kg/h）。

（4）较大流量容器收料末期，随着3m3容器凝华收料能力的下降，某台容器收满时，先并一台新容器后，再退出装满容器。

5 结语

本文得到铀浓缩级联各种工况下取料系统的最佳运行模式。目前国内铀浓缩工厂使用的增压泵单级最大增压能力只有60mmHg左右，即使采用多级组合，其增压能力也比较有限。轻杂质对容器凝华收料能力影响最大，若在UF6气体进入容器之前将轻杂质去除，则不需要净化操作，容器凝华收料能力也不会随收料量的增加而减弱较多，有利于节约人力成本和智能化工厂的建设。