本發(fā)明涉及核燃料后處理中的放射性料液提升技術(shù)，具體涉及一種減少?gòu)U氣產(chǎn)生的兩級(jí)空氣提升輸送系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

核燃料后處理工程用兩級(jí)空氣提升系統(tǒng)是利用壓縮空氣的流體靜力學(xué)原理，通過氣液混合的形式將靜止的液體提升到一定高度，達(dá)到將設(shè)備室內(nèi)的放射性料液從低處向高處輸送的目的。在設(shè)備室內(nèi)沒有任何需要檢修、更換的可動(dòng)部件，因此無需人員進(jìn)入放射性設(shè)備室內(nèi)維修。

浸沒度為浸沒高度與總提升高度之比，如圖1所示，是影響壓縮空氣帶走料液量多少的重要參數(shù)，隨著浸沒度的不同，相同流量壓縮空氣提升料液的能力也不同。

為精確計(jì)量料液流量，一般都使用兩級(jí)空氣提升，第一級(jí)采用恒液位前置罐保證二級(jí)空氣提升的浸沒度不變，維持提升流量的穩(wěn)定，從而為二級(jí)空氣提升的精確定量輸送創(chuàng)造條件。傳統(tǒng)的兩級(jí)提升系統(tǒng)如圖2所示，一級(jí)空氣提升為從低位貯槽9將料液提升至恒液位前置罐4的提升過程，二級(jí)空氣提升為從恒液位前置罐4定量將料液提升至高位貯槽8的提升過程。

一般采用溢流的方式維持其液位恒定，做法為：在恒液位前置罐4上設(shè)置溢流口6，當(dāng)料液上升至溢流口6位置時(shí)，直接以溢流方式流回低位貯槽9，為保證無論二級(jí)空氣提升從恒液位前置罐4提升走多少料液，恒液位前置罐4的液位均恒定在溢流口，一級(jí)提升流量都開到足夠大，不控制壓縮空氣的流量，過量輸送的方法。但是，當(dāng)?shù)臀毁A槽9的料液被提升至恒液位前置罐4時(shí)，壓縮空氣就完成使命，轉(zhuǎn)變?yōu)閺U氣，需要排出，由于提升過程中壓縮空氣夾帶放射性料液輸送，會(huì)沾染放射性，因此必須對(duì)廢氣進(jìn)行監(jiān)控、過濾特殊處理，達(dá)標(biāo)后才能排放。一級(jí)空氣提升過量輸送的方式在實(shí)際工程應(yīng)用中將產(chǎn)生大量的廢氣。

二級(jí)空氣提升過程使用控制壓縮空氣流量的方法，被提升料液11的液體流量與壓縮空氣1的流量呈一定比例關(guān)系，因此料液的流量控制實(shí)際上為控制壓縮空氣流量，達(dá)到間接控制液體流量的目的。目前，在最佳工作區(qū)間(即空氣流量增大，提升料液流量也隨著增大時(shí))，該比例關(guān)系一般近似為線性關(guān)系，然而實(shí)驗(yàn)表明，線性關(guān)系誤差較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種減少?gòu)U氣產(chǎn)生的兩級(jí)空氣提升系統(tǒng)及其控制方法，這種系統(tǒng)及控制方法經(jīng)濟(jì)可行，能夠有效減少核燃料后處理工程中放射性料液提升所產(chǎn)生的廢氣量，并可有效提升定量輸送料液的控制精度。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種減少?gòu)U氣產(chǎn)生的兩級(jí)空氣提升系統(tǒng)，包括低位貯槽、恒液位前置罐、高位貯槽，壓縮空氣經(jīng)由一級(jí)空氣提升氣液混合器將料液從低位貯槽提升至恒液位前置罐，壓縮空氣經(jīng)由二級(jí)空氣提升氣液混合器將料液從恒液位前置罐提升至高位貯槽，其中，所述的一級(jí)空氣提升氣液混合器與一級(jí)空氣提升質(zhì)量流量控制器連接，所述的二級(jí)空氣提升氣液混合器與二級(jí)空氣提升質(zhì)量流量控制器連接，通過所述的一級(jí)空氣提升質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)一級(jí)空氣提升的壓縮空氣流量值，保證所述恒液位前置罐的液位恒定，通過所述的二級(jí)空氣提升質(zhì)量流量控制器將恒液位前置罐中的料液精確定量的提升至高位貯槽。

進(jìn)一步，如上所述的減少?gòu)U氣產(chǎn)生的兩級(jí)空氣提升系統(tǒng)，其中，首先壓縮空氣經(jīng)由一級(jí)空氣提升氣液混合器將料液從低位貯槽提升至恒液位前置罐，當(dāng)所述恒液位前置罐中的液位上升至基準(zhǔn)液位時(shí)，再啟動(dòng)二級(jí)空氣提升氣液混合器將料液從恒液位前置罐提升至高位貯槽。

進(jìn)一步，如上所述的減少?gòu)U氣產(chǎn)生的兩級(jí)空氣提升系統(tǒng)，其中，所述的恒液位前置罐不設(shè)置溢流口。

進(jìn)一步，如上所述的減少?gòu)U氣產(chǎn)生的兩級(jí)空氣提升系統(tǒng)，其中，在所述的高位貯槽上方連接有氣液分離罐，恒液位前置罐與所述氣液分離罐連接，恒液位前置罐中的料液先被壓縮空氣提升至所述氣液分離罐，然后靠重力自流進(jìn)所述高位貯槽。

如上所述的減少?gòu)U氣產(chǎn)生的兩級(jí)空氣提升系統(tǒng)的控制方法，其中，一級(jí)空氣提升使用前饋-反饋控制模型，將所述恒液位前置罐液位作為被控變量，壓縮空氣的流量作為主要參數(shù)，按反饋通道進(jìn)行偏差控制，并增加前饋干擾通道，將低位貯槽的液位引入控制模型，實(shí)現(xiàn)無論二級(jí)空氣提升以何種流量提升恒液位前置罐料液，恒液位前置罐均能保持液位恒定，前饋控制器的傳遞函數(shù)如下：

其中，G_ff(s)為前饋控制器的傳遞函數(shù)；

G_pD(s)為低位貯槽的液位變化對(duì)被控變量的傳遞函數(shù)；

G_pc(s)為壓縮空氣流量對(duì)被控變量的傳遞函數(shù)。

進(jìn)一步，如上所述的減少?gòu)U氣產(chǎn)生的兩級(jí)空氣提升系統(tǒng)的控制方法，其中，二級(jí)空氣提升在滿足擬合優(yōu)度R²＞0.99的前提下，料液流量和壓縮空氣流量的關(guān)系如下：

F(f)＝af³+bf²+cf+d

其中，F(xiàn)(f)為料液流量；f為壓縮空氣流量；a、b、c、d為修正系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出。

本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明針對(duì)兩級(jí)空氣提升輸送系統(tǒng)，一級(jí)空氣提升采用前饋-反饋控制方法，實(shí)現(xiàn)無論二級(jí)空氣提升系統(tǒng)以何種流量提升恒液位前置罐料液，恒液位前置罐均能保持液位恒定。所提供的兩級(jí)空氣提升輸送系統(tǒng)及其控制方法，可以避免過量使用壓縮空氣，從而避免大量廢氣的產(chǎn)生，達(dá)到節(jié)能減排的目的。提出的壓縮空氣流量和料液流量的非線性回歸方法，可以使控制精度得到很大提升。

在核燃料后處理等輻照環(huán)境下，本發(fā)明能夠減少大量夾帶放射性廢氣的排放，從而減少監(jiān)控設(shè)施和放射性過濾器的使用，符合放射性廢物最小化原則，有利于環(huán)境保護(hù)。

附圖說明

圖1為浸沒度的原理示意圖；

圖2為傳統(tǒng)的兩級(jí)空氣提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的兩級(jí)空氣提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明涉及的一級(jí)空氣提升系統(tǒng)前饋-反饋控制方框圖；

圖5為本發(fā)明給出的某空氣提升系統(tǒng)氣體-液體流量標(biāo)定曲線圖；

圖6為本發(fā)明涉及的某二級(jí)空氣提升系統(tǒng)氣體-料液流量標(biāo)定表(圖5為與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)定曲線)。

圖2、圖3中，1.壓縮空氣 2.流量控制器 3.廢氣排氣 4.恒液位前置罐5.氣液分離罐 6.恒液位前置罐溢流口 7.一級(jí)空氣提升氣液混合器 8.高位貯槽 9.低位貯槽 10.二期空氣提升氣液混合器 11.被提升料液 12.一級(jí)空氣提升質(zhì)量流量控制器 13.二級(jí)空氣提升質(zhì)量流量控制器

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

圖3為本發(fā)明所提供的一種能夠減少?gòu)U氣產(chǎn)生的兩級(jí)空氣提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括低位貯槽9、恒液位前置罐4、高位貯槽8，低位貯槽9連接一級(jí)空氣提升氣液混合器7，壓縮空氣1經(jīng)由一級(jí)空氣提升氣液混合器7將料液從低位貯槽9提升至恒液位前置罐4；高位貯槽8上方連接有氣液分離罐5，氣液分離罐5連接二級(jí)空氣提升氣液混合器10，壓縮空氣1經(jīng)由二級(jí)空氣提升氣液混合器10將料液從恒液位前置罐4提升至氣液分離罐5，然后靠重力自流進(jìn)所述高位貯槽8。所述的一級(jí)空氣提升氣液混合器7與一級(jí)空氣提升質(zhì)量流量控制器12連接，所述的二級(jí)空氣提升氣液混合器10與二級(jí)空氣提升質(zhì)量流量控制器13連接。

系統(tǒng)工作時(shí)，壓縮空氣1在一級(jí)空氣提升質(zhì)量流量控制器12的控制下，經(jīng)由一級(jí)空氣提升氣液混合器7，將低位貯槽9中的料液以氣液混合的狀態(tài)提升至恒液位前置罐4中，當(dāng)恒液位前置罐4液位上升至基準(zhǔn)液位時(shí)啟動(dòng)二級(jí)空氣提升，在二級(jí)空氣提升質(zhì)量流量控制器13的控制下，經(jīng)由二級(jí)空氣提升氣液混合器10，將恒液位前置罐4中料液精確定量提升至氣液分離罐5，并靠重力自流進(jìn)高位貯槽8。

二級(jí)空氣提升的定量輸送，需要以恒液位前置罐4的液位恒定為前提。因?yàn)椋绻阋何磺爸霉?的液位高度變化，將引起二級(jí)空氣提升的浸沒度發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致在不改變二級(jí)空氣提升質(zhì)量流量控制器13空氣流量值的情況下，提升的液體流量變化，最終無法實(shí)現(xiàn)定量輸送。針對(duì)此問題，本發(fā)明棄用傳統(tǒng)的一級(jí)空氣提升采用的溢流過量輸送(即恒液位前置罐4不設(shè)置溢流口)，采取控制恒液位前置罐4液位的方法。因此需要在低位貯槽9液位不斷變化的前提下，調(diào)節(jié)一級(jí)空氣提升的壓縮空氣流量值，以穩(wěn)定恒液位前置罐4的液位。

普通的單回路反饋控制系統(tǒng)僅能調(diào)節(jié)一級(jí)空氣提升質(zhì)量流量控制器12以調(diào)整被控變量(恒液位前置罐液位，設(shè)為θ₁)，但無法處理低位貯槽9液位的不斷變化。而本發(fā)明引入前饋-反饋控制系統(tǒng)(FFC-FBC)，增加了前饋干擾通道，可將低位貯槽9的液位變化引入控制模型，從而補(bǔ)償液位變化產(chǎn)生的浸沒度變化對(duì)被控變量θ1的影響。同時(shí)，料液流量(實(shí)際為一級(jí)空氣提升質(zhì)量流量控制器12的氣體流量)與被控變量θ₁按常規(guī)PID作用調(diào)節(jié)，與前饋通道的校正作用相互疊加，可使被控變量θ₁盡快的回到給定值。該前饋-反饋控制方框圖如圖4所示。

圖4中，G_pD(s)為低位貯槽液位變化對(duì)被控變量θ₁的傳遞函數(shù)，G_pc(s)為壓縮空氣流量對(duì)被控變量θ₁的傳遞函數(shù)，G_c(s)為流量控制器，G_ff(s)為前饋控制器。干擾低位貯槽液位對(duì)被控變量θ₁的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

應(yīng)用不變性原理，即被控變量的穩(wěn)態(tài)不受擾動(dòng)影響時(shí)，則有條件：

L(s)≠0，θ₁(s)≡0

L(s)是指干擾，即低位貯槽液位變化。

代入式(1)，可推導(dǎo)出前饋控制器的傳遞函數(shù)

上述各傳遞函數(shù)的具體形式為控制領(lǐng)域的公知技術(shù)。

二級(jí)提升需要精確定量輸送，針對(duì)料液流量和壓縮空氣流量的關(guān)系，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，在滿足擬合優(yōu)度R²＞0.99的前提下，有：

F(f)＝af³+bf²+cf+d (2)

式中，F(xiàn)(f)為料液流量；f為空氣流量；a、b、c、d為修正系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出。

采取的實(shí)驗(yàn)方法為，任何時(shí)候維持恒液位前置罐液位恒定，從而保證浸沒度不變，關(guān)閉氣液分離罐5至高位貯槽8的自流通路，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)壓縮空氣流量，使用精密計(jì)量設(shè)備記錄單位時(shí)間內(nèi)氣液分離罐5的料液體積，計(jì)算出液體提升量。每套提升做10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量三次取平均，并選取多組、不同高度差的情況，從而整理規(guī)律。圖5和圖6示出實(shí)驗(yàn)過程中某提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄和擬合實(shí)例。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)表明，式(2)給出的擬合公式可以覆蓋各種二級(jí)空氣提升工作區(qū)的情況。

以上為本發(fā)明的具體實(shí)施方式。這樣在核燃料后處理廠的放射性料液輸送過程中，可以大量避免廢氣的產(chǎn)生。同時(shí)，也提升了系統(tǒng)的定量輸送的控制精度。本發(fā)明也適用于其他輻射環(huán)境下，需要對(duì)放射性料液進(jìn)行定量輸送的情況。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。