CN103105194A - 脉冲萃取柱参数吹气测量与界面控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核电站乏燃料后处理工艺中脉冲萃取柱液位、界面、密度、柱重参数计算，具体涉及一种脉冲萃取柱参数吹气测量与界面控制方法。目的是准确计算脉冲萃取柱测量参数值，并使该数值能够稳定真实的反映现场工况，进行***界面调节控制，保证脉冲萃取柱***稳定运行。测量方法包括如下步骤：步骤一、采集参与计算的参数；步骤二、进行数据平滑；步骤三、通过压力差数据计算得到萃取柱参数。经过实际使用验证，上述方法在脉冲萃取柱参数测量时，能够准确地测量脉冲萃取柱的参数如液位、柱重、界面等，为工艺操作提供可靠的保障。

Description

脉冲萃取柱参数吹气测量与界面控制方法

技术领域

本发明涉及应用于核电站乏燃料后处理工艺中脉冲萃取柱液位、界面、密度、柱重参数的计算；进一步涉及脉冲萃取柱界面调节控制。

背景技术

脉冲萃取柱是上世纪六十年代根据核电站乏燃料后处理的需要发展起来的，在随后四十多年的工业应用中，脉冲萃取柱所具有的结构和萃取效率方面的优势，使其在乏燃料后处理中得到广泛应用，也成为高放射性废液分离流程中的关键设备之一。

脉冲萃取柱在乏燃料后处理试验厂(中试厂)工艺生产过程中主要用于萃取和反萃，它的运行情况直接影响到工艺生产过程。在脉冲萃取柱的运行过程中，主要是通过液位、界面、柱重等参数来监督柱子的运行情况，以方便工艺操作人员的判断。

在乏燃料处理过程中，由于乏燃料的放射性，脉冲萃取柱均安装于热室之中，选择何种测量方法实现此类设备液位、界面、柱重及倒空信号等关键参数的测量，是一个很重要的环节，选择的测量方法既要能够实现参数的准确测量，同时也要便于热室条件下的检修、维保。

我国老的放射性核设施多采用杆式仪表，此类仪表测量精度低、检修困难、放射性高，易对检修人员及厂房环境造成污染，已不适于测量需要；一些新型仪表，如超声波液位计、密度计、界面仪虽然测量精度高、性能稳定，亦可完成测量工作，但存在强放射环境下仪表的检修维护问题；最终选择采用吹气测量这种测量技术，以期能够快速准确地实现脉冲萃取柱液位、界面和柱重及倒空信号等参数的测量，为工艺***稳定运行提供可靠的数据依据。

但是，目前，还没有能够应用于核电站乏燃料后处理工业生产现场的脉冲萃取柱参数吹气测量与界面控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法，准确计算脉冲萃取柱测量参数值，并使该数值能够稳定真实的反映现场工况，进行***界面调节控制，保证脉冲萃取柱***稳定运行。

本发明是这样实现的：一种脉冲萃取柱参数吹气测量方法，其中，包括如下步骤：

步骤一、采集参与计算的参数；

采集通过吹气方式测量得到的压力差信号ΔP_i，ΔP_W，ΔP_Do、ΔP_Da，ΔP_L，单位kPa；

其中，ΔP_i为界面测量用压力差，单位：Kpa，由2个吹气管进行测量；

在萃取工作过程中，脉冲萃取柱中的界面高度被要求处于预定的控制测量范围之内，在此高度范围的上限和下限处分别布置2根吹气管(Y3-190、Y3-191)，2根吹气管分别连接到差压变送器，下管的单管压力减去上管的单管压力得到ΔP_i，求差的过程由差压变送器完成；

ΔP_W——柱重测量用压力差，kPa；由2个吹气管进行测量，在脉冲萃取柱的板段上端和下端分别布置2根吹气管(Y3-177、Y3-189)，下管的单管压力减去上管的单管压力得到ΔP_W，求差的过程由差压变送器完成；

ΔP_L——液位测量用压力差，kPa；由2个吹气管进行测量，在空气中布置1根上管(Y3-176)，作为标准参考管，另外1根下管设置在上扩大段中底部(Y3-177)，下管的单管压力减去上管的单管压力得到ΔP_L，求差的过程由差压变送器完成；

ΔP_Do、ΔP_Da——密度测量用压力差，分别对应于有机相和水相，kPa；

设置2组共4根吹气管分别对有机相和水相的压差进行测量，对应于萃取时水相连续和有机相连续这两种情况，分别布置，

对于水相连续的情况，此情况下，界面在萃取柱的上扩大段，在上扩大段设置4根吹气管；

测水相密度的上管是在界面控制测量范围下限处，测水相密度的下管是在板段上端；2管压力求差得到ΔP_Da；

测有机相密度的上管是单独设置，在液面以下，在界面控制测量范围上限以上；测有机相密度的下管在界面控制测量范围上限处；2管压力求差得到ΔP_Do；

对于有机相连续的情况，此情况下，界面在萃取柱的下扩大段，在下扩大段设置4根吹气管；

测水相密度的上管在界面控制测量范围的下限处(Y3-191)，测水相密度的下管单独设置(Y3-192)，在界面控制测量范围下限以下；

测有机相密度的下管在界面控制测量范围上限处(Y3-190)；测有机相密度的上管在板段的下端(Y3-189)；

在测量上述变参量的同时，获取预先存储的实际的吹气管管间距H_i、H_Do、H_Da、H_W、H_i，单位(mm)；

步骤二、进行数据平滑；

对现场来的数据进行求平均值算法，该算法为：

OUT＝(IN_n+IN_n-1+........IN_n-19)            n＝20

处理的数据包括：测量信号ΔP_i，ΔP_W，ΔP_Do，ΔP_Do，ΔP_L；

步骤三、通过压力差数据计算得到萃取柱参数；

(1)计算密度

D＝(ΔP_D*10³)/(H_D*g)

式中：

H_D——2个密度测量吹气管位差，mm；可以分别表示：H_Do，H_Da；

ΔP_D——密度测量用压力差，由差压变送器DT测得，kPa；可以分别表示：ΔP_Do，ΔP_Da；

D——密度g/cm³；可以分别表示：D_o，D_a；

(2)计算液位；

上扩大段中，对于水相连续的时候，为两相料液；对于有机相连续的时候，为单一介质；

单一介质：L＝(ΔP_L*10³)/(D_o*g)

两相料液：L＝((ΔP_L-ΔP_i)*10³)/(D_o*g)+H_i

ΔP_L——液位测量用压力差，由差压变送器LT测得，kPa；

ΔP_i——界面测量用压力差，由差压变送器LiT测得，kPa；

D_o——有机相密度，g/cm³；

H_i——2个界面测量吹气管位差，mm；

L——液位，mm；

(3)计算板段间液体密度；

D_w＝(ΔP_W*103)/(H_W*g)

式中：

H_W——柱重测量吹气管位差，mm；

D_w——脉冲萃取柱板段间水相有机相混合液的密度，g/cm³；

ΔP_W——柱重测量差压变送器WT测得的压差，kPa；

在测量得到密度后，将其用于其它计算，既可以得到柱重参数，所以，此处的吹气管称为柱重测量吹气管。

(4)计算界面位置；

公式①： $\mathrm{Li}=\frac{1000\×\mathrm{\ΔPi}-\mathrm{Hi}\×\mathrm{Do}\×g}{(\mathrm{Da}-\mathrm{Do})\×g}$

公式②： $\mathrm{Li}=\frac{1000\×\mathrm{\ΔPi}-\mathrm{Hi}\×\mathrm{Do}\×g}{(\mathrm{Da}-\mathrm{Do})\×g}+H_{\mathrm{Da}}$

L_i——界面(单位：mm)

ΔP_i——界面测量压力(单位：Kpa)

H_i——测界面用两吹气管的管间距

D_o——有机相密度；

D_a——水相密度；

g——重力加速度9.798m/s²

公式①为有机相连续的柱子算法，公式②为水相连续的柱子算法。

一种脉冲萃取柱界面控制方法，其中，包括如下步骤：

步骤1、判断是否存在界面：

计算用于界面测量的2个吹气管间液体的密度；

D_i＝(ΔP_i*10³)/(H_i*g)

ΔP_i——界面测量压力，单位：Kpa；

H_i——测界面用两吹气管的管间距；

g——重力加速度9.798m/s²；

如果D_i接近水相密度，则认为界面超过控制测量范围上限；如果D_i接近有机相密度，则认为界面超过控制测量范围下限；接近的判断标准为差值小于等于0.02g/cm³；此时，判断为不存在界面；反之，判断为存在界面；

步骤2、调节；

不存在界面，超出控制测量范围的时候，由工艺人员手动调节；

存在界面的时候，进行自动控制；当测量得到的界面低于预定值时，从下扩大段进料，即加入水相，当测量得到的界面高于预定值时，从下扩大段提料，即排出水相。

本发明的优点是：经过实际使用验证，上述方法在脉冲萃取柱参数测量时，能够准确地测量脉冲萃取柱的参数如液位、柱重、界面等，为工艺操作提供可靠的保障。

附图说明

图1实施例中，是有机相连续时，安装了吹气管脉冲萃取柱结构示意图。

其中，Y3-176、Y3-177、Y3-189、Y3-190、Y3-191、Y3-192吹气管；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

本发明应用于脉冲萃取柱，其结构如图1所示，上端为上扩大段，中间为板段，下端为下扩散段，下扩散段中，安装有周期性的鼓入气体，使萃取柱的介质产生脉冲波动的脉冲腿，在生产过程中，需要对萃取柱的相关参数进行测量。由于不能采用接触式的测量方式，使用吹气装置作为非接触参数测量的一次装置，其测量值单位为差压，将其转换为操作人员所需的工程单位，这需要采取一套科学的计算方法。上述脉冲萃取柱的运行环境为动态打脉冲条件，使该参数能稳定、真实的反映现场实际工况，参与脉冲萃取柱中不同介质的分界面(简称界面)高度调节，保证脉冲萃取柱***稳定运行，这是一项关键技术。此外，脉冲柱界面测量时，判断在预定控制测量范围内是否存在界面，界面是指萃取柱中水相和有机相的分界面，是进行界面高度计算及界面调节的关键。

本实施例中的方法具体包括如下步骤：

步骤一、采集参与计算的参数；

通过I/O采集模块直接采集现场压差变送器测量的压力差信号ΔP_i，ΔP_W，ΔP_Do、ΔP_Da，ΔP_L，单位kPa；

其中，ΔP_i为界面测量用压力差，单位：Kpa，由2个吹气管进行测量；

在萃取工作过程中，萃取柱中的界面高度被要求处于预定的控制测量范围之内，在此高度范围的上限和下限处分别布置2根吹气管(Y3-190、Y3-191)，2根吹气管分别连接到差压变送器，下管的单管压力减去上管的单管压力得到ΔP_i，求差的过程由差压变送器完成；

ΔP_W——柱重测量用压力差，kPa；由2个吹气管进行测量，在萃取柱的中间部分的上端和下端分别布置2根吹气管(Y3-177、Y3-189)，中间部分指进行水相和有机相进行混合的部分，又称为板段，下管的单管压力减去上管的单管压力得到ΔP_W，求差的过程由差压变送器完成；

ΔP_L——液位测量用压力差，kPa；由2个吹气管进行测量，在空气中布置1根上管(Y3-176)，作为标准参考管，另外1根下管设置在上扩大段中底部，此处，可以共用测量柱重时使用的(Y3-177)，在柱子的中间部分(板段)的上端设置的吹气管；

ΔP_Do、ΔP_Da——密度测量用压力差，分别对应于有机相和水相，kPa；

设置2组共4根吹气管分别对有机相和水相的压差进行测量，对应于萃取时水相连续和有机相连续这两种不同的情况，分别布置在不同位置，

对于水相连续的情况，此情况下，界面在萃取柱的上扩大段，在上扩大段设置4根吹气管；

测水相密度的上管是测界面的下管(界面控制测量范围下限处)，测水相密度的下管是测柱重的上管(板段上端)；2管压力求差得到ΔP_Da；

测有机相密度的上管是单独设置，在液面(即溢流孔)以下，在界面(控制测量范围上限)以上；测有机相密度的下管与测界面的上管(界面控制测量范围上限处)共用；2管压力求差得到ΔP_Do；

对于有机相连续的情况，此情况下，界面在萃取柱的下扩大段，在下扩大段设置4根吹气管；

测水相密度的上管与测界面的下管共用(界面控制测量范围的下限处)(Y3-191)，测水相密度的下管单独设置(Y3-192)，在界面控制测量范围下限以下，此处距萃取柱下扩大段底部为30mm～50mm；

测有机相密度的下管与测界面的上管共用(Y3-190)；测有机相密度的上管是测柱重的下管(板段的下端)(Y3-189)；

在测量上述变参量的同时，获取预先存储的实际的吹气管管间距H_i、H_Do、H_Da、H_W、H_i，单位(mm)；

步骤二、进行数据平滑；

对现场来的数据进行求平均值算法，该算法为：

OUT＝(IN_n+IN_n-1+........IN_n-19)                n＝20

这种算法是将实时采集得的数据与前19个数据一起求平均，这种求平均值的方法可以使数据保持实时性，同时平滑一些数据采集周期内出现的异常数值；我们的数据采集周期定为500ms，20个数据的采集周期为10000ms，换算单位为10s，能够满足对数据的实时显示及控制控制要求；

处理的数据包括：测量信号ΔP_i，ΔP_W，ΔP_Do，ΔP_Do，ΔP_L；

步骤三、通过压力差数据计算萃取柱参数；

(1)计算密度

D＝(ΔP_D*10³)/(H_D*g)

式中：

H_D——2个密度测量吹气管位差，mm；可以分别表示：H_Do，H_Da；

ΔP_D——密度测量用压力差，由差压变送器DT测得，kPa；可以分别表示：ΔP_Do，ΔP_Da；

D——密度g/cm³；可以分别表示：D_o，D_a；

(2)计算液位；

单一介质：L＝(ΔP_L*10³)/(D_o*g)

含两相料液：L＝((ΔP_L-ΔP_i)*10³)/(D_o*g)+H_i

ΔP_L——液位测量用压力差，由差压变送器LT测得，kPa；

ΔP_i——界面测量用压力差，由差压变送器LiT测得，kPa；

D_o——有机相密度，g/cm³；

H_i——2个界面测量吹气管位差，mm；

L——液位，mm；

单一介质、两相料液是指上扩大段中的介质数量，水相连续(比例多的是连续相、少的是分散相)的时候，为两相料液；

有机相连续的时候，为单一介质；

(3)计算柱重；

柱重是指板段间脉冲萃取柱板段间水相有机相混合液的重量，首先计算其密度，由于容积已知，即可以得到重量，或者直接使用密度值也可以；

D_w＝(ΔP_W*10³)/(H_W*g)

式中：

H_W——柱重测量吹气管位差，mm；

D_w——脉冲萃取柱板段间水相有机相混合液的密度，g/cm3；

ΔP_W——柱重测量差压变送器WT测得的压差，kPa；

(4)计算界面位置；

公式①： $\mathrm{Li}=\frac{1000\×\mathrm{Pi}-\mathrm{Hi}\×\mathrm{Do}\×g}{(\mathrm{Da}-\mathrm{Do})\×g}$

公式②： $\mathrm{Li}=\frac{1000\×\mathrm{Pi}-\mathrm{Hi}\×\mathrm{Do}\×g}{(\mathrm{Da}-\mathrm{Do})\×g}+H_{\mathrm{Da}}$

L_i——界面(单位：mm)

P_i——界面测量压力(单位：Kpa)

H_i——测界面用两吹气管的管间距

D_o——有机相密度(此处由操作员设定，单位：g/cm³)

D_a——水相密度(此处由操作员设定，单位：g/cm³)

当ΔP_D测量值受脉冲干扰较大，计算得到的D_o、D_a误差过大，无法用于界面测量和控制，由操作员根据对介质的实际采样、分析结果直接设定；

g——重力加速度9.798m/s²

公式①为有机相连续的柱子算法，公式②为水相连续的柱子算法；

步骤四、参与控制；

脉冲萃取柱界面控制是非常关键的调节***；该调节***的好坏决定着脉冲萃取柱的萃取功能及安全性能；下图是脉冲萃取柱界面调节控制程序块；通过对经过步骤一到步骤三获得的界面数值进行调节控制，最终达到脉冲萃取柱的稳定运行；

1、判断是否存在界面：

计算用于界面测量的2个吹气管间液体的密度；

使用与(1)同样的密度计算公式：

(1)密度测量运算公式

D_i＝(ΔP_i*10³)/(H_i*g)

如果D_i接近水相密度(0.02，单位：g/cm³)，则认为界面超过控制测量范围上限；

如果D_i接近有机相密度，则认为界面超过控制测量范围下限；

超出控制测量范围的时候，由工艺人员手动调节；

2、存在界面的时候，进行自动控制，

即：当测量得到的界面低于预定值时，从下扩大段进料，即加入水相，当测量得到的界面高于预定值时，从下扩大段提料，即排出水相。

通过上述过程，皆可以完成对萃取柱参数的准确测量，并进一步的实现自动控制。

进行控制后，返回步骤一。

上述步骤中使用的管间距为常量，是在进行此方法之前，通过现场物理测量，如使用卷尺等工具，确定吹气管管间距H_i H_D H_W H_i，单位(mm)，确定后的上述参数为常量。

并且，还可以通过差压法验证上述确定了的吹气管管间距H_i H_D H_W H_i，单位(mm)，与现场测量值进行对比，互相验证。

脉冲萃取柱带水相和有机相液体密度的补偿吹气参数测量的运算等都由DCS***实现，这些在SIMATIC PCS7上进行程序开发。

上述过程中，根据ΔP＝ρgh这一基本公式，结合实际情况，推导出适合于脉冲萃取柱使用的各测量参数的计算公式。其中。水相连续和有机相连续的柱子界面高度计算方法上应有区别。

此外，考虑到脉冲萃取柱的动态运行条件，测量参数受脉冲干扰较大，虽然通过在吹气管加装缓冲罐等手段可以起到一定的平稳作用，但对于界面调节来说，参数这种波动仍是很大的，因此加入了数据处理方法来平滑吹气测量的参数数值。

Claims (2)

1.一种脉冲萃取柱参数吹气测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、采集参与计算的参数；

采集通过吹气方式测量得到的压力差信号ΔP_i，ΔP_W，ΔP_Do、ΔP_Da，ΔP_L，单位kPa；

其中，ΔP_i为界面测量用压力差，单位：Kpa，由2个吹气管进行测量；

在萃取工作过程中，脉冲萃取柱中的界面高度被要求处于预定的控制测量范围之内，在此高度范围的上限和下限处分别布置2根吹气管(Y3-190、Y3-191)，2根吹气管分别连接到差压变送器，下管的单管压力减去上管的单管压力得到ΔP_i，求差的过程由差压变送器完成；

ΔP_W——柱重测量用压力差，kPa；由2个吹气管进行测量，在脉冲萃取柱的板段上端和下端分别布置2根吹气管(Y3-177、Y3-189)，下管的单管压力减去上管的单管压力得到ΔP_W，求差的过程由差压变送器完成；

ΔP_L——液位测量用压力差，kPa；由2个吹气管进行测量，在空气中布置1根上管(Y3-176)，作为标准参考管，另外1根下管设置在上扩大段中底部(Y3-177)，下管的单管压力减去上管的单管压力得到ΔP_L，求差的过程由差压变送器完成；

ΔP_Do、ΔP_Da——密度测量用压力差，分别对应于有机相和水相，kPa；

设置2组共4根吹气管分别对有机相和水相的压差进行测量，对应于萃取时水相连续和有机相连续这两种情况，分别布置，

对于水相连续的情况，此情况下，界面在萃取柱的上扩大段，在上扩大段设置4根吹气管；

测水相密度的上管是在界面控制测量范围下限处，测水相密度的下管是在板段上端；2管压力求差得到ΔP_Da；

测有机相密度的上管是单独设置，在液面以下，在界面控制测量范围上限以上；测有机相密度的下管在界面控制测量范围上限处；2管压力求差得到ΔP_Do；

对于有机相连续的情况，此情况下，界面在萃取柱的下扩大段，在下扩大段设置4根吹气管；

测水相密度的上管在界面控制测量范围的下限处(Y3-191)，测水相密度的下管单独设置(Y3-192)，在界面控制测量范围下限以下；

测有机相密度的下管在界面控制测量范围上限处(Y3-190)；测有机相密度的上管在板段的下端(Y3-189)；

在测量上述变参量的同时，获取预先存储的实际的吹气管管间距H_i、H_Do、H_Da、H_W、H_i，单位(mm)；

步骤二、进行数据平滑；

对现场来的数据进行求平均值算法，该算法为：

OUT＝(IN_n+IN_n-1+........IN_n-19)            n＝20

处理的数据包括：测量信号ΔP_i，ΔP_W，ΔP_Do，ΔP_Do，ΔP_L；

步骤三、通过压力差数据计算得到萃取柱参数；

(1)计算密度

D＝(ΔP_D*10³)/(H_D*g)

式中：

H_D——2个密度测量吹气管位差，mm；可以分别表示：H_Do，H_Da；

ΔP_D——密度测量用压力差，由差压变送器DT测得，kPa；可以分别表示：ΔP_Do，ΔP_Da；

D——密度g/cm³；可以分别表示：D_o，D_a；

(2)计算液位；

上扩大段中，对于水相连续的时候，为两相料液；对于有机相连续的时候，为单一介质；

单一介质：L＝(ΔP_L*10³)/(D_o*g)

两相料液：L＝((ΔP_L-ΔP_i)*10³)/(D_o*g)+H_i

ΔP_L——液位测量用压力差，由差压变送器LT测得，kPa；

ΔP_i——界面测量用压力差，由差压变送器LiT测得，kPa；

D_o——有机相密度，g/cm³；

H_i——2个界面测量吹气管位差，mm；

L——液位，mm；

(3)计算板段间液体密度；

D_w＝(ΔP_W*10³)/(H_W*g)

式中：

H_W——柱重测量吹气管位差，mm；

D_w——脉冲萃取柱板段间水相有机相混合液的密度，g/cm3；

ΔP_W——柱重测量差压变送器WT测得的压差，kPa；

(4)计算界面位置；

公式①： $\mathrm{Li}=\frac{1000\×\mathrm{\ΔPi}-\mathrm{Hi}\×\mathrm{Do}\×g}{(\mathrm{Da}-\mathrm{Do})\×g}$

公式②： $\mathrm{Li}=\frac{1000\×\mathrm{\ΔPi}-\mathrm{Hi}\×\mathrm{Do}\×g}{(\mathrm{Da}-\mathrm{Do})\×g}+H_{\mathrm{Da}}$

L_i——界面(单位：mm)

ΔP_i——界面测量压力(单位：Kpa)

H_i——测界面用两吹气管的管间距

D_o——有机相密度；

D_a——水相密度；

g——重力加速度9.798m/s²

公式①为有机相连续的柱子算法，公式②为水相连续的柱子算法。

2.一种脉冲萃取柱界面控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、判断是否存在界面：

计算用于界面测量的2个吹气管间液体的密度；

D_i＝(ΔP_i*10³)/(H_i*g)

ΔP_i——界面测量压力，单位：Kpa；

H_i——测界面用两吹气管的管间距；

g——重力加速度9.798m/s²；

如果D_i接近水相密度，则认为界面超过控制测量范围上限；如果D_i接近有机相密度，则认为界面超过控制测量范围下限；接近的判断标准为差值小于等于0.02g/cm³；此时，判断为不存在界面；反之，判断为存在界面；

步骤2、调节；

不存在界面，超出控制测量范围的时候，由工艺人员手动调节；

存在界面的时候，进行自动控制；当测量得到的界面低于预定值时，从下扩大段进料，即加入水相，当测量得到的界面高于预定值时，从下扩大段提料，即排出水相。

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