铀浓缩工厂供取料系统运行控制及优化

孙继全 唐建 潘国栋

（中核陕西铀浓缩有限公司 陕西汉中 723312）

铀浓缩工艺主要包括分离级联和供取料两个环节。其中，供取料系统负责向级联系统供给压力、流量稳定的物料（气态UF6），并通过增压、冷凝的方式，收集级联分离后的精料以及贫料。供取料系统主要工艺环节包括供料及供料净化系统、精料系统、贫料系统、真空系统、吹洗系统等，其中，加热设备、制冷设备、增压设备、抽空设备、供料收料容器等存在于各个工艺环节中［1］。

1 容器装填限值控制

供取料系统使用的容器按容积区分可分为大容器和小容器。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 容器内部存在数量不等的隔板。3m3容器作为供料容器及贫料取料容器，3m3B（C）容器作为精料取料容器，30B容器作为精料产品储存、转运容器，50L容器主要作为系统内的物料收集、转换容器，24L、20L容器主要用来收集各工艺环节中的HF。

各种容器内的UF6在不同的工艺环节可能存在物相的转换，由于UF6固态、液态密度的差异，UF6从固态转换为液态的过程中存在体积膨胀的现象，因此，必须控制UF6装填量。在供取料系统的工艺条件下，为保证安全裕度，根据121.1℃时UF6的密度3.26g/cm3确定UF6容器的装填限值，贫化UF6容器的装填限值根据112.8℃时UF6的密度3.32g/cm3确定，要求液化后容器剩余容积不小于规定最小容积的5%［2］，即可计算出固态UF6在容器内的装填限值；24L 或20L 容器装填HF的限值主要是考虑HF 水解时的热量释放问题。容器的装填限值控制通过设置电子秤来实现，容器的重量通过电子秤远传至中控室，当容器装填料到达限值，计算机发出报警信息，则将相应的容器退出，投入备用容器。表1列出了供取料系统各种容器的装填限值。

表1 供取料系统容器装填限值

2 温度控制

2.1 制冷温度控制

制冷设备主要包括供料净化及精贫料收料冷风箱、供料及精料净化制冷柜、凝冻器等。制冷设备的作用是利用不同温度下UF6（HF）饱和压力的差异，来收集或分离UF6（HF）。冷风箱工作温度一般为-25℃，一般采用一级压缩机的制冷系统为其提供冷量，其内部收料容器一般为3m3B（C）容器，用来冷凝收集级联系统分离出来的贫料与精料产品；制冷柜工作温度一般为-80℃，一般采用二级压缩机的制冷系统为其提供冷量，其内部容器为50L容器，在进行供料或精料净化工艺环节中，利用UF6与HF同一温度下饱和蒸气压的悬殊差异，达到UF6与HF分离的目的；凝冻器用加注液氮（-196℃）的方式来冷却其内部的24L或20L的容器，主要用来收集各个工艺环节的HF。供取料系统各工艺环节典型温度及对应的UF6（HF）饱和蒸气压［2］如表2所示。

表2 供取料系统典型温度对应的U F6（H F）饱和蒸气压

2.2 加热温度控制

加热设备主要包括供料容器加热箱、供料保温箱、管道及仪表电伴加热以及部分制冷设备中设置的加热丝等。加热箱的主要作用是促进其容器内UF6由固态至气态的转换；保温箱及电伴加热的作用是维持UF6的气体状态，防止UF6冷凝形成堵塞；制冷设备加热丝的作用一是改善制冷设备的工作条件（如除霜用），二是促进UF6由固态至气态的转换（如50L容器内UF6倒料）。

加热箱的工作温度一般在50～80℃的范围内，主要通过加热丝与循环风机组合热对流的方式加热；保温箱的工作温度一般维持在60℃，主要通过加热丝、卤钨灯等热辐射的方式加热；电伴加热一般包裹在管道及仪表外表面上，工作温度由管道内的气态UF6压力决定，主要通过热传导的方式加热［3］。

供取料系统各个工艺环节UF6均以负压的状态存在，这是供取料系统的工艺原则，因此，不管采用哪一种加热方式，加热温度的控制都显得尤为重要。供取料系统加热温度的控制主要是通过设置温度检测点，当温度达到设定的高限值时，自动切断其控制回路或动力元器件，重要的温度控制点设置双重甚至多重的温度控制保护。

3 主要联锁设置

供取料系统设置联锁的目的主要是保证系统的安全、连续运行。

3.1 供料系统主要联锁

供料系统负责向级联供给压力、流量稳定的气态UF6，除了需要加热箱等设备外，电动调节阀作为一个关键设备，调节满足系统要求的压力。级联系统主机供料必须保证压力及轻杂质含量在一定的安全范围，否则轻则影响级联生产效率、重则威胁主机安全运行。图1 为供料系统的关键节点示意图，供料系统的主要联锁则是以供料的安全、连续为原则。

联锁设置一：电动调节阀后压力超高限，自动关闭供料电磁气动阀，说明此时电动调节阀调节能力出现故障或者系统压力出现异常，关闭供料电磁气动阀是为了保证级联系统主机安全。

联锁设置二：供料电磁气动阀与净化电阀不能同时打开。如图1 所示，所有的供料单元共用供料净化线，如果电磁气动阀与净化电阀同时打开，则正在进行净化操作的供料单元的物料就会反串进入供料线，那么，轻杂质含量高的物料进入级联系统则影响到主机的安全。

图1 供料系统关键节点

3.2 精贫料系统主要联锁

增压泵（组）是保证精贫料系统连续、安全收集级联物料的关键设备。精贫料的联锁主要围绕增压泵（组）进行，精料/贫料系统的关键节点如图2所示。

图2 精料/贫料系统关键节点

联锁设置一：增压泵（组）入口压力超高限值或泵（组）停车，旁通电阀自动打开，物料自动收集到应急容器，保证收料连续性。

联锁设置二：泵（组）停车，对应出口电阀自动关闭，防止物料倒流影响系统及堵塞泵组。

3.3 其他系统主要联锁

真空系统、吹洗系统的出口即为大气，因此，联锁的设置原则主要是防止空气倒灌，影响系统安全运行。

联锁设置一：真空泵（组）启动，对应入口电阀才能打开。

联锁设置二：真空泵（组）停车，对应入口电阀自动关闭。

4 运行工艺优化

4.1 电伴加热方式优化

供取料系统通常采用的恒功率式的电伴加热，恒功率式电伴加热如果出现加热控制失控，可能会出现烧坏相应的容器、管道及仪表的问题。随着高分子材料的发展，目前有一种新型的自控温式电伴加热，其实现自动调节温度的原理为：在两个平行导线中填充高分子导电塑料作芯带，这种导电塑料在温度上升时，受热膨胀，使得部分电流通道网络逐步断开，通过的电流降低，发热量也随之减少；当温度上升到某个范围时，导电塑料中电流通道因受热膨胀而几乎成为断路；当温度降低时芯带收缩，电流通道重新接通，电伴加热又开始供给热量［4］。

自控温电伴加热能根据温度自动调整其输出功率，这种特性在产品长度上处处存在，因此，可以交叉重叠安装，在交叉重叠点也不会产生过热，可按使用长度任意剪切。自控温电伴加热的这种工作特性非常适用于供取料系统，可以根据系统不同的温度要求选择使用不同温度等级的自控温电伴加热，提高加热温度本质安全度。

4.2 收料工艺优化

贫料容器收料达到规定量后即可进行储存，按照UF6容器使用规定［5］，精料产品只能使用30B产品容器运输。而目前采用3m3B（C）容器收取级联精料产品，3m3B（C）容器只能作为设施内部周转容器，运输前必须将精料产品分装至30B产品容器中。分装工艺主要包含了液化均质、液态取样、液态分装等环节，其中，液态分装环节的风险最大，UF6液化温度在93℃左右，压力高达0.4MPa，工艺整体无法在耐压装置内完成，存在UF6物料泄漏的风险，一旦发生UF6物料泄漏，将对环境和工作人员造成严重的伤害，给企业造成巨大损失。

为降低发生UF6泄漏事故的可能性，从本质上提高分装工艺的安全度，可直接采用30B 产品容器在线收料，并直接对30B产品容器进行均质及取样。3m3B（C）容器与30B产品容器的主要区别在于有两个φ22直角阀，在收料过程中一个阀门作为收料进口，当容器内压力升高到一定程度，另一个阀门作为净化释放压力的出口，因此，可以实现收料连续化。而30B容器只有一个φ22 直角阀，收取的是精料过程中当压力升高到一定程度后，须转换到辅助容器收料，将收料的30B容器退出、净化，容器内压力净化降低后重新投入收料。

4.3 HF收集工艺优化

供取料系统使用液氮冷冻的方式来收集HF，需要人工定期加注液氮，液氮消耗量大且人工操作量大。借鉴电子行业采用NaF 收集HF 的思路［6］，可以实现HF的非能动收集。

NaF + HF ⇔NaHF2

上式为可逆反应，当温度为80℃以下时，正反应占绝对优势，只有当温度为250℃以上时，逆反应才占优，因此，NaF 可反复吸附、脱附，循环利用。由于NaF 可循环利用，使用成本较低，也不会大量增加固态废物的产生量。

4.4 操作程序优化

4.4.1 吹洗操作优化

供取料系统容器拆装前，需要对拆装部位进行吹洗操作，吹洗系统真空泵的工作特性决定了吹洗操作需要多次破空、抽空，吹洗是供取料系统的主要操作，由于容器拆装较为频繁，占用很大人力资源及时间资源。根据吹洗操作的工作特点，可选择抽空压力范围较宽的真空泵［7-8］（如干式涡旋泵），从而优化吹洗操作程序，容器拆装前，只需对拆装部位进行深度抽空，在拆装时，利用真空泵维持拆装部位处于负压状态，大气连续不断地吸入拆装部位然后抽走，达到了吹洗操作目的的同时，还可有效避免拆装时出现工作气体外泄的现象，减少对工作人员的伤害，降低了对厂房及周边环境的污染。

4.4.2 净化操作优化

净化为供取料系统的另一个主要操作，包括供料净化和精料净化。目前，供取料一般采用DCS控制系统，可利用DCS 组态的程序编辑功能，配合现场的电动设备，实现净化的自动化，降低人工操作量、减少人工失误，提升可靠性。图3是以3m3B（C）容器收取精料时的净化操作为例，来说明自动净化的执行程序步骤。

图3 精料自动净化流程

5 结语

铀浓缩工厂在实际生产过程中，为了使供取料系统各个工艺环节安全受控，设置了各种安全运行管理措施、控制措施及联锁关系，并依托新材料、新设备、新技术、新工艺的发展，不断进行优化、改进，提升系统的本质安全度及自动化程度。