СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КАСКАДОМ ГАЗОВЫХ ЦЕНТРИФУГ ДЛЯ ОБОГАЩЕНИЯ УРАНА Российский патент 2008 года по МПК B01D59/00 B01D59/20 

Изобретение относится к технологии разделения изотопов урана методом газового центрифугирования и может быть использовано в автоматизированной системе управления центрифужными каскадами.

Заводы по разделению изотопов урана представляют собой сложные системы, состоящие из каскадного объединения газовых центрифуг, связанных между собой межкаскадными потоками рабочего газа в единую технологическую схему [патенты GB №2086770, B01D 59/20. Опубл. 19.05.1982; FR №2370506, B01D 59/20. Опубл. 14.07.1978; DE №3321823, B01D 59/20. Опубл. 31.01.1985; кн.: Изотопы: свойства, получение, применение. /Под ред. В.Ю.Баранова. М.: ИздАТ, 2000. С.143-144].

Особое место в силу простоты коммуникаций при прямоугольном размещении массива газовых центрифуг занимает каскад постоянной ширины, в котором все ступени имеют одинаковое или близкое число центрифуг [см. кн.: Изотопы: свойства, получение, применение. В 2-х томах. T.1. / Под ред. В.Ю.Баранова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005, с.218]. Длина каскада определяет необходимую степень концентрирования целевого изотопа. От ширины каскада (от количества центрифуг в ступенях) зависит количество производимых изотопов. Большинство промышленных установок каскадного типа выполнены подобным образом и представляют собой каскады с двумя потоками подпитки, разделяющие массив центрифуг на три части (центральную часть и две концевые - отборную и отвальную). Центральные части обеспечивают основную производительность каскадов и могут при некоторых конфигурациях схемы завода достигать 100% размера отдельных каскадов [патент GB №1593316, В01D 59/20. Опубл. 15.07.1981] (аналог).

Каждый каскад характеризуется числом ступеней p_j, числом газовых центрифуг в ступенях N_i=N_j/p_j, номерами ступеней m_j и (n+1)_j подвода межкаскадных потоков внешнего питания (подпитки). Условия работы центрифужного каскада определяются тремя группами управляющих параметров:

- величинами входящих межкаскадных (подпитывающих) F_m, F_n+1 и выходящих (отборных) F_p потоков (за исключением потока отвала F_w);

- изотопными концентрациями изотопной газовой смеси входящих (C_m, C_n+1) и выходящих (C_p и C_w) потоков;

- давлением на межступенных коллекторах отвала (P_w).

Известен способ управления установкой каскадного типа для обогащения урана [заявка JP №57-44369, МПК В01D 59/20. Опубл. 21.09.1982] (аналог), где между ступенями газовых центрифуг, объединенных в каскады, установлены регулирующие клапаны, степень открывания которых меняют пропорционально отклонению от расчетных величин, измеряемых на заданных участках установки значений давления, величин массовых расходов межступенных потоков и концентрации целевого изотопа в изотопной газовой смеси с использованием коэффициентов усиления, определенных по обратной или псевдообратной матрице, составленной в соответствии с матрицей коэффициентов изменения всех измеряемых параметров. Матрицу изменения параметров ступеней получают в результате проведения оптимизационного расчета каскада.

Согласно этому способу управление гидравлическим режимом каскада производится под соответствие расчетной технологической схеме путем:

- поддержания расчетных значений массовых расходов потоков питания и отбора;

- поддержания расчетных значений давления на межступенных коллекторах ступеней каскада;

- поддержания изотопной концентрации потоков подпитки и отбора, близкой к расчетным величинам.

Однако при практической реализации способа имеет место неконтролируемая погрешность в управлении гидравлическим режимом каскада, связанная, главным образом, с точностью поддержания расходов межкаскадных потоков, несоответствия фактических межступенных потоков питания и коэффициентов деления потока на ступенях расчетным значениям. Несоответствие обусловлено разбросом гидравлических характеристик ступеней из-за статистического различия характеристик газовых центрифуг, образующегося при их массовом изготовлении.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ управления каскадом газовых центрифуг для обогащения урана [заявка RU №2003120288/15, МПК 7 В01D 59/20. Приоритет от 02.07.2003. Опубл. 10.02.2005. Бюл. №4] с близким или равным числом центрифуг в ступенях, объединенных межступенными потоками циркуляции изотопной газовой смеси, имеющим отборные потоки в отборной и отвальной частях каскада, два межкаскадных потока подпитки каскада, между которыми расположена центральная часть каскада, критические диафрагмы и/или регулирующие клапаны для установки и коррекции массовых расходов отборных и межкаскадных потоков, включающий предварительный оптимизационный расчет каскада для определения матричных коэффициентов газодинамических параметров ступеней и последующую настройку каскада на оптимальный массовый расход транзитного потока изотопной газовой смеси в направлении отвальной части каскада путем изменения массовых расходов отборных и/или межкаскадных потоков по результатам измерения изотопной концентрации изотопной газовой смеси межступенных потоков в характерных точках каскада, коррекцию массовых расходов потоков ведут в отборной части каскада пропорционально величине относительной разности изотопных концентраций межступенных потоков питания ступени, определяемой по результатам измерения фактических изотопных концентраций изотопной газовой смеси в межступенных потоках.

Кроме того, коррекцию массовых расходов потоков ведут пропорционально величине относительной разности изотопных концентраций межступенных потоков питания ступени, определенной для крайних ступеней центральной части каскада через коррекцию давления изотопной газовой смеси у критической диафрагмы, величину которого определяют из соотношения

где ΔР_i - величина коррекции давления изотопной газовой смеси у критической диафрагмы на ступени подпитки и/или отбора, Па;

d_i - диаметр проходного отверстия критической диафрагмы, м;

K_i - тарировочный коэффициент соответствующей критической диафрагмы;

Δτ - отклонение фактического массового расхода транзитного потока от расчетной величины, г/с,

τ_ф - фактический массовый расход транзитного потока, г/с,

F_p -расчетный массовый расход отборного потока в отборной части каскада, г/с;

F_n+1 -расчетный массовый расход межкаскадного потока подпитки в (n+1)-ю ступень отборной части каскада, г/с.

Недостатком способа является то, что для его реализации необходимо одновременно контролировать фактическую концентрацию целевого изотопа в двух межступенных потоках на крайних ступенях центральной части каскада, в которые подводится внешнее питание. Таким образом, для реализации способа необходим контроль фактической концентрации целевого изотопа рабочего газа в четырех характерных точках каскада. Поскольку определение фактической концентрации целевого изотопа осуществляется с некоторой ошибкой, то, несмотря на формальное совпадение результатов измерения фактической изотопной концентрации с расчетной, неопределенность в фактическом массовом расходе транзитного потока остается. Причем величина этой ошибки пропорциональна числу характерных точек контроля.

Кроме того, на фактическую величину массового расхода транзитного потока могут оказывать влияние и факторы, не рассматриваемые в оптимизационном расчете центрифужного каскада.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи упрощения и повышения точности управления гидравлическим режимом каскада в соответствии с расчетной технологической схемой оптимального каскада.

Указанная выше задача достигается техническим решением, состоящим в том, что в способе управления каскадом газовых центрифуг для обогащения урана с близким или равным числом центрифуг в ступенях, объединенных межступенными потоками циркуляции изотопной газовой смеси, имеющим отборные потоки в отборной и отвальной частях каскада, два потока подпитки каскада, между которыми расположена центральная часть каскада, включающем предварительный оптимизационный расчет каскада для определения матричных коэффициентов газодинамических параметров ступеней и последующую настройку каскада на оптимальный массовый расход транзитного потока изотопной газовой смеси в направлении отвальной части каскада изменением в отборной части каскада массовых расходов потоков отбора и/или подпитки по результатам измерения концентрации целевого изотопа изотопной газовой смеси в межступенном потоке характерной ступени каскада, изменение массовых расходов потоков ведут пропорционально величине отклонения в межступенном потоке срединной ступени центральной части каскада фактической концентрации целевого изотопа изотопной газовой смеси от оптимальной, полученной из оптимизационного расчета.

Кроме того, перечисленные выше задачи достигаются также дополнительными техническими решениями, заключающимися в том, что для выбора срединной ступени центральной части каскада выполняют дополнительный расчет концентрации целевого изотопа в межступенных потоках центральной части каскада при отклонении массового расхода транзитного потока от оптимальной величины и определяют ступень с наибольшим отклонением расчетной концентрации от оптимальной, что фактическую концентрацию целевого изотопа изотопной газовой смеси определяют в обедненном межступенном потоке срединной ступени каскада.

Основной отличительной особенностью способа является то, что управление прямоугольным каскадом газовых центрифуг с двумя потоками подпитки осуществляют по величине отклонения фактической концентрации изотопа уран-235 в межступенном потоке срединной ступени центральной части каскада от оптимального значения, полученного в оптимизационном расчете.

При отклонении массового расхода транзитного потока от оптимальной величины в центральной части каскада меняется распределение изотопных концентраций рабочего газа. Причем наибольшая разница между значениями фактической и оптимальной концентрациями создается на некой срединной ступени, которая достаточно точно определяется расчетным путем. Для этого, после построения оптимального центрифужного каскада под выполнение конкретного коммерческого заказа, выполняют дополнительный расчет для определения матричных коэффициентов газодинамических параметров ступеней оптимального каскада в условиях отклонения массового расхода транзитного потока от оптимальной величины. Получают набор концентраций целевого изотопа в межступенных потоках ступеней центральной части каскада. По набору концентраций выделяют ступень, имеющую наибольшее отклонение расчетной концентрации от оптимальной. Выделенную срединную ступень оснащают прибором инструментального контроля изотопной концентрации рабочего газа. Причем при наработке обогащенной урановой продукции инструментальный контроль целесообразно вести в потоке обедненной фракции выделенной ступени, как имеющем наибольшее давление рабочего газа в трассе, поскольку точность инструментального контроля пропорциональна величине давления рабочего газа.

На фиг.1 показана схема центрифужного уранового завода, состоящая из трех прямоугольных каскадов газовых центрифуг постоянной ширины, где в центральной части четырехпоточных каскадов выделены срединные ступени; на фиг.2 приведена диаграмма изменения концентрации делящегося изотопа уран-235 по ступеням относительно распределения, характерного для оптимального каскада, при отклонении массового расхода транзитного потока от оптимального значения.

Схема завода из каскадов 1, 2 и 3 газовых центрифуг (см. фиг.1) имеет поток 4 внешнего питания сырьевым гексафторидом урана, отборный поток 5 обогащенной по изотопу уран-235 фракции гексафторида урана массовым расходом F_p и отвальный поток 6 обедненной по изотопу уран-235 фракции гексафторида урана массовым расходом F_w. Каждый каскад характеризуется потоком 7 отбора обогащенной фракции последней (отборной) ступени, потоком 8 отбора обедненной фракции первой ступени, потоком 9 закрутки на последней ступени. Отборные потоки каскада 1 и каскада 2 через межкаскадные коммуникации образуют потоки 8 и 10 подпитки последующих каскадов 2 и 3 соответственно.

Поток 4 и межкаскадные потоки 8 и 10 делят массив газовых центрифуг каскадов 1, 2 и 3 соответственно на отборную 1₁ и отвальную 1₃ части для каскада 1, на отборные 2₁ и 3₁, центральные 2₂, и 3₂ и отвальные 2₃, и 3₃ части для каскадов 2 и 3. Каскады завода составлены из ступеней 11, представляющих собой параллельно сочлененные газовые центрифуги. Ступени каскадов объединены между собой межступенными потоками 12 и 13 соответственно обогащенной и обедненной фракций изотопной газовой смеси с концентрацией целевого изотопа в i-й ступени С_i ⁺ и С_i ^- соответственно.

Для стабилизации гидравлического режима каскадов и ступеней на отборных (подпитывающих) потоках 8 в отвальной части каскадов, на потоке 6 отвала каскада и межступенных потоках 13 обедненной фракций изотопной газовой смеси установлены регуляторы 14 давления. Задание и корректировку расходов потока 4 и отборных (подпитывающих) потоков 10 осуществляют с помощью регуляторов 15 потока, которые установлены перед критическими диафрагмами 16. Регуляторами 14 и 15 гидравлический режим массива газовых центрифуг по данным матричных коэффициентов газодинамических параметров ступеней, полученных в оптимизационном расчете, настраивают оптимальный массовый расход транзитного потока 17 в центральной части каскадов 2 и 3.

Подпитка каскада 2 или 3 потоками 8 и 10 ведется на вход ступеней с номерами m₂ и (n+1)₂, m₃ и (n+1)₃ соответственно, имеющих изотопную концентрацию межступенных потоков питания ступени, близкую или равную изотопной концентрации межкаскадного потока подпитки.

На коллекторах потоков 4, 5 и 10 у критических диафрагм 16, а также на коллекторах потоков 6, 8 и 13 перед регуляторами давления 14 установлены датчики давления 18.

Инструментальный контроль концентрации целевого изотопа С_s ^- изотопной газовой смеси осуществляют измерителем 19 массовой доли, который установлен на коллекторе межступенного потока 13 обедненной фракции срединной ступени с номером i=s центральной части каскадов 2 и 3 (на фиг.1 для упрощения установка измерителя 19 показана только для каскада 5). Регуляторы 15 потока, датчики 18 давления и измерители 19 функционально связаны с информационной шиной системы управления каскадами, где вычисляется отношение фактически измеренной концентрации целевого изотопа к оптимальной концентрации для данной ступени с последующей выдачей сигнала на изменение положения регуляторов 15 потока в случае отклонения отношения от единицы.

Способ управления каскадом газовых центрифуг реализуют следующим образом. Проводят оптимизационный расчет конфигурации массива газовых центрифуг для выполнения коммерческого заказа в соответствии с изотопной концентрацией сырьевого гексафторида урана и требуемой концентрацией изотопа урана-235 в товарном обогащенном гексафториде урана. При этом считается, что концентрация изотопа урана-235 в отборном потоке (товарном обогащенном гексафториде урана) задана, а концентрация изотопа урана-235 в отвале каскада определяется экономической оптимизацией с учетом стоимости сырья и работы разделения. В соответствии с имеющимся массивом газовых центрифуг и числом ступеней в каскадах схемы завода определяют оптимальные массовые расходы межкаскадных потоков подпитки F_n+1 каскадов 2, 3 и отборного потока F_p в отборной части каскада 3. Рассчитывают оптимальные массовые расходы межступенных потоков 12 и 13 и распределение оптимальной концентрации урана-235 C^- _опт в потоках гексафторида урана по ступеням каскадов 1, 2 и 3.

Фактические межступенные потоки каскадов подстраивают под оптимальный гидравлический режим. Для этого в каскадах 2 и 3 регуляторами 14 устанавливают давление гексафторида урана в межступенных потоках 13 обедненной фракции изотопной газовой смеси согласно результатам расчета матричных коэффициентов газодинамических параметров ступеней. Дальнейшее поддержание этого давления ведется в пределах возможной точности регулирования. Задают оптимальный массовый расход транзитного потока в центральной части каскада, как τ_опт=F_p-F_n+1, путем установки давления у критической диафрагмы 16 регуляторами 15 на коллекторах потоков 5 и 10 каскадов 2 и 3.

Далее для оптимально сформированных каскадов 2 и 3 выполняют дополнительный расчет, заключающийся в том, что задают некоторое отклонение Δτ массового расхода транзитного потока от оптимальной величины и определяют распределение расчетной концентрации изотопа уран-235 C_s ^- _расч в потоке 13 изотопной газовой смеси по ступеням центральной части каскадов. В центральной части каскадов 2 и 3 находят ступени с номером i=s, где s различно для каскадов, в потоке 13 которых происходит наибольшее отклонение С_s ^- _расч от С_s ^- _опт. На коллекторы потока 13 обедненной фракции ступеней с номерами s устанавливают измерители массовой доли изотопа уран-235.

После достижения стационарного гидравлического режима управление каскадами 2 и 3 ведут по результатам измерения фактической концентрации изотопа уран-235 C_s ^-_факт в межступенном потоке 13 ступеней с номером s путем периодического подсчета отношения C_s ^- _факт/C_s ^- _опт. Если обнаруживается существенное отклонение C_s ^- _факт/C_s ^- _опт от единицы, то при необходимости корректируют массовый расход потоков 5 и 10 таким образом, чтобы вернуть отношение C_s ^- _факт/C_s ^- _опт в интервал значений, близких к единице. Это соответствует оптимальной величине транзитного потока каскадов.

В качестве примера конкретного выполнения способа на фиг.2 показаны результаты дополнительного расчета по влиянию изменения массового расхода транзитного потока Δt в каскаде 3 на отклонение концентрации в потоке обедненной фракций изотопной газовой смеси C_s ^- _расч ступеней каскада от оптимального распределения. Центрифужный каскад 1 и центральные части центрифужных каскадов 2 и 3 состояли соответственно из 6, 10 и 19 ступеней газовых центрифуг. При изменении массового расхода транзитного потока в каскадах 2 и 3 на Δτ, равное ±30% оптимальной величины, максимальное отклонение C_s ^- _расч/C_s ^- _опт в центральной части каскада 2 достигло 22% (отн.) (соответственно кривые 20 и 27) и в центральной части каскада 3-21% (отн.) (соответственно кривые 22 и 23). Для трехпоточного каскада 1 изменение ΔC_s ^- не столь значительно (кривая 24).

Изменение Δτ массового расхода транзитного потока для срединной части каскада 3 может произойти за счет погрешности установки массового расхода потока 10 или 5.

Как следует из фиг.2, отклонение концентрации на соседних каскадах 2 и 3 при изменении общего межкаскадного потока 10 имеют противоположный знак. Кривые 20 и 22 соответствуют увеличению массового расхода транзитного потока, кривые 27 и 23 - уменьшению.

Наибольшее отклонение концентрации целевого изотопа в рабочем газе от оптимального распределения произошло в каскаде 2 на ступени центральной части с номером i=5 и в каскаде 3 на ступени центральной части с номером i=8. Причем в центральной части каскада 3 наибольшее отклонение концентрации произошло на срединной, но не на центральной ступени. Установка на межступенных потоках центральной 5-й и срединной 8-й ступенях центральных частей каскадов 2 и 3 измерителей массовой доли изотопа урана-235 позволила оперативно реагировать на отклонение межкаскадных потоков от оптимальной величины.

При существующей погрешности (не более 0,5% отн.) технических средств измерения массовой доли изотопа уран-235 в гексафториде урана масс-спектрометрическим или радиационным способом точность определения C_s ^- _факт составляет ±1% абс. Фактический расход транзитного потока устанавливается с точностью ±(2÷4) % относительно оптимального значения.

Таким образом, предлагаемое техническое решение является основой для реализации простого и эффективного способа управления каскадом газовых центрифуг уранового завода, обеспечивающего повышение качества управления. Для внедрения способа необходимо лишь оснащение одного межступенного потока четырехпоточного каскада инструментальным прибором экспресс контроля массовой доли изотопа уран-235 в гексафториде урана.

Изобретение может быть использовано в технологии обогащения урана. Каскад газовых центрифуг для обогащения урана с близким или равным числом центрифуг в ступенях, объединенных межступенными потоками циркуляции изотопной газовой смеси, имеет отборные потоки в отборной и отвальной частях каскада, два потока подпитки каскада, между которыми расположена центральная часть каскада. Способ управления каскадом включает предварительный оптимизационный расчет каскада для определения матричных коэффициентов газодинамических параметров ступеней. Затем каскад настраивают на оптимальный массовый расход транзитного потока изотопной газовой смеси в направлении отвальной части каскада изменением в его отборной части массовых расходов потоков отбора и/или подпитки пропорционально величине отклонения в межступенном потоке срединной ступени центральной части каскада фактической концентрации целевого изотопа от оптимальной, полученной из оптимизационного расчета. Срединную ступень центральной части каскада выбирают дополнительным расчетом концентрации целевого изотопа в межступенных потоках центральной части каскада при отклонении массового расхода транзитного потока от оптимальной величины и определяют ступень с наибольшим отклонением расчетной концентрации от оптимальной. Фактическую концентрацию целевого изотопа определяют в обедненном межступенном потоке срединной ступени каскада. Изобретение позволяет повысить точность управления и упростить его. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления каскадом газовых центрифуг для обогащения урана с близким или равным числом центрифуг в ступенях, объединенных межступенными потоками циркуляции изотопной газовой смеси, имеющим отборные потоки в отборной и отвальной частях каскада, два потока подпитки каскада, между которыми расположена центральная часть каскада, включающий предварительный оптимизационный расчет каскада для определения матричных коэффициентов газодинамических параметров ступеней и последующую настройку каскада на оптимальный массовый расход транзитного потока изотопной газовой смеси в направлении отвальной части каскада изменением в отборной части каскада массовых расходов потоков отбора и/или подпитки по результатам измерения концентрации целевого изотопа изотопной газовой смеси в межступенном потоке характерной ступени каскада, отличающийся тем, что изменение массовых расходов потоков ведут пропорционально величине отклонения в межступенном потоке срединной ступени центральной части каскада фактической концентрации целевого изотопа изотопной газовой смеси от оптимальной, полученной из оптимизационного расчета.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для выбора срединной ступени центральной части каскада выполняют дополнительный расчет концентрации целевого изотопа в межступенных потоках центральной части каскада при отклонении массового расхода транзитного потока от оптимальной величины и определяют ступень с наибольшим отклонением расчетной концентрации от оптимальной.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что фактическую концентрацию целевого изотопа изотопной газовой смеси определяют в обедненном межступенном потоке срединной ступени каскада.