CN103105344A - 在脉冲状态下测量脉冲萃取柱介质参数的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在脉动条件下，使用吹气装置测量放射性脉冲萃取柱界面、密度、液位等参数的稳定精确测量技术领域，具体是在脉冲状态下测量脉冲萃取柱介质参数的测量装置。目的在于：实现脉冲萃取柱脉动条件下介质参数如界面、密度、液位等的稳定精确测量。包含：伸入脉冲萃取柱中介质的吹气管、连接吹气管的压力/压差变送器、采集压力/压差变送器得到的来自吹气管的压力信号的处理装置；吹气管为从侧面***脉冲萃取柱中介质，出气方向为水平方向，吹气出口在脉冲萃取柱内壁表面；在从吹气管到压力/压差变送器的吹气管路中包含气容阻尼器。本发明的优点在于：在实际使用过程中，能够有效获取参数，真实反映实际工况，为工艺操作提供了数据支持。

Description

在脉冲状态下测量脉冲萃取柱介质参数的测量装置

技术领域

本发明涉及在脉动条件下，使用吹气装置测量放射性脉冲萃取柱界面、密度、液位等参数的稳定精确测量技术领域。

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；鉴于国外后处理厂采用吹气法测量的应用情况，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。

前期的使用中，采用了如图1所示的测量***，其中，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。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。

其中，如图1所示，设置有Y3-176、Y3-177、Y3-189、Y3-190、Y3-191、Y3-192为吹气管。

在测试***中，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)；

得到压力差之后，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；

但是在前期的使用中，发现在脉冲状态下测量的数据精度差、波动高。

图2、图3为前期脉冲萃取柱静态和脉冲状态下水相密度和有机相密度历史曲线图，发现其波动分别达到17％～59％、24％～36％，远远不能满足使用要求。

发明内容

本发明的目的在于：实现脉冲萃取柱脉动条件下介质参数如界面、密度、液位等的稳定精确测量，同时又便于在热室条件下对测量仪表的检修维护。

实现本发明目的的技术手段是：一种在脉冲状态下测量脉冲萃取柱介质参数的测量装置，是对脉冲萃取柱中介质参数进行测量的一种吹气测量装置，其中，吹气管为从侧面***脉冲萃取柱中介质，出气方向为水平方向，吹气出口在脉冲萃取柱内壁表面；在从吹气管到压力/压差变送器的吹气管路中包含气容阻尼器。

如上所述的一种在脉冲状态下测量脉冲萃取柱介质参数的测量装置，其中，吹气测量过程中，吹气流量为0-10L/h。

本发明的优点在于：

吹气测量技术在脉动条件下测量脉冲萃取柱参数的成功应用，是后处理厂热室区域、非接触式测量的一个创新。通过分析计算，通过改变萃取柱下扩大段脉冲腿和吹气管的安装方位，以及加装气容阻尼器、选择合适吹气流量等方式，有效地解决了在脉动条件下脉冲萃取柱的测量参数波动大、精度低等缺点。在实际使用过程中，能够有效获取参数，真实反映实际工况，为工艺操作提供了数据支持。

以脉冲萃取柱和脉冲萃取柱’为例，比较吹气管安装方式、脉冲腿***位置和加装容器阻尼器前后的水相、有机相密度和界面测量值。可以发现，改变后脉动条件下上述参数的测量值精度有较大幅度提升。图8、9、10、11、12、13为脉冲萃取柱和脉冲萃取柱’前后参数测量值的对比图。改变前后脉动条件下的测量值与实际值比较，脉冲萃取柱和脉冲萃取柱’的水相密度、有机相密度和界面参数的波动有了显著的改善。脉冲萃取柱上述参数波动值减少为0、0、4.6％，相对于静态值的最大偏差为±0.002g/cm³，±0.006g/cm³和±5mm；脉冲萃取柱’上述参数波动值减少为1％、1.2％、2.4％，相对于静态值的最大偏差为±0.002g/cm³，±0.005g/cm³和±4mm。较改变前波动有大幅度降低，

附图说明

图1初始的脉冲萃取柱吹气管安装方法和变送器连接方式；

图2脉冲萃取柱的静态密度历史曲线图；

图3脉冲萃取柱的脉动状态下密度历史曲线图；

图4由于脉冲形成的湍流示意图；

图5脉冲萃取柱下扩大段调整后的结构图；

其中：上管和中管用于测量有机相密度；下1管和下2管用于测量水相密度；中管和下1管用于测量下扩大段界面。

图6气容阻尼器结构示意图；气体用快速接头，

图7加装“气容阻尼器”后的气路管线图；

图8脉冲萃取柱参数实际分析值；

图9脉冲萃取柱直插吹气管组/动态(脉冲强度：25Hz×0.18MPa)参数测量值；

图10脉冲萃取柱侧插吹气管组/500ML气容/动态(脉冲强度：25HZ×0.18MPa)参数测量值；

图11脉冲萃取柱’参数实际分析值；

图12脉冲萃取柱’直插吹气管组/动态(脉冲强度：5HZ×0.18MPa)参数测量值；

图13脉冲萃取柱’侧插吹气管组/500ML气容/动态(脉冲强度：25HZ×0.18MPa)参数测量值。

具体实施方式

以下，结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本实施例中，将吹气管由图4所示的上部直插方式改为图5所示的侧面斜插方式，同时将将脉冲腿伸进扩大段与筛板段之间，使之远离吹气测量管，减少脉冲对吹气测量管的冲击影响。

在吹气管路中加入气容阻尼器，如图7所示。原来吹气装置的不同吹气管和压力/压差变送器的相应压腔直接相连，现在改变为中间加了一个气容阻尼器，起到压力缓冲作用，保证了测量的稳定性。

设计了脉冲萃取柱下扩大段结构改进方案，改进了吹气管在下扩大段的安装位置。根据前期的初步研究认为现场脉冲萃取柱的吹气测量***不能稳定测控的问题不仅仅是一个仪表测量的问题，更是一个与脉冲萃取柱设备本体结构设计密切相关的***问题。图3为初始的脉冲萃取柱吹气管安装方法和变送器连接示意图。经过理论分析，脉冲萃取柱设备本体机构主要体现在下扩大段的脉冲腿没有伸进筛板段，再加上“莲蓬头”的存在，这样打脉冲时，脉冲腿下口喷出的料液形成湍流，图4所示为形成的湍流示意图。由于各吹气管的开口位置不一样，受到的湍流的冲击影响的程度不同，因而将感受到的脉动的动能转换成势能——压力的大小也不一样，这样就表现为差压测量的异常情况，因此要尽可能地减小吹气管口处压力的波动情况。

于是对脉冲萃取柱下扩大段的结构作如下的调整：(1)将吹气测量管由上部竖直***方式改为侧面***方式，理由是根据流体力学的基本原理——流体在管道壁附近的流速为零，也就是说管道壁附近所受到的脉冲冲击影响最小，这样，此处的全压就基本等于静压，这正是测量所需要的静压。(2)将脉冲腿伸进筛板段150mm，远离吹气测量管，减少脉冲对吹气测量管的冲击影响。调整后的示意图如附图5所示。

在吹气管路上加装气容阻尼器，其结构如图6所示。对于脉冲条件下的吹气测量，引起测量不稳定、精度不高的一个因素是脉冲引起压力的变化，要解决这个缺陷，首先的是使气流的压力和流速平稳，为此做出了一系列的试验。通过研究和分析，最终采用气信号滤波法即增加气容阻尼器的措施来解决此问题。

气容阻尼器主要有以下几种功能：1.切换装置用；2.压力不稳时，平衡压力用；3.稳流的作用。气动***中凡是能够贮存或释放气体的空间都称为气容。其含义是单位压力变化量所要求气体质量(或重量)的变化量。即

$c=\frac{\mathrm{dm}}{\mathrm{dp}}$

c——气容；

m——气体质量；

p——气体绝对压力。

所述脉冲萃取柱吹气测量仪表吹气压空压力为0.3MPa，吹气流量为3L/h，吹气仪表管采用的是Φ14×2mm的不锈钢管，吹气管路长度为10m～13m，按最长管路计算吹气仪表管的容积为：V＝л×R²×L＝3.14×0.005²×13＝0.001m³＝1升，如果要求压力波动小于1％，那么压空缓冲罐的容积就应该大于工况下吹气管路体积的1/2，即500mL。加装气容阻尼器后的气路如图7所示。

吹气装置中原设计的流量为0-60L/h，吹气管口的鼓泡速度很快，属于快速吹气法测量。而根据其它吹气仪表的使用经验，发现吹气流量小、慢吹时得到数据较稳定、准确。基于此经验，改变吹气流量，将原设计的0-60L/h改为0-10L/h，试验发现得到的数据波动较原来的稳定，且波动小。

Claims (2)

1.一种在脉冲状态下测量脉冲萃取柱介质参数的测量装置，是对脉冲萃取柱中介质参数进行测量的一种吹气测量装置，包含：伸入脉冲萃取柱中介质的吹气管、连接吹气管的压力/压差变送器、采集压力/压差变送器得到的来自吹气管的压力信号的处理装置；其特征在于：吹气管为从侧面***脉冲萃取柱中介质，出气方向为水平方向，吹气出口在脉冲萃取柱内壁表面；在从吹气管到压力/压差变送器的吹气管路中包含气容阻尼器。

2.如权利要求1所述的一种在脉冲状态下测量脉冲萃取柱介质参数的测量装置，其特征在于：吹气测量过程中，吹气流量为0-10L/h。

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