中低放廢液蒸發處理設施工藝系統調試研究

趙召，田駿林（中國核電工程有限公司華東分公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

自然循環蒸發系統主要由供料槽、供料泵、自然循環蒸發器、旋風分離器、泡罩塔、冷凝器、冷卻器、殘液槽及過濾器、壓空噴射泵組成。

由供料槽接收待處理的低放廢水，通過變頻泵或回流調節的方式，將定流量的廢液輸送到蒸發器中，通過蒸發器蒸汽側的調節，實現蒸發器的液位穩定和自然循環蒸發，廢液蒸發后產生的蒸汽經旋風分離器除去液滴后，經泡罩塔洗滌，進入冷凝器；在冷凝器中，蒸汽被快速冷凝，蒸汽中夾帶的不凝性氣體在冷凝器高位處被尾氣系統抽走，冷凝后的液體再經過冷卻降溫后，經分析監測放射性后排放；不凝性氣體由壓空噴射器提供負壓動力，尾氣經過濾器過濾凈化后，與壓空噴射泵中的壓空混流后排放；蒸發在完成額定廢液的蒸發后，殘留在蒸發器內的蒸殘液排放至殘液槽，通過蒸發實現了廢液濃縮，廢物最小化的目的。

根據調試和運行邏輯，可分為三大系統：供料及蒸發液位控制系統、尾氣處理系統、卸料系統三部分。

1 供料及蒸發液位控制系統調試

1.1 蒸發器吹氣液位指示裝置

吹氣液位裝置儀表是一種高可靠性、維修簡單的一種儀表，其在蒸發器內的液位測量一般為三管式儀表，分為上、下1和下2：其中上吹氣管位于蒸發器分離室頂部，處于氣相當中，下1吹氣管和下2吹氣管位于蒸發器分離室底部，處于液相當中。

蒸發器的液位指示方式，可總結為公式(1)：

式中：H為蒸發器液位；h為下1吹氣管管口與下2吹氣管管口之間的距離；P1為上吹氣管管口處的壓力；P2為下1吹氣管管口處的壓力；P3為下2吹氣管管口處的壓力。

在蒸發器分離室頂部安裝的兩組差壓變送器，分別為上吹氣管-下2吹氣管差壓變送器、下1吹氣管-下2吹氣管差壓變送器，采集對應的壓力差來指示蒸發器液位與蒸發器密度。根據公式(1)，蒸發器液位指示，通過兩個差壓變送器的值及B管與C管的固定已知距離h來確定。

1.2 蒸發器液位控制

蒸發器液位控制為液位—蒸汽量連鎖PID調節，蒸發器恒定供料，蒸發器液位作為唯一的變量與設定值進行高低比較，通過調節蒸汽流量，從而使蒸發器液位保持恒定。

如圖1所示，蒸發器液位過高，通過吹氣儀表將液位數據傳輸給比較元件，通過正反饋來增加蒸汽調節閥開度，加大蒸汽量，從而降低蒸發器液位。蒸發器液位過低，通過吹起儀表將液位數據輸送給比較元件，通過正反饋來減小蒸汽調節閥開度，減小蒸汽量，從而升高蒸發器液位。

圖1 蒸發器液位正反饋控制系統方框圖

1.3 蒸發器液位自動控制PID調節原理

PID 調節器即比例積分微分調節器，通過調試試驗證明，對于蒸發器液位調節控制來說，由于蒸汽側的壓力流量一直處于微幅波動當中，使用簡單的例積分（PI）調節即可達到滿意的效果。

通常的工業用PID整定方法都是用Z-N整定法，但是在實際應用中，根據調控量環境的不同，單純的整定并不能得到好的穩定性，文章在Z-N整定法的基礎上通過分析比例、積分調節的實質，總結出簡單易懂，方便快捷的整定方法[1]。

對于蒸發器液位的調節來說，單純比例調節的輸出（蒸汽調節閥）的波形和被調量（蒸發器液位）的波形完全類似，頂點與谷底發生在同一時刻。而單純的積分調節輸出量的升降與被調量的升降無關，與輸出偏差的正負有關，輸出曲線達到頂點的時候，必然是被調量偏差等于零的時候。比例-積分調節器的輸出即為將比例和積分同時作用在調節器上，將兩者的調節輸出相加。因此，比例度（放大倍數的倒數）和積分時間參數的多少，將影響比例、積分調節器的輸出振幅的大小，而當兩者振幅不一致時，即會出現不同的合成波形。

如圖2所示，當積分作用減弱或增強時，即曲線4的振幅減小或增大，比例-積分調節器輸出曲線5中的t2出現的時刻將在t1與t3之間移動。如果過于靠近t1，則積分作用太弱，無法有效消除靜態誤差，如果過于靠近t3，則積分作用太強，被調量將會呈震蕩發散狀，無法收斂穩定。經過理論及調試證明，t2所處的位置，應該位于t1、t3之間1/3靠前，此時，被調量成穩定收斂狀。

圖2 單純比例、積分作用下及比例-積分作用下的曲線

1.4 蒸發器液位自動控制調試步驟

(1)確定控制器是正反饋調節還是負反饋調節。在蒸發系統實際調試中發現，PLC中的原PID控制系統均設置為負反饋，因此，在試驗之前，必須確認調節系統的正負反饋與實際控制需要的一致。

(2) 檢查調節器的輸出和PLC保持一致。即蒸汽流量調節閥的開度需要與PLC上的開度保持一致，開度0%，閥門全關，開度50%，閥門開一半，開度100%，閥門全開。

(3)確定PID控制器中比例參數的設定P還是K。K為放大倍數，P為比例度，其比例度P是放大倍數K的倒數。由于是倒數，因此，一旦輸入的參數不對，將產生巨大的錯誤，系統不可能穩定。

(4)先進行純比例調節，由于自室外來蒸汽的流量不穩定，且液位的變化對蒸汽的進量有很大的滯后，因此，放大倍數不應過大，易設置小于1，通過不斷從1開始縮小放大倍數，在winCC系統中打開液位時間累計圖與蒸汽流量時間累計圖，觀察得到穩定震蕩或收斂的液位曲線，如圖2中1與3的圖形。

(5)加入積分調節，首先確定積分數值為秒還是分鐘，一旦數值設定不當，將無法得到穩定的液位曲線。積分時間首先易設置為10 000 s，再根據圖形情況增大或縮小。通過在winCC系統中打開液位時間累計圖與蒸汽流量時間累計圖，得到如圖2中1與5的圖形，使t2位于t1、t3之間1/3靠前。

(6)運行觀察蒸發器液位，確定是否為震蕩收斂。如不是，檢查吹氣裝置的完好情況和液位設定值是否合理，分析后再重新按照步驟進行一次。

1.5 蒸發器液位自動控制實際調試經驗

在按照試驗方法進行試驗中，得到的圖像與圖2中的相差很大，由于蒸發器和蒸汽流量均屬于動態變量，因此在曲線圖上都指示的是細小折線組成的大曲線，試驗中只需要看大趨勢線，而不要糾結于小折線。

當得到穩定的液位控制時，若設置的放大倍數過小，會導致調節時間過長，考慮到蒸發器為連續運行7天以上和運行中出現的震蕩，全部調節時間應以3小時以內為宜。若調節時間超過3小時，應同時加大放大倍數和積分時間再進行整定[2]。

2 尾氣處理系統調試

蒸發工藝尾氣為接受二次蒸汽中不凝性氣體，經除滴、加熱、過濾凈化后，排放至煙囪。

蒸發器中的料液經加熱、蒸發產生二次蒸汽進入冷凝器冷卻，但是由于料液中有溶解氣體，在蒸發過程時，料液中的氣體等被釋放出來，在冷凝器內蒸汽凝結為冷凝液，而不凝性氣體就會在冷凝器內堆積，如果不凝性氣體尾氣處理不合適，長時間的積累造成蒸發器蒸汽管路阻塞，進而使蒸發器頂部壓力升高，影響蒸發器及后續系統的完整性。在運行中，尾氣的開度需要進行調試測試，其過大和過小均不利于系統穩定運行。

尾氣開得過大，導致二次蒸汽在冷凝器中還沒來得及冷凝，即被尾氣抽走，大量的冷凝液進入尾氣系統，造成尾氣系統進水。出現這種情況的具體表現是尾氣系統的螺旋板換熱器尾氣側和冷卻水側溫度都高；壓空噴射器成脈沖狀充氣，過濾器壓差也成脈沖型。

尾氣開的過小，導致不凝性氣體在冷凝器內堆積，造成蒸發器二次蒸汽側壓力全面升高。出現這種情況的具體表現是自一定時間開始，蒸發器的頂部壓力開始上升，超過設計限值，即使開大冷凝器冷卻水流量也無法調節蒸發器頂部壓力；自一定時間開始，泡罩塔壓差增大超過限制。

合理的尾氣量會保證將冷凝器中的不凝性氣體抽走，而不會抽走二次蒸汽。通常表現為螺旋板換熱器尾氣側和冷卻器側溫度都低；蒸發器頂部壓力，泡罩塔壓力在合理范圍內波動。

3 卸料系統調試

3.1 蒸發器卸料

在蒸發器運行中，需要實時顯示連續供料量，并將泡罩塔回流的冷凝液也計算在內，利用蒸發器運行液位體積，確定達到卸料要求的含鹽量前的總的供料量，觀察蒸發器密度指示，要求與實驗室數據相接近并達到供料量時才能停運蒸發器，進行卸料操作。

進行卸料操作時，要首先打開蒸殘液冷卻槽的冷卻水系統，并把蒸發器此時的密度輸入蒸殘液冷卻槽的液位指示系統中，使蒸殘液冷卻槽液位指示準確。卸料時記錄卸料試驗，并與之前水試的卸料時間對比，確定卸料通暢與否。

3.2 蒸發器保養

蒸發器在完成卸料后，不能將蒸發器空置，需要重新上料，在蒸發器溫度指示低于40 ℃后，重新上料至運行液位進行保養。

4 蒸發系統調試典型問題說明及處理方式

調試中不可避免的會發生各種問題，下面將出現的一些典型問題進行描述，為以后類似設施或系統的設計、調試和運行提供經驗參考。

4.1 冷凝液回泡罩塔流量問題

蒸發器在運行測試中，冷凝液回泡罩塔的管線內部沖刷出來大量的焊渣，致使流量計被焊渣堵住，流量計無法正常指示，但在后續試驗中，即使已經水試運行很長時間，清洗過多次流量計，但管線指示流量依舊無法達到設計要求。

通過檢查發現使用的流量計為彈簧式全截面壓力流量計，依靠水的壓頭將彈簧頂開一定的程度來指示流量，隨后在進行專項測試中證實，在這種依靠自流壓頭來流動的管線中此類流量計無法使用。后續做出了更改，更換為無阻力式流量計，流量計指示正常，泡罩塔實現正常運行。

4.2 蒸發器吹氣管堵塞

蒸發器在經過長期測試后，在試驗中發現液位計指示不準，經檢查后確認為蒸發器下2吹氣管堵塞，通過向吹氣管中加酸，使問題得到解決。蒸發器的吹氣管堵塞是蒸發器的通病，是不可避免的，現在只有通過加強保養和加酸清洗來處理。

4.3 蒸殘液泵停之后管道堆積

蒸殘液在蒸殘液冷卻槽中冷卻后，需要后續廠房進行下一步處理。在試驗中，起泵將蒸殘液進行輸送測試中，當停泵三天后，發現無法重新啟動泵，經過現場分析，認為由兩部分原因：一是由于蒸發器的蒸殘液含鹽量受料液組分、溫度等多種因素影響，造成析晶；二是由于料液輸送由泵進行，長時間不起泵，料液中的泥沙就會積存在管道內，形成硬殼，長期如此反復，就會造成泵前、泵后管口堵塞，致使泵無法啟動。

因此，在調試和運行中，需要在一定周期后通過向蒸發器和殘液罐、泵體供酸，進行系統設備的全面清洗和保養。

5 結語

通過以上對自然循環蒸發器的液位控制系統、尾氣系統和卸料系統的調試過程進行研究分析，并對一些在調試過程中出現的典型問題進行闡述，實現了蒸發系統的全流程功能和穩定運行，同時也能夠給類似蒸發系統的調試和運行工作提供有效的方法和問題解決方案。