批式溶解器大吊籃到位信號檢測方法的研究與改進

李海麗

(中國核電工程有限公司電儀所，北京 100840)

批式溶解器大吊籃到位信號檢測方法的研究與改進

李海麗

(中國核電工程有限公司電儀所，北京 100840)

針對動力堆乏燃料后處理中間試驗廠中批式溶解器大吊籃到位信號無法有效檢測的問題，從理論方面論證了吹氣檢測法的可行性，并根據計算結果重新提出了設備加工要求。在原檢測方案的基礎上進行了改進設計并通過多組試驗進行了驗證，結果表明：在設備滿足加工要求的前提下，運用吹氣法檢測批式溶解器大吊籃到位信號的成功率為100%。

大吊籃到位信號檢測 吹氣檢測法 批式溶解器 吹氣流量 測量孔孔徑

對動力堆乏燃料進行后處理實現核燃料的閉式循環，對有效利用鈾資源，實現我國核能可持續發展，具有重要作用[1]。目前，我國唯一的動力堆乏燃料后處理中間試驗廠已經順利通過了熱調試，但它無法正常檢測溶解器大吊籃是否到位[2]，如果加工新的溶解器，開展大吊籃到位信號檢測工作是極其必要的[3]。

乏燃料后處理中間試驗廠的溶解器設備安裝在設備室中，工作人員很難進入，因此溶解器大吊籃到位信號的檢測采取了非接觸測量方法[4]。如吹氣檢測法，該方法結構簡單可靠，適用于腐蝕性、放射性、高粘度、強腐蝕性、易凝固、易結晶或含有懸浮顆粒的被測介質的液位測量，在國內外核工業領域、船用倉儲計量等方面獲得了廣泛應用[5,6]。經過對國內外乏燃料后處理中間試驗廠溶解器的調研發現，目前溶解器大吊籃到位信號的檢測方法除吹氣檢測法外，還有一種通過升降電機上的編碼器信號判斷是否到位的方法。但由于大吊籃纜繩為軟繩，當大吊籃在下降過程中卡在溶解管上時，無法通過升降電機的編碼器信號來判斷大吊籃是否到位。為此，根據批式溶解器工作環境的強放射性、強腐蝕性等特點[7]，筆者選用吹氣檢測法檢測大吊籃到位信號，并從理論和試驗兩方面對該方法進行了驗證，最終在原方案的基礎上進行了探索性改進設計，為后續設計動力堆乏燃料后處理中間試驗廠批式溶解器大吊籃到位信號檢測方案提供參考依據。

1 理論分析①

大吊籃座上的測量孔在大吊籃到位后被堵住的程度是決定到位信號能否檢測到的重要因素，而這主要取決于兩個接觸面的表面粗糙度和角度公差。當兩個接觸面接觸后，由角度公差過大造成的測量孔泄漏面積過大將導致斷面壓力變化不明顯，從而無法判斷出到位信號。因此，必須通過計算提出嚴格的加工要求，并對零件進行檢驗后再焊接加工設備。然而由于調試時中間試驗廠的批式溶解器設備已經加工完畢，無法對該部件進行加工精度的檢測，因此，加工缺陷是可能導致無法檢測出到位信號的主要原因。

2 公式推導與理論計算

2.1公式推導

根據原設計，測量孔(孔徑φ3mm)細節放大圖如圖1所示。1-1斷面為測量孔，為方便計算，將測量孔被堵住的情況近似為測量孔連接一個直徑更小的短管，短管的出口直通溶解器內部，即2-2斷面。

根據恒定氣流能量方程[8]，以0-0為基線，1-1、2-2斷面的能量方程為：

(1)

式中p1、p2——斷面1-1、2-2處的靜壓，Pa；

圖1 測量孔細節放大圖

pl1-2——流動壓強損失；

v1、v2——斷面1-1、2-2處的流速，m/s；

ρ——空氣密度，kg/m3。

由于小管長度很短，沿程阻力損失小，因此可忽略不計。壓縮氣體通過測量孔最終流入溶解器內部，經過兩次局部壓力損失。即pl1-2由兩部分組成，一部分為突然縮小的局部損失p1-2，即從斷面1-1到2-2的過程；另一部分為從小孔到溶解器內部時突然擴大的局部損失p2-0，即從斷面2-2到溶解器內部的過程。計算式為：

pl1-2=p1-2+p2-0

(2)

根據能量損失公式[8]：

(3)

其中，ξ為局部阻力系數，v為流體速度。

對于突然縮小的情況，有：

(4)

對于突然擴大的情況，有：

(5)

式中A0——小孔出口后的面積，mm2；

A1——斷面1-1處的面積，mm2；

A2——斷面2-2處的面積，mm2。

將式(4)、(5)代入式(2)、(3)中可以得到：

(6)

將式(6)代入式(1)中可以得到恒定氣流能量方程為：

(7)

簡化后：

(8)

根據流量守恒原理，有：

(9)

式中Q——吹氣流量，L/h；

r——測量孔半徑，mm。

將式(9)代入式(8)整理后得到：

(10)

由于：

用于橋面鋪裝層的玄武巖纖維增強聚合物混凝土試驗研究……………………………………………………… 房金剛（2-105）

(11)

式中h——大吊籃到位后，兩個接觸面在測量孔中心處的距離，mm。

則將式(11)代入式(10)后可得：

(12)

由式(12)整理可得：

(13)

2.2理論計算

由式(12)可以看出，靜壓的變化與大吊籃到位后兩接觸面在測量孔中心處的垂直距離h、吹氣流量Q、測量孔孔徑r和空氣密度ρ有關。靜壓的變化值越大，檢測到的壓差值變化越大，大吊籃到位信號越容易檢測。Q越大壓差值越大，但不存在檢測孔徑越小壓差值越大的情況。由式(13)可以看出，當其他參數一定時，h越小，靜壓的變化值越大。

2.2.1偏差角度

根據設計經驗，設吹氣流量Q=10L/h，測量孔半徑r=1.5mm，空氣密度1.2kg/m3，靜壓差400Pa，并將所有參數代入式(12)中，計算得到h≈0.018mm。

如圖2所示，測量孔布置在接觸面垂直方向中心位置處，L為已知長度，根據三角公式即可算出角度α的值。據此可以對設備加工提出具體要求，即最大偏差不得使兩接觸面角度大于α。

圖2 大吊籃到位偏差角度示意圖

由于測量孔孔徑和吹氣流量也是主要影響因素，因此在改進設計中考慮選用不同孔徑的測量孔在不同吹氣流量下進行對比。參考原設計中的測量孔直徑(φ3mm)，另外設計兩對直徑分別為φ2mm和φ4mm的測量孔。以h=0.018mm、ρ=1.2kg/m3為前提，當吹氣流量分別為5、10、20、40l/h時，代入式(12)中可以計算得到各測量孔在不同流量下產生的靜壓差p1-p2值，如圖3所示。

圖3 不同孔徑不同流量下的靜壓差計算值

直徑為φ2mm、φ3mm、φ4mm的測量孔在滿足設備加工要求(h≤0.018mm)的基礎上，通過調節吹氣流量是可以在大吊籃到位后檢測出明顯的壓力變化的。此時，吹氣檢測法測量大吊籃到位信號的方法理論上是可行的。

3 改進設計

為了進一步驗證該方法的可行性，結合500kg鈾批式溶解器科研樣機大吊籃到位信號檢測部分的設計需求，依照上述理論分析，在原設計基礎上對大吊籃到位信號檢測系統進行改進設計。

根據理論分析，影響壓差值的因素主要有偏差角度α(垂直距離h)、測量孔孔徑r和吹氣流量Q。改進設計中，通過對設備加工提出角度公差不能大于α的要求控制垂直距離h；設計3對孔徑分別為φ2mm、φ3mm、φ4mm的測量孔，用于考量測量孔孔徑r對壓差值的影響；試驗中分別改變吹氣流量的大小，用于考量吹氣流量Q對壓差值的影響。

3.1設備條件

在大吊籃支撐面垂直方向的中心位置處分別開一對直徑為φ2mm、φ3mm、φ4mm的測量孔和一個直徑為φ17mm的參考孔，并預留兩個盲孔備用。

為保證完全抵消液位差帶來的壓力差，測量孔需與參考孔在同一水平位置上，具體設計要求如下：

a.φ3mm測量孔的中心線位于接觸面垂直方向的正中心位置，參考孔的開孔中心線和φ2mm、φ4mm測量孔的φ17mm外套大孔的中心線均與φ3mm測量孔的φ17mm外套大孔的中心線平齊；

b. 為防止殘液滯留在外套大孔中，要求所有測量孔的下邊緣均與外套大孔的下邊緣平齊；

c. 依據理論分析，提出設備加工要求，兩接觸面角度公差不得大于α。

3.2儀控系統設計

為實現在控制間上位機上遠程控制吹氣流量，改進設計中選用了質量流量控制器來進行吹氣流量的調節。同時為了驗證原設計的可行性，保留了原吹氣裝置的設計，使吹氣裝置和質量流量控制器互為備用。大吊籃到位信號檢測系統示意圖如圖4所示。

根據理論計算值，減壓閥后壓力變送器量程選為0.0～0.3MPa；質量流量控制器量程選為0～100L/h；兩臺差壓變送器量程選為0～10kPa；吹氣裝置流量調節范圍選為0～60L/h。

到位信號的檢測過程為：選定一對測量孔，打開或關閉相應的閥門，在上位機設定吹氣流量，待吹氣流量穩定并達到設定值后，進行到位信號試驗。通過記錄差壓變送器到位前后的數值變化來判斷大吊籃到位情況。當兩臺差壓變送器中有一臺的壓差值在到位前后有明顯變化就可以判斷大吊籃到位了。

圖4 大吊籃到位信號檢測系統示意圖

4 試驗驗證與結果分析

4.1試驗驗證

試驗思路為：分別在溶解器內部無水和有水兩種情況下進行試驗，驗證不同孔徑、不同流量下的檢測情況，每種情況隨機吊起放下大吊籃5次，并記錄數據，壓差值取每種情況下兩臺差壓變送器中數值較大的一個。由于結果類似，僅列出有水條件下的試驗結果。

有水條件下，大吊籃未到位時，記錄不同流量下不同測量孔徑的壓差值如圖5所示。可以看出，大吊籃未到位時，差壓變送器的最大顯示值為0.27kPa。

圖5 未到位時不同吹氣流量不同 孔徑下的壓差值比較

有水條件下，根據數據記錄表，分別繪制了在5、10、20、40L/h吹氣流量下，各測量孔在5次隨機吊起放下大吊籃后的壓差值數據趨勢(圖6)。可以看出，4種不同流量下產生的壓差值均明顯超過圖5的未到位時最大壓差值0.27kPa；每種吹氣流量下共檢測了15次，檢測信號成功率為100%。

a. 5L/h

b. 10L/h

c. 20L/h

d. 40L/h圖6 到位后不同吹氣流量下各測量孔的壓差值數據趨勢

有水條件下，根據數據記錄表，分別繪制了在不同吹氣流量下，φ2mm、φ3mm、φ4mm測量孔在5次隨機吊起放下大吊籃后的壓差值數據趨勢(圖7)。可以看出，檢測到的壓差值均明顯大于圖5的未到位時最大壓差值0.27kPa，檢測到位信號的成功率為100%。

a. φ2mm

b. φ3mm

c. φ4mm圖7 到位后各測量孔在不同流量下 的壓差值數據趨勢

4.2結果分析

無論溶解器內是否有水，由圖6可以看出，對于同一流量下，并不存在直徑越小的測量孔產生的壓差值越大的現象，這與理論推導結果相符。另外，3種孔徑的測量孔均可測得壓差值，且無明顯區別。

無論溶解器內是否有水，由圖7可以看出，對于同一孔徑的測量孔來說，吹氣流量越大，測得的壓差值越大，這與理論推導結論相符。

在有水的情況下，由圖6d、7可以看出，大部分檢測點測得的壓差值存在超量程現象。根據后續試驗觀察，差壓變送器確實存在長時間超量程的現象。因此，差壓變送器的量程(0～10kPa)選擇偏小。

綜上所述，在有無水的情況下，各進行了60次隨機試驗。除無水情況下吹氣流量為5L/h時存在一個檢測失敗點外，其他隨機試驗均可成功檢測出大吊籃到位信號。

5 結束語

筆者為解決動力堆乏燃料后處理中間試驗廠中批式溶解器大吊籃到位信號無法檢測的問題，從理論方面進行了推導，在推導結果的基礎上對吹氣法檢測大吊籃到位信號進行了改進設計，并通過具體試驗進行了驗證。結果表明，加工缺陷是導致無法檢測大吊籃到位信號的主要原因，在設備滿足加工要求的前提下，運用吹氣法檢測批式溶解器大吊籃到位信號的方法是可行的。

[1] 章澤甫,王俊峰,張天祥,等.動力堆核燃料后處理工學[M].北京:中國原子能出版社,2013:13.

[2] 袁世頤.吹氣儀表在我國乏燃料后處理中試廠工程應用技術的簡要總結[C].后處理專業委員會年會論文集.重慶:中國核學會核化工分會后處理專業委員會,2011:21～26.

[3] 袁世頤,李海麗,關天齊,等.中試廠儀控重要整改項目回顧及尚需進一步整改項目建議[C].后處理專業委員會年會論文集.重慶:中國核學會核化工分會后處理專業委員會,2011:27～32.

[4] 張平發.液位測量吹氣裝置的研究[J].化工自動化及儀表,2003,30(1):58～60.

[5] 王美華,趙文達,官本誠.吹氣法液位檢測裝置及其應用[J].自動化儀表,2004,25(3):31～34.

[6] 何薇馨.吹氣式液位計的投運[J].化工自動化及儀表,2002,29(2):72～73.

[7] 吳志強,劉郢.乏燃料批式溶解器放大的設計構想[J].產業與科技論壇,2015,14(14):81～83.

[8] 蔡增基,龍天渝.流體力學泵與風機[M].北京:中國建筑工業出版社,1999:64～84,115～124.

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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)