趙新梅 周萌

中核四0四有限公司 甘肅嘉峪關(guān) 735110

核能是繼化學燃料（包括煤、石油、天然氣等）和水力資源后的第三種主要能源。我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，積極發(fā)展核電標志著核電正邁向飛速發(fā)展的步伐。隨著核電的發(fā)展，勢必產(chǎn)生大量的放射性廢料，即核燃料在反應堆內(nèi)燃燒到一定程度時必須按照設計要求從堆內(nèi)卸出，卸出的廢料稱之為乏燃料[1]。我國乏燃料后處理起步較晚，目前采用PUREX水法流程。乏燃料經(jīng)過剪切、溶解、萃取等一系列工序后，獲取中間產(chǎn)品溶液，其中鈾的中間產(chǎn)品硝酸鈾酰水溶液采用蒸發(fā)法進行蒸發(fā)濃縮，濃縮液用于制備最終產(chǎn)品。

1 原理

1.1 蒸發(fā)原理

硝酸鈾酰溶液采用外加熱自然循環(huán)式蒸發(fā)器，對放射性料液進行蒸發(fā)濃縮。蒸發(fā)器由加熱室和分離室兩大部分構(gòu)成。加熱室為列管式熱交換器，采用蒸汽間接加熱的方式將鈾溶液加熱到沸騰，沸騰的溶液在分離室進行汽液分離，以此實現(xiàn)溶液的濃縮。

溶液由料液入口進入加熱室，被加熱到沸騰，料液走管程，加熱蒸汽走殼程。因為熱溶液的比重比冷溶液小，沸騰的溶液在管束內(nèi)不斷上升，冷溶液從回流管不斷補充，從而形成自然循環(huán)。沸騰的溶液經(jīng)汽液混合體導管進入分離室，二次蒸汽從沸騰的溶液中溢出且夾帶有大量霧沫。在容積比較大的分離空間慢慢上升，夾帶的霧沫相互碰撞且匯集成較大的液滴。液滴在自身重力作用力下墜落而下與二次蒸汽分離。二次蒸汽從分離室進入旋風分離器、絲網(wǎng)除沫器進行進一步分離凈化，隨后進入冷凝冷卻器，變成二次蒸汽冷凝液。

外加熱蒸發(fā)器的主要特點是：加熱管較長，由于循環(huán)管并未直接受到一次蒸汽加熱，因此溶液的自然循環(huán)速度較快，從而提高了設備的處理能力[2]。加熱室和分離室分開設置，可以降低蒸發(fā)器的總高度，有利于增加分離室的空間，便于汽液分離。其優(yōu)點有：設備處理能力高；凈化系數(shù)高；操作比較穩(wěn)定，易于控制。

外加熱自然循環(huán)蒸發(fā)器主要依靠熱料和冷料的密度差形成自然循環(huán)，蒸發(fā)過程中通過監(jiān)測蒸發(fā)器內(nèi)料液的密度判斷溶液的蒸發(fā)情況和卸料終點。

1.2 密度測量原理

采用吹氣法測量密度是基于液體內(nèi)有壓強的原理而設計?？諝饨?jīng)過濾、減壓后經(jīng)針型調(diào)節(jié)閥，通過金屬浮子流量計進入貯槽吹氣管，同時接三通連入差壓變送器，緩慢均勻地向貯槽吹入空氣。因蒸發(fā)過程中，密度為變量，故采用三根吹氣管測量液位和密度。

一根短管在待測設備頂部的液面以上，第二根吹氣管插入貯槽液面下，第三根吹氣管插入設備底部如貯槽一般為50-100mm，便于氣泡的溢出。

根據(jù)ΔP=ρgH，其中：H-第二、三根吹氣管的管口差距；ρ-液體密度；ΔP-第二、三根吹氣管的壓差值。得ρ=ΔP2-3/gH，當密度為變量時，可采用h=ΔP3-1/ΔP3-2×H來修正密度變化是的液位值。

2 問題及原因分析

2.1 調(diào)試問題

調(diào)試期間按照設計通量，采用水介質(zhì)進行蒸發(fā)濃縮，蒸發(fā)過程中水的密度變化范圍為0.7-1.0g/cm3，波動幅度最大約0.3g/cm3，而水的密度為1.0g/cm3，在短時間內(nèi)密度顯示跳躍性大，無法指導蒸發(fā)器蒸發(fā)濃縮操作。由此可見，蒸發(fā)器密度測量值不能真實反映液體密度，測量誤差較大。

鑒于此時待蒸料液為水介質(zhì)，影響較小。后續(xù)進入放射性料液蒸發(fā)時，影響較大。根據(jù)硝酸鈾酰溶液的結(jié)晶溫度，蒸發(fā)過程中必須嚴格控制其濃縮倍數(shù)。最直觀的方法便是在線監(jiān)測密度，依照此密度值判斷卸料終點。若密度測量值較大，易造成卸料終點的判定。在測量值比真實密度偏小的情況下，實際硝酸鈾酰溶液濃度過高，易造成管線堵塞。且為放射性場所，管線疏通困難，造成較大麻煩。

2.2 原因分析

排除工藝運行操作失誤，排查儀表發(fā)現(xiàn)測量密度的兩根吹氣儀表管管口位差較小僅為100mm，不能反映濃縮液的真實密度?？紤]到兩根吹氣管口位差較小容易受吹氣管吹氣氣泡相互干擾，又由于蒸發(fā)過程中液體處于自然循環(huán)流動狀態(tài)，導致吹氣測量密度誤差較大且波動范圍也很大[3]。

3 優(yōu)化改進

通過將測量密度的兩根吹氣管管口位差由100mm增大至750mm：將原來的密度測量下管切除并焊封，在蒸發(fā)器外側(cè)增加一根吹氣管。由于密度吹氣管管口位差的變化也需將蒸發(fā)器液位控制高度進行調(diào)整。因原來液位吹氣管管口位差為300mm，中央循環(huán)管管徑是100mm，因而取液位值為400mm。整改后，液位吹氣管管口位差是950mm，加上中央循環(huán)管管徑100mm,液位值調(diào)整為1050mm。

4 運行驗證

蒸發(fā)器密度測量吹氣管整改完成后進行驗證，隨著蒸發(fā)器運行時間的加長，濃縮液濃度升高，密度在逐漸升高。不論濃縮液濃度高或是低，自蒸發(fā)開始至終點，密度均是較平穩(wěn)地變化，遵循隨著濃縮液濃度增加，溶液密度增加的規(guī)律。根據(jù)整個趨勢，可以看出蒸發(fā)過程中濃縮液密度變化，作為蒸發(fā)終點判斷的標準，準確指導蒸發(fā)器卸料。將蒸發(fā)器運行時的密度試驗值與理論計算值比較，計算相對誤差。

試驗結(jié)果表明：蒸發(fā)器蒸發(fā)濃縮至終點，濃縮液為不同濃度溶液時密度顯示試驗值和理論計算值基本吻合，密度試驗值和理論計算值的相對誤差小于等于0.06。由此證明，蒸發(fā)器密度測量改進后，蒸發(fā)器濃縮液密度測量準確，波動明顯減小，可以由密度顯示變化判斷卸料終點，解決了蒸發(fā)過程和終點難以判斷問題，密度指示準確滿足工藝運行要求。

5 結(jié)語

通過將蒸發(fā)器密度測量管口位差由100mm增大至750mm后，經(jīng)運行驗證，硝酸鈾酰溶液測量密度與理論計算誤差小于等于0.06，由此可見，優(yōu)化后的吹氣管密度測量準確，能真實反映蒸發(fā)器內(nèi)料液密度，可有效指導工藝運行。