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基于放射性废物最小化的电气设计实践

2021/3/31    来源:互联网    作者:龚应伟  孙圣权  范继珩      
关键字:放射性  废物最小化  设备变位布置  电气设计  
本文基于放射性废物最小化原则开展电气设计和分析,得出通过应用电气新技术可减少放射性废物的可能性,开辟了一条减少放射性废物的新途径。

0 引言

    废物最小化是从设计到其退役的所有阶段,在统筹考虑一次废物和二次废物的情况下,通过减少废物产生、再循环再利用、优化处理工艺和管理措施,把放射性废物量(体积和活度)减小至可合理达到的尽量低的过程。放射性废物最小化既涉及辐射安全、环境安全,也与经济效益直接相关。近年来,随着国家对核环保工作重视程度的不断提高,对基于废物最小化原则的设计、管理工作的需求也愈发迫切。从国际发展而言,诸如美国、法国、日本等已开展了大量的工作,并取得了一系列阶段性成果。而国内目前从法律法规到设计实施都有着较多缺失,在电气设计领域这一问题也十分突出。为此,基于放射性废物最小化原则,需要优化电气设计和采用电气新技术,从设计源头抓起,控制和减少放射性废物产生,使放射性废物尽可能少,进一步把放射性危害降到最低。

    核设施内电气领域产生放射性废物主要来源是控制区区域内的电动机、控制元器件、动力电缆、控制电缆、现场控制箱、现场控制柜、电缆桥架及维修设备时工作人员的劳动保护用品和工器具等。现有的国内标准体系中,电气设备选用环境条件主要是多尘环境、腐蚀环境、高原环境、热带地区(温度、相对湿度)及爆炸火灾环境等,极少描述放射性环境下电气设备选用。由于目前普遍缺少对放射性环境使用电气设备自身特点的考量,从而易忽视对电气领域内放射性废物的控制,更谈不上电气类放射性废物最小化,因此不可避免产生大量非正当性、非最小化的电气类放射性废物。同时,大量布置在放射性区域的电气类设备带来的繁重检修任务,很可能导致维修人员接受放射性剂量超标,长此以往,甚至发生由于电气设备不可维修而造成核设施提前退役的严重情况。这不仅严重浪费国家资源,也随之产生了数量巨大的放射性废物,因此基于废物最小化原则,在放射性区域开展科学、高效电气设计十分必要。

    一般来说,放射性区域电气设计在满足工艺需求的前提下,应结合以下几点开展优化:电气设备选用引入工作场放射性环境条件,才能切实保证电气系统的稳定性、可靠性和便于检修的特性;与主工艺紧密协调,开展技术创新,实现电气类放射性废物最少化。为此,本文提出了混合控制技术、电流突变技术和设备布置变位技术的设计方案,使放射性区域内的电气设计更为合理,将产生的放射性废物限制在较低范围内。

1 混合控制技术

    电气领域,民用电气和核设施内的主工艺用电动阀、通风系统用电动阀及其他控制设备,其一次回路和二次回路一般是互相独立的。一次回路中动力电缆仅为现场设备电动机提供电源,现场开关信号只通过二次回路中的控制电缆传递到中央控制室进行处理。

    控制区内现场二次回路中的控制设备包括电动阀的开到位、关到位、开过力矩、关过力矩等,发出的开关信号通过控制区电缆传递到混合控制单元的中间继电器进行逻辑处理。逻辑处理过程中均依靠动力电缆和控制电缆之间,控制区与监督区之间,混合控制单元与常规电气控制/或计算机控制之间,进行电源切换、信号输入、信号输出及信号处理等,进而实现工艺设备的控制,包含下述功能。

    (1)动力电缆送电至电动机,并启动。

    (2)工艺控制点到位后控制区的现场开关动作。

    (3)控制区内现场开关信号通过二次回路中的控制电缆传递到监督区内控制室的混合控制单元,并利用中间继电器进行逻辑处理。

    (4)混合控制单元逻辑处理信号过程中,控制电源瞬时切换至一次回路中动力电缆,并通过现场开关,再次把控制区内现场信号送至监督区内控制室的混合控制单元进行逻辑处理。

    (5)逻辑处理后,控制区内一次回路动力电缆和二次回路控制电缆为逻辑信号提供期间保持支持。

    (6)混合控制单元设多元控制接口,与常规电气控制/或工业控制计算机的PLC/DCS联合兼容使用。

    混合控制技术用于工艺控制过程中,分时段反复利用一次回路中动力电缆,从而降低控制电缆芯数,减少电缆型放射性废物。混合控制原理与布置如图1所示。

混合控制原理与布置图

图1 混合控制原理与布置图

2 电流突变技术

    电动机的额定负载按工艺实际运行负载的2~3倍计算选取,同时兼顾额定电压、额定功率因数和效率,使电动机在50%~70%额定电流范围内运行。结合工艺条件,设置1套电流瞬时脱变机械阻挡装置,设备工艺控制点碰击阻挡装置,使电机的运行电流瞬时增大。电流互感器/或电流传感器输出电流信号,选用的常规电气控制/或工业控制计算机的PLC/DCS先作模拟信号处理,再作逻辑处理,即可进行工艺控制。电流控制原理与布置如图2所示,电流突变如图3所示。图3中,1为电动机空载运行,2为工艺负载运行,3为突变电流取值区域线,4为民用电机运行,Ist为启动电流,Ir为额定电流,I0.5为电机50%负载电流,tst1为空载启动时间,tst2为工艺负载启动时间,tst3为重载启动时间。

电流控制原理与布置图

图2 电流控制原理与布置图

电流突变图

图3 电流突变图

    电流突变技术将电气控制系统读取的控制区内工艺开关信号改变为读取监督区控制柜内的电流信号,无需控制区内设置电气二次系统的控制电缆和控制元器件。核设施控制内的控制电缆和工艺相关控制元器件维修或退役时,就没有维修现场控制系统产生的劳动保护用品和工器具等放射性废物,同时也杜绝控制电缆和控制元器件型放射性废物。

3 设备变位布置技术

    3.1 电动机变位布置

    控制区内工艺设备的电动机,一般都布置在控制区。现通过穿过屏蔽墙的延长轴,使电动机布置由控制区变位布置到监督区,如图4所示。工作人员在监督区就能完成电动机的维护维修、更换及设备运行巡视检查,完全避免工作人员受到放射性照射。

设备变位布置图

图4 设备变位布置图

    3.2 现场元器件变位布置

    在控制区内的工艺检测用现场元器件,在不影响检测工艺性能的情况下,可变位布置到屏蔽墙中,如图4所示。需要维护维修现场元器件时,工作人员无需进入控制区,仅在监督区拉出屏蔽体,手伸入屏蔽墙内,即可进行现场元器件维修或更换,工作人员仅有手部受到放射性照射,同时降低了工艺系统运行期间的劳动保护用品和工器具等放射性废物。

4 设计特点与放射性废物量产生情况

    经样机装置多次试验和中国核动力研究设计院放射性废物处理设施应用,验证了本文方案的实用性和可靠性,不仅有效减少了电气设备用量,降低了项目投资费用,还进一步减少设备维修次数和时间,从而缩短了工作人员的受照剂量;同时减少了维修设备期间和预计在退役时产生的放射性废物。电气和放射性废物特性见表1。

表1 电气和放射性废物特性

电气和放射性废物特性

续表

电气和放射性废物特性

5 结语

    本文基于放射性废物最小化原则开展电气设计和分析,得出通过应用电气新技术可减少放射性废物的可能性,开辟了一条减少放射性废物的新途径。利用混合控制技术、电流突变控制技术和设备布置变位技术,可减少现场检测元器件和控制电缆数量,减少人员维修期间受照剂量,降低项目首次投资成本,促进了电气类放射性废物最小化技术发展。本文电气设计在有毒、有害、易燃及易爆等领域有一定推广价值。 

责任编辑:程玥
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