一种减少废气产生的两级空气提升输送系统及其控制方法技术领域
本发明涉及核燃料后处理中的放射性料液提升技术，具体涉及一种减少废气产生
的两级空气提升输送系统及其控制方法。
背景技术
核燃料后处理工程用两级空气提升系统是利用压缩空气的流体静力学原理，通过
气液混合的形式将静止的液体提升到一定高度，达到将设备室内的放射性料液从低处向高
处输送的目的。在设备室内没有任何需要检修、更换的可动部件，因此无需人员进入放射性
设备室内维修。
浸没度为浸没高度与总提升高度之比，如图1所示，是影响压缩空气带走料液量多
少的重要参数，随着浸没度的不同，相同流量压缩空气提升料液的能力也不同。
为精确计量料液流量，一般都使用两级空气提升，第一级采用恒液位前置罐保证
二级空气提升的浸没度不变，维持提升流量的稳定，从而为二级空气提升的精确定量输送
创造条件。传统的两级提升系统如图2所示，一级空气提升为从低位贮槽9将料液提升至恒
液位前置罐4的提升过程，二级空气提升为从恒液位前置罐4定量将料液提升至高位贮槽8
的提升过程。
一般采用溢流的方式维持其液位恒定，做法为：在恒液位前置罐4上设置溢流口6，
当料液上升至溢流口6位置时，直接以溢流方式流回低位贮槽9，为保证无论二级空气提升
从恒液位前置罐4提升走多少料液，恒液位前置罐4的液位均恒定在溢流口，一级提升流量
都开到足够大，不控制压缩空气的流量，过量输送的方法。但是，当低位贮槽9的料液被提升
至恒液位前置罐4时，压缩空气就完成使命，转变为废气，需要排出，由于提升过程中压缩空
气夹带放射性料液输送，会沾染放射性，因此必须对废气进行监控、过滤特殊处理，达标后
才能排放。一级空气提升过量输送的方式在实际工程应用中将产生大量的废气。
二级空气提升过程使用控制压缩空气流量的方法，被提升料液11的液体流量与压
缩空气1的流量呈一定比例关系，因此料液的流量控制实际上为控制压缩空气流量，达到间
接控制液体流量的目的。目前，在最佳工作区间(即空气流量增大，提升料液流量也随着增
大时)，该比例关系一般近似为线性关系，然而实验表明，线性关系误差较大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种减少废气产生的两级空气提升
系统及其控制方法，这种系统及控制方法经济可行，能够有效减少核燃料后处理工程中放
射性料液提升所产生的废气量，并可有效提升定量输送料液的控制精度。
本发明的技术方案如下：一种减少废气产生的两级空气提升系统，包括低位贮槽、
恒液位前置罐、高位贮槽，压缩空气经由一级空气提升气液混合器将料液从低位贮槽提升
至恒液位前置罐，压缩空气经由二级空气提升气液混合器将料液从恒液位前置罐提升至高
位贮槽，其中，所述的一级空气提升气液混合器与一级空气提升质量流量控制器连接，所述
的二级空气提升气液混合器与二级空气提升质量流量控制器连接，通过所述的一级空气提
升质量流量控制器调节一级空气提升的压缩空气流量值，保证所述恒液位前置罐的液位恒
定，通过所述的二级空气提升质量流量控制器将恒液位前置罐中的料液精确定量的提升至
高位贮槽。
进一步，如上所述的减少废气产生的两级空气提升系统，其中，首先压缩空气经由
一级空气提升气液混合器将料液从低位贮槽提升至恒液位前置罐，当所述恒液位前置罐中
的液位上升至基准液位时，再启动二级空气提升气液混合器将料液从恒液位前置罐提升至
高位贮槽。
进一步，如上所述的减少废气产生的两级空气提升系统，其中，所述的恒液位前置
罐不设置溢流口。
进一步，如上所述的减少废气产生的两级空气提升系统，其中，在所述的高位贮槽
上方连接有气液分离罐，恒液位前置罐与所述气液分离罐连接，恒液位前置罐中的料液先
被压缩空气提升至所述气液分离罐，然后靠重力自流进所述高位贮槽。
如上所述的减少废气产生的两级空气提升系统的控制方法，其中，一级空气提升
使用前馈-反馈控制模型，将所述恒液位前置罐液位作为被控变量，压缩空气的流量作为主
要参数，按反馈通道进行偏差控制，并增加前馈干扰通道，将低位贮槽的液位引入控制模
型，实现无论二级空气提升以何种流量提升恒液位前置罐料液，恒液位前置罐均能保持液
位恒定，前馈控制器的传递函数如下：
其中，Gff(s)为前馈控制器的传递函数；
GpD(s)为低位贮槽的液位变化对被控变量的传递函数；
Gpc(s)为压缩空气流量对被控变量的传递函数。
进一步，如上所述的减少废气产生的两级空气提升系统的控制方法，其中，二级空
气提升在满足拟合优度R2＞0.99的前提下，料液流量和压缩空气流量的关系如下：
F(f)＝af3+bf2+cf+d
其中，F(f)为料液流量；f为压缩空气流量；a、b、c、d为修正系数，根据实验数据拟
合得出。
本发明的有益效果如下：本发明针对两级空气提升输送系统，一级空气提升采用
前馈-反馈控制方法，实现无论二级空气提升系统以何种流量提升恒液位前置罐料液，恒液
位前置罐均能保持液位恒定。所提供的两级空气提升输送系统及其控制方法，可以避免过
量使用压缩空气，从而避免大量废气的产生，达到节能减排的目的。提出的压缩空气流量和
料液流量的非线性回归方法，可以使控制精度得到很大提升。
在核燃料后处理等辐照环境下，本发明能够减少大量夹带放射性废气的排放，从
而减少监控设施和放射性过滤器的使用，符合放射性废物最小化原则，有利于环境保护。
附图说明
图1为浸没度的原理示意图；
图2为传统的两级空气提升系统结构示意图；
图3为本发明的两级空气提升系统结构示意图；
图4为本发明涉及的一级空气提升系统前馈-反馈控制方框图；
图5为本发明给出的某空气提升系统气体-液体流量标定曲线图；
图6为本发明涉及的某二级空气提升系统气体-料液流量标定表(图5为与之对应
的标定曲线)。
图2、图3中，1.压缩空气 2.流量控制器 3.废气排气 4.恒液位前置罐5.气液分离
罐 6.恒液位前置罐溢流口 7.一级空气提升气液混合器 8.高位贮槽 9.低位贮槽 10.二
期空气提升气液混合器 11.被提升料液 12.一级空气提升质量流量控制器 13.二级空气
提升质量流量控制器
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
图3为本发明所提供的一种能够减少废气产生的两级空气提升系统的结构示意
图，包括低位贮槽9、恒液位前置罐4、高位贮槽8，低位贮槽9连接一级空气提升气液混合器
7，压缩空气1经由一级空气提升气液混合器7将料液从低位贮槽9提升至恒液位前置罐4；高
位贮槽8上方连接有气液分离罐5，气液分离罐5连接二级空气提升气液混合器10，压缩空气
1经由二级空气提升气液混合器10将料液从恒液位前置罐4提升至气液分离罐5，然后靠重
力自流进所述高位贮槽8。所述的一级空气提升气液混合器7与一级空气提升质量流量控制
器12连接，所述的二级空气提升气液混合器10与二级空气提升质量流量控制器13连接。
系统工作时，压缩空气1在一级空气提升质量流量控制器12的控制下，经由一级空
气提升气液混合器7，将低位贮槽9中的料液以气液混合的状态提升至恒液位前置罐4中，当
恒液位前置罐4液位上升至基准液位时启动二级空气提升，在二级空气提升质量流量控制
器13的控制下，经由二级空气提升气液混合器10，将恒液位前置罐4中料液精确定量提升至
气液分离罐5，并靠重力自流进高位贮槽8。
二级空气提升的定量输送，需要以恒液位前置罐4的液位恒定为前提。因为，如果
恒液位前置罐4的液位高度变化，将引起二级空气提升的浸没度发生变化，进而导致在不改
变二级空气提升质量流量控制器13空气流量值的情况下，提升的液体流量变化，最终无法
实现定量输送。针对此问题，本发明弃用传统的一级空气提升采用的溢流过量输送(即恒液
位前置罐4不设置溢流口)，采取控制恒液位前置罐4液位的方法。因此需要在低位贮槽9液
位不断变化的前提下，调节一级空气提升的压缩空气流量值，以稳定恒液位前置罐4的液
位。
普通的单回路反馈控制系统仅能调节一级空气提升质量流量控制器12以调整被
控变量(恒液位前置罐液位，设为θ1)，但无法处理低位贮槽9液位的不断变化。而本发明引
入前馈-反馈控制系统(FFC-FBC)，增加了前馈干扰通道，可将低位贮槽9的液位变化引入控
制模型，从而补偿液位变化产生的浸没度变化对被控变量θ1的影响。同时，料液流量(实际
为一级空气提升质量流量控制器12的气体流量)与被控变量θ1按常规PID作用调节，与前馈
通道的校正作用相互叠加，可使被控变量θ1尽快的回到给定值。该前馈-反馈控制方框图如
图4所示。
图4中，GpD(s)为低位贮槽液位变化对被控变量θ1的传递函数，Gpc(s)为压缩空气流
量对被控变量θ1的传递函数，Gc(s)为流量控制器，Gff(s)为前馈控制器。干扰低位贮槽液位
对被控变量θ1的闭环传递函数为：
应用不变性原理，即被控变量的稳态不受扰动影响时，则有条件：
L(s)≠0，θ1(s)≡0
L(s)是指干扰，即低位贮槽液位变化。
代入式(1)，可推导出前馈控制器的传递函数
上述各传递函数的具体形式为控制领域的公知技术。
二级提升需要精确定量输送，针对料液流量和压缩空气流量的关系，经过大量实
验，在满足拟合优度R2＞0.99的前提下，有：
F(f)＝af3+bf2+cf+d (2)
式中，F(f)为料液流量；f为空气流量；a、b、c、d为修正系数，根据实验数据拟合得
出。
采取的实验方法为，任何时候维持恒液位前置罐液位恒定，从而保证浸没度不变，
关闭气液分离罐5至高位贮槽8的自流通路，调节对应压缩空气流量，使用精密计量设备记
录单位时间内气液分离罐5的料液体积，计算出液体提升量。每套提升做10个数据点，每个
点测量三次取平均，并选取多组、不同高度差的情况，从而整理规律。图5和图6示出实验过
程中某提升系统的数据记录和拟合实例。经过大量实验表明，式(2)给出的拟合公式可以覆
盖各种二级空气提升工作区的情况。
以上为本发明的具体实施方式。这样在核燃料后处理厂的放射性料液输送过程
中，可以大量避免废气的产生。同时，也提升了系统的定量输送的控制精度。本发明也适用
于其他辐射环境下，需要对放射性料液进行定量输送的情况。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精
神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范
围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。