АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ УЧАСТОК ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТОК ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2005 года по МПК G21C3/62 G21C21/10 

Изобретение относится к области атомной промышленности и может использоваться для усовершенствования процесса получения спеченных таблеток из керамических материалов для ядерного топлива, в частности для получения спеченных таблеток из диоксида урана, применяемых для снаряжения тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.

Известен способ и оборудование для изготовления таблетированного топлива из диоксида урана по типовой схеме аммонийдиуранат-процесса (АДУ-процесс), включающий испарение гексафторида урана с подачей в аппарат-гидролизатор, осаждение поли-ураната аммония в реакторе, фильтрацию на центрифуге, сушку и пирогидролизную обработку в смеси азота и водяного пара с восстановлением водородом во вращающихся печах, смешивание и измельчение порошка диоксида урана в молотковых мельницах, прессование и измельчение «шашки», смешивание порошка диоксида урана с пластификатором, прессование и спекание таблеток в водородной среде, шлифование и контроль таблеток с последующей отправкой таблеток на снаряжение тепловыделяющих элементов (см. А.А.Майоров, И.В.Браверман. Технология получения порошков керамической двуокиси урана. М.: Энергоатомиздат, 1985, с.77).

Известно оборудование (см. там же) для изготовления таблетированного топлива из диоксида урана, содержащее камеры испарения, аппарат-гидролизатор, сборную емкость, реактор-соединитель, центрифуги, печи сушки и восстановления, соединенные между собой технологическими линиями. За печью восстановления расположены молотковые мельницы, пресс, смеситель, пресс-автомат, печь спекания, бесцентрошлифовальный станок и установка контроля таблеток. Передача порошка диоксида урана, «шашек», пресс-порошка диоксида урана, отформованных и спеченных таблеток осуществляется в технологической таре, а именно в контейнерах, молибденовых и нержавстальных лодочках.

Недостатком способа и оборудования является точечное измерение технологических параметров отдельных единиц оборудования с пультами управления ими и значительное количество ручных операций, что усложняет ведение технологического процесса, снижает оперативность.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату являются способ изготовления таблетированного топлива из диоксида урана (см. патент № 2158971 - прототип), включающий испарение и гидролиз гексафторида урана, растворение закиси-окиси урана, диоксида урана, урансодержащих технологических отходов или уранилнитрата, экстракцию-реэкстракцию, осаждение полиураната аммония, фильтрацию, сушку-прокалку, восстановление, комплектацию партии порошка диоксида урана, смешивание с пластификатором, формование таблетки, спекание, шлифование, сушку и контроль качества таблеток, непрерывное двухстадийное осаждение полиураната аммония из азотнокислого раствора уранилнитрата в процессе получения порошка, и оборудование для осуществления этого способа, состоящее из ячейки испарения, гидролизатора, каскада экстракторов-реэкстракторов, трехкаскадного реактора-осадителя, установки фильтрации, шнека-питателя, печи сушки-прокалки, бункера-накопителя, шнека-питателя, печи восстановления, шнека-холодильника, смесителя, пресс-автомата, печи спекания, бесцентрошлифовального станка, установки сушки и установки контроля таблеток, емкостей растворения отходов, точечных измерителей технологических параметров и пультов управления каждой единицы оборудования, недостатком которых является точечное измерение технологических параметров отдельных единиц оборудования с пультами управления ими и значительное количество ручных операций, что усложняет ведение технологического процесса, снижает оперативность.

Технической задачей изобретения является оптимизация режима технологического процесса и оперативного управления им.

Поставленная задача решается тем, что на автоматизированном участке изготовления таблеток ядерного топлива, содержащем оборудование, состоящее из ячейки испарения, гидролизатора, каскада экстракторов-реэкстракторов, трехкаскадного реактора-осадителя, установки фильтрации, шнека-питателя, печи сушки-прокалки, бункера-накопителя со шнеком-питателем, печи восстановления, шнека-холодильника, смесителя, пресс-автомата, печи спекания, бесцентрошлифовального станка, установки сушки, установки контроля таблеток, емкостей растворения отходов, точечных измерителей технологических параметров и пультов управления каждой единицы оборудования, согласно изобретению, каждая единица оборудования снабжена измерителями технологических параметров и исполнительными механизмами, которые с пультами управления объединены в систему управления технологическим процессом, состоящую из блока датчиков технологических параметров и исполнительных механизмов, блока логического программирования, блока операторских станций, при этом блок датчиков технологических параметров и исполнительных механизмов построен модульно по функциональным признакам и видам измеряемых параметров и состоит из модуля датчиков уровня, температуры, расхода, давления, концентрации, модуля регулирования указанных параметров, модуля индикации и модуля управления оборудованием и исполнительными механизмами, блок логического программирования состоит из центрального и коммуникационного процессоров, интерфейсного модуля и модулей ввода-вывода, блок операторских станций состоит из мониторов, системных блоков, коммутационных процессоров, клавиатур, «мыши», а емкости растворов урана дополнительно снабжены измерителями геометрических размеров емкостей и на их патрубках ввода-вывода дополнительно установлены измерители концентрации раствора урана.

Указанная совокупность признаков является новой, обладает изобретательским уровнем и позволяет решить поставленную задачу, то есть оптимизировать режимы технологического процесса и оперативно управлять им, и позволяет достичь сокращения количества аварийных ситуаций и времени простоя оборудования для достижения его оптимальной загрузки, снизить затраты на ремонт оборудования за счет оперативного выявления его неисправностей и уменьшения трудоемкости эксплуатации оборудования, повысить производительность и улучшить условия труда персонала, занятого управлением, сбором и анализом информации. Установка дополнительных измерителей концентрации урана на входе-выходе емкостей растворения и измерение геометрических размеров емкостей повышает контроль ядерной безопасности.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена блок-схема автоматизированного участка изготовления таблеток ядерного топлива.

На фиг.2 - блок-схема управления участком.

Автоматизированный участок изготовления таблеток ядерного топлива состоит из ячейки испарения 1, гидролизатора 2, каскада экстракторов-реэкстракторов 3, 4, трехкаскадного реактора-осадителя 5, установки фильтрации 6, шнека-питателя 7, печи сушки-прокалки 8, бункера-накопителя 9 со шнеком-питателем 10, печи восстановления 11, шнека-холодильника 12, ячейки комплектации партии порошка 13, смесителя 14, пресс-автомата 15, печи спекания 16, бесцентрошлифовального станка 17, установки сушки 18, установки контроля таблеток 19, емкостей растворения 20, 21, 22 с измерителями концентрации урана на патрубках ввода-вывода и измерителями геометрических размеров емкостей.

Каждая единица технологического оборудования снабжена измерителями технологических параметров (датчики, преобразователи) и исполнительными механизмами (клапаны, задвижки, насосы, мешалки, пульсаторы).

Все измерители технологических параметров, исполнительных механизмов с пультами управления объединены в систему управления технологическим процессом.

Система управления технологическим процессом состоит из блоков 23 датчиков технологических параметров с исполнительными механизмами, построенными модульно по функциональным признакам и видам измеряемых параметров, блока 24 логического программирования, блока 25 операторских станций и включает источник питания 26, модули центрального процессорного устройства 27, коммуникационного процессора 28, станции распределенного ввода-вывода 29, модули ввода дискретных сигналов 30, модули ввода аналоговых сигналов 31, модули вывода дискретных сигналов 32, модули вывода аналоговых сигналов 33, коммуникационные процессоры операторских станций 34, датчики верхних и нижних уровней в емкостях и технологических аппаратах 35, датчики состояния запорных клапанов 36, датчики включения центрифуги, насосов, мешалок, пульсаторов 37, датчики включения экстракторов 38, лампы сигнализации верхнего или нижнего уровней в емкостях и технологических аппаратах на щитах сигнализации 39, модули управления запорными клапанами 40, управления центрифугой, насосами, мешалками, пульсаторами 41, управления нагревателями раствора на осаждение 42, датчики непрерывного уровня в емкостях и технологических аппаратах 43, температуры в технологических аппаратах 44, давлений технологических параметров 45, концентраций урана в потоках технологических растворов 46, концентраций растворов азотной кислоты 47, значений рН в технологических растворах 48, расходов 49, модули управления клапанами, регулирующими расходы технологических растворов 50, управления клапанами, регулирующими температуру технологических растворов 51, управления нагревателями, регулирующими температуру технологических растворов и аппаратов 52, сигнализаторы наличия водорода 53, датчики контроля вращения шнеков, реторт, узлов 54, датчики контроля геометрии емкостей 55. Блоки 23 измерителей технологических параметров с исполнительными механизмами образуют нижний уровень системы управления технологическим процессом, блок 24 логического программирования образует средний уровень системы управления технологическим процессом, блок 25 операторских станций образует верхний уровень системы управления технологическим процессом.

Оборудование нижнего и среднего уровней образуют систему сбора данных. Система сбора данных реализует сбор и предварительную обработку измерительной информации от датчиков, формирование и выдачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы. Датчики и исполнительные механизмы располагаются непосредственно на технологическом оборудовании.

Ядром системы управления (блок 24) является программируемый логический контроллер, оснащенный модулями ввода-вывода и системой бесперебойного питания. Модули соединяются между собой промышленной сетью полевого уровня.

Уровень программируемого логического контроллера, а также вторичные приборы располагаются в щитовой и диспетчерском пункте. Оборудование, установленное в щитовой и диспетчерском пункте, выполняет функции сбора и обработки информации, а также формирования управляющих воздействий для исполнительных механизмов. Оно обеспечивает управление технологическим процессом и оборудованием в соответствии с заданными алгоритмами функционирования, системой аварийных защит и сигнализации.

Уровень программируемого логического контроллера выполняет функции сбора информации с датчиков с аналоговым или дискретным выходным сигналом, масштабирование сигналов датчиков с аналоговым выходным сигналом - аналоговых датчиков, диагностику их состояния, а именно: короткое замыкание канала ввода контролируемого параметра установки, обрыв канала ввода контролируемого параметра установки, выход контролируемого параметра установки за верхнюю или нижнюю границы номинального диапазона аналогового датчика; диагностику обрыва цепей управления исполнительных механизмов с аналоговым управляющим сигналом, непрерывное автоматическое управление регулирующими клапанами и нагревателями с целью стабилизации технологических параметров процесса, управление исполнительными механизмами с дискретным управляющим сигналом в режимах «ручной» и «автоматический», контроль исправности дискретных исполнительных механизмов, вычисление суммарного расхода любых жидкостей и газов, сигналы расходов которых присутствуют в системе, включение аварийно-предупредительной сигнализации в диспетчерском пункте, организация связи с верхним уровнем системы. Таким образом, управление ходом технологического процесса осуществляется независимо от работоспособности верхнего уровня системы.

Блок 25 операторских станций состоит из трех мест операторов и программного комплекса, который выполняет функции организации связи с нижним уровнем системы, отображения технологического процесса в удобном для оператора виде мнемосхем переделов, возможности управления дискретными исполнительными механизмами в режиме «ручной», архивирование степени открытия и нагрева всех регулирующих клапанов и нагревателей, наличия контекстно-зависимой справочной системы, которая позволяет оператору-технологу получать информацию по алгоритмам работы прямо на операторской станции, и сервисные функции и осуществляет передачу информации от программируемого логического контроллера на оперативный уровень, а также прием команд с использованием промышленной сети полевого уровня. Скорость передачи данных 1,5 Мбит/с.

Типовой контур регулирования рассмотрим на примере регулирования температуры первой зоны печи восстановления 11.

Стандартный чувствительный элемент - термопара в защитной гильзе - помещен в полость первой зоны печи восстановления 11. В головку термопары встроен нормирующий преобразователь, преобразующий сигнал термоэлектрических преобразователей в унифицированный сигнал 4-20 мА постоянного тока. С помощью экранированного кабеля по двухпроводной токовой схеме данный сигнал подается на модуль ввода аналоговых сигналов 31.

Модуль ввода аналоговых сигналов преобразует аналоговую величину, получаемую из технологического процесса, в цифровую форму. Разрешающая способность модулей установлена 14 бит плюс знаковый разряд. Преобразования происходят по прерываниям с циклом 100 мс.

Определенное количество модулей (максимум 8) ввода или вывода аналоговых или дискретных сигналов, объединенных по функциональным или иным признакам, составляет станцию распределенного ввода-вывода.

С помощью интерфейсного модуля станции распределенного ввода 29 подключаются к промышленной сети полевого уровня в качестве ведомых сетевых устройств. Промышленная сеть полевого уровня - витая пара с двойным экранированием жил со скоростью передачи данных до 12 Мбит/с, обеспечивающая высокую помехозащищенность передачи информации. Интерфейсный модуль обеспечивает комплексную обработку задач по обмену данными с ведущим сетевым устройством центральным процессорным устройством 27 - ЦПУ, которое осуществляет опрос входных сигналов станции распределенного ввода-вывода и формирует ее выходные сигналы, анализируя код цифрового сигнала модуля аналогового ввода диагностики состояния аналогового датчика, затем проводит масштабирование кода цифрового сигнала модуля аналогового ввода в непосредственное значение измеряемой физической величины - температуры первой зоны печи восстановления 11. Данное значение поступает на программный PID-регулятор, который производит вычисление необходимого воздействия на исполнительный механизм для поддержания требуемой технологической установки температуры первой зоны печи восстановления 11. Коэффициенты PID-регулятора синтезированы для получения оптимальных, исходя из критериев минимального времени переходного процесса, монотонности переходного процесса и необходимого запаса устойчивости по модулю и фазе, параметров переходного процесса.

ЦПУ проводит обратное масштабирование вычисленного воздействия на исполнительный механизм в код цифрового сигнала модуля вывода аналоговых сигналов 33, который, в свою очередь, преобразует цифровой код в унифицированный токовый сигнал 0-5 мА управления тиристорным регулятором напряжения 52. Разрешающая способность модулей установлена 12 бит плюс знаковый разряд. Преобразования происходят по прерываниям с циклом 100 мс. Тиристорный регулятор напряжения обеспечивает стабилизацию действующего значения заданного напряжения на ТЭНах первой зоны печи восстановления 11.

Аналогично происходит управление всеми технологическими параметрами.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить качество изготовления таблеток.

Изобретение относится к области атомной промышленности и может использоваться для усовершенствования процесса получения спеченных таблеток из керамических материалов для ядерного топлива, в частности для получения спеченных таблеток из диоксида урана, применяемых для снаряжения тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Техническим результатом изобретения является оптимизация режима технологического процесса и оперативного управления им. Автоматизированный участок изготовления таблеток ядерного топлива содержит оборудование, состоящее из ячейки испарения, гидролизата, каскада экстракторов-реэкстракторов, трехкаскадного реактора-осадителя, установки фильтрации, шнека-питателя, печи сушки-прокалки, бункера-накопителя со шнеком-питателем, печи восстановления, шнека-холодильника, смесителя, пресс-автомата, печи спекания, бесцентрошлифовального станка, установки сушки, установки контроля таблеток, емкостей растворения отходов, точечных измерителей технологических параметров и пультов управления каждой единицы оборудования. Каждая единица оборудования снабжена измерителями технологических параметров и исполнительными механизмами, которые с пультами управления объединены в систему управления технологическим процессом, состоящую из блока датчиков технологических параметров и исполнительных механизмов, блока логического программирования, блока оперативных станций. Блок датчиков технологических параметров и исполнительных механизмов построен модульно по функциональным признакам и видам измеряемых параметров и состоит из модуля датчиков уровня, температуры, расхода, давления, концентрации, модуля регулирования указанных параметров, модуля индикации и модуля управления оборудованием и исполнительными механизмами. Блок логического программирования состоит из центрального и коммутационного процессоров, интерфейсного модуля и модулей ввода-вывода. Блок оперативных станций состоит из мониторов системных блоков, коммутационных процессоров, клавиатуры, а емкости растворов урана дополнительно снабжены измерителями геометрических размеров емкостей, и на их патрубках ввода-вывода дополнительно установлены измерители концентрации раствора урана. 2 ил.

Автоматизированный участок изготовления таблеток ядерного топлива, содержащий оборудование, состоящее из ячейки испарения, гидролизатора, каскада экстракторов-реэкстракторов, трехкаскадного реактора-осадителя, установки фильтрации, шнека-питателя, печи сушки-прокалки, бункера-накопителя со шнеком-питателем, печи восстановления, шнека-холодильника, смесителя, пресс-автомата, печи спекания, бесцентрошлифовального станка, установки сушки, установки контроля таблеток, емкостей растворения отходов, точечных измерителей технологических параметров и пультов управления каждой единицы оборудования, отличающийся тем, что каждая единица оборудования снабжена измерителями технологических параметров и исполнительными механизмами, которые с пультами управления объединены в систему управления технологическим процессом, состоящую из блока датчиков технологических параметров и исполнительных механизмов, блока логического программирования, блока оперативных станций, при этом блок датчиков технологических параметров и исполнительных механизмов построен модульно по функциональным признакам и видам измеряемых параметров и состоит из модуля датчиков уровня, температуры, расхода, давления, концентрации, модуля регулирования указанных параметров, модуля индикации и модуля управления оборудованием и исполнительными механизмами, блок логического программирования состоит из центрального и коммутационного процессоров, интерфейсного модуля и модулей ввода-вывода, блок оперативных станций состоит из мониторов системных блоков, коммутационных процессоров, клавиатуры и емкости растворов урана дополнительно снабжены измерителями геометрических размеров емкостей и на их патрубках ввода-вывода дополнительно установлены измерители концентрации раствора урана.