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

背景技術(shù)：

核燃料后處理工程用兩級空氣提升系統(tǒng)是利用壓縮空氣的流體靜力學原理，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、更換的可動部件，因此無需人員進入放射性設(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。

為精確計量料液流量，一般都使用兩級空氣提升，第一級采用恒液位前置罐保證二級空氣提升的浸沒度不變，維持提升流量的穩(wěn)定，從而為二級空氣提升的精確定量輸送創(chuàng)造條件。傳統(tǒng)的兩級提升系統(tǒng)如圖2所示，一級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，當料液上升至溢流口6位置時，直接以溢流方式流回低位貯槽9，為保證無論二級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?shù)臀毁A槽9的料液被提升至恒液位前置罐4時，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，會沾染放射性，因此必須對廢氣進行監(jiān)控、過濾特殊處理，達標后才能排放。一級空氣提升過量輸送的方式在實際工程應(yīng)用中將產(chǎn)生大量的廢氣。

二級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際上為控制壓縮空氣流量，達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)，該比例關(guān)系一般近似為線性關(guān)系，然而實驗表明，線性關(guān)系誤差較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種減少廢氣產(chǎn)生的兩級空氣提升系統(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：一種減少廢氣產(chǎn)生的兩級空氣提升系統(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，所述的一級空氣提升氣液混合器與一級空氣提升質(zhì)量流量控制器連接，所述的二級空氣提升氣液混合器與二級空氣提升質(zhì)量流量控制器連接，通過所述的一級空氣提升質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)一級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。

進一步，如上所述的減少廢氣產(chǎn)生的兩級空氣提升系統(tǒng)，其中，首先壓縮空氣經(jīng)由一級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，當所述恒液位前置罐中的液位上升至基準液位時，再啟動二級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。

進一步，如上所述的減少廢氣產(chǎn)生的兩級空氣提升系統(tǒng)，其中，所述的恒液位前置罐不設(shè)置溢流口。

進一步，如上所述的減少廢氣產(chǎn)生的兩級空氣提升系統(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，然后靠重力自流進所述高位貯槽。

如上所述的減少廢氣產(chǎn)生的兩級空氣提升系統(tǒng)的控制方法，其中，一級空氣提升使用前饋-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，實現(xiàn)無論二級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被控變量的傳遞函數(shù)；

G_pc(s)為壓縮空氣流量對被控變量的傳遞函數(shù)。

進一步，如上所述的減少廢氣產(chǎn)生的兩級空氣提升系統(tǒng)的控制方法，其中，二級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)實驗數(shù)據(jù)擬合得出。

本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明針對兩級空氣提升輸送系統(tǒng)，一級空氣提升采用前饋-反饋控制方法，實現(xiàn)無論二級空氣提升系統(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。

附圖說明

圖1為浸沒度的原理示意圖；

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

圖3為本發(fā)明的兩級空氣提升系統(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-液體流量標定曲線圖；

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

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 12.一級空氣提升質(zhì)量流量控制器 13.二級空氣提升質(zhì)量流量控制器

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。

圖3為本發(fā)明所提供的一種能夠減少廢氣產(chǎn)生的兩級空氣提升系統(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連接一級空氣提升氣液混合器7，壓縮空氣1經(jīng)由一級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連接二級空氣提升氣液混合器10，壓縮空氣1經(jīng)由二級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，然后靠重力自流進所述高位貯槽8。所述的一級空氣提升氣液混合器7與一級空氣提升質(zhì)量流量控制器12連接，所述的二級空氣提升氣液混合器10與二級空氣提升質(zhì)量流量控制器13連接。

系統(tǒng)工作時，壓縮空氣1在一級空氣提升質(zhì)量流量控制器12的控制下，經(jīng)由一級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，當恒液位前置罐4液位上升至基準液位時啟動二級空氣提升，在二級空氣提升質(zhì)量流量控制器13的控制下，經(jīng)由二級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，并靠重力自流進高位貯槽8。

二級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。因為，如果恒液位前置罐4的液位高度變化，將引起二級空氣提升的浸沒度發(fā)生變化，進而導(dǎo)致在不改變二級空氣提升質(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，最終無法實現(xiàn)定量輸送。針對此問題，本發(fā)明棄用傳統(tǒng)的一級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，從而補償液位變化產(chǎn)生的浸沒度變化對被控變量θ1的影響。同時，料液流量(實際為一級空氣提升質(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被控變量θ₁的傳遞函數(shù)，G_pc(s)為壓縮空氣流量對被控變量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)不受擾動影響時，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)。

二級提升需要精確定量輸送，針對料液流量和壓縮空氣流量的關(guān)系，經(jīng)過大量實驗，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)實驗數(shù)據(jù)擬合得出。

采取的實驗方法為，任何時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)對應(yīng)壓縮空氣流量，使用精密計量設(shè)備記錄單位時間內(nèi)氣液分離罐5的料液體積，計算出液體提升量。每套提升做10個數(shù)據(jù)點，每個點測量三次取平均，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示出實驗過程中某提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄和擬合實例。經(jīng)過大量實驗表明，式(2)給出的擬合公式可以覆蓋各種二級空氣提升工作區(qū)的情況。

以上為本發(fā)明的具體實施方式。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，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，需要對放射性料液進行定量輸送的情況。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(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和變型在內(nèi)。