楊 坤，叢藝?yán)ぃ?宏

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

分離裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)穩(wěn)定同位素分離經(jīng)濟(jì)性的影響研究

楊 坤，叢藝?yán)?，?宏

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

為評(píng)價(jià)分離裝置結(jié)構(gòu)或參數(shù)優(yōu)化對(duì)級(jí)聯(lián)經(jīng)濟(jì)性的影響，提出以單臺(tái)分離裝置年純利為經(jīng)濟(jì)性判據(jù)，并以此為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，以級(jí)聯(lián)分離SiF4獲取28Si、29Si同位素為例，對(duì)分離裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。計(jì)算并對(duì)比了結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的單臺(tái)分離裝置年純利。結(jié)果表明，分離裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，單臺(tái)分離裝置年純利增加了12.3%。優(yōu)化分離裝置的結(jié)構(gòu)能夠較大幅度地提高級(jí)聯(lián)分離穩(wěn)定同位素的經(jīng)濟(jì)性。

經(jīng)濟(jì)性；級(jí)聯(lián)；穩(wěn)定同位素；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

穩(wěn)定同位素分離的工作介質(zhì)多為多組分混合物，表征分離裝置分離能力的多組分價(jià)值函數(shù)和分離功率至今沒有公認(rèn)的定義[1]，難以直接用某個(gè)函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)分離裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)參量或外部控制參量改變后其分離性能的變化。而采用某些經(jīng)濟(jì)性判據(jù)來(lái)間接地衡量分離裝置分離性能的優(yōu)劣不失為一種有益的嘗試。本文采用單臺(tái)分離裝置純利法為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，即將級(jí)聯(lián)完成一定分離任務(wù)所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益平均到每臺(tái)分離裝置上得到的單臺(tái)分離裝置年純利。通過(guò)對(duì)分離裝置動(dòng)密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后，單臺(tái)分離裝置年純利的比較，評(píng)價(jià)這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)級(jí)聯(lián)經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 單臺(tái)分離裝置純利法

級(jí)聯(lián)分離的經(jīng)濟(jì)性一般與以下兩個(gè)因素密切相關(guān)：一是同位素產(chǎn)品的價(jià)值增量(即毛利)，二是除原料成本之外的各種費(fèi)用之和(即運(yùn)行成本)。分離對(duì)象和產(chǎn)品豐度不同，二者對(duì)級(jí)聯(lián)經(jīng)濟(jì)性的影響程度也不同。如果原料成本低，可以適當(dāng)放寬提取率要求，縮短生產(chǎn)時(shí)間，從而降低運(yùn)行成本；反之，假如原料很昂貴，則要提高目標(biāo)同位素的提取率，充分利用原料，使產(chǎn)品的價(jià)值增量提高，從而增加毛利。

定義單臺(tái)分離裝置年純利為級(jí)聯(lián)每年完成一定分離任務(wù)時(shí)所獲得的純利與分離裝置臺(tái)數(shù)的比值。

Pn0=Pnc/N

(1)

其中，Pn0為單臺(tái)分離裝置年純利；N為分離裝置臺(tái)數(shù)；Pnc為級(jí)聯(lián)年純利。

Pnc=Pgc-Crc

(2)

其中，Pgc為級(jí)聯(lián)年毛利；Crc為級(jí)聯(lián)年運(yùn)行成本。

級(jí)聯(lián)年毛利Pgc定義為級(jí)聯(lián)每年生產(chǎn)所得各種同位素產(chǎn)品或副產(chǎn)品的總價(jià)值與所消耗的原料總價(jià)值之差，即同位素產(chǎn)品的價(jià)值增量。

(3)

其中，VPi為第i種產(chǎn)品或副產(chǎn)品的每千克單價(jià)；mi為第i種產(chǎn)品或副產(chǎn)品的年產(chǎn)量，kg；VR為原料每千克單價(jià)；mR為原料年消耗量，kg。

級(jí)聯(lián)年運(yùn)行成本Crc由燃料動(dòng)力費(fèi)Ce、固定資產(chǎn)折舊費(fèi)Cd、工資及勞務(wù)費(fèi)Cw和其他費(fèi)用Co構(gòu)成。(以上各項(xiàng)費(fèi)用單位均為元/年)

Crc=Ce+Cd+Cw+Co

(4)

綜上，單臺(tái)分離裝置年純利的計(jì)算式為

(5)

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前的分離裝置動(dòng)密封系統(tǒng)抽空能力欠佳，用其分離穩(wěn)定同位素效果不甚理想。當(dāng)工作介質(zhì)的摩爾質(zhì)量較小時(shí)，分離裝置內(nèi)部的氣體壓強(qiáng)徑向分布較為平緩，導(dǎo)致內(nèi)部壓強(qiáng)升高、負(fù)載功耗增大、供料流量受限。而級(jí)聯(lián)的經(jīng)濟(jì)性主要取決于供料流量和分離系數(shù)，過(guò)低的供料流量必然使其經(jīng)濟(jì)性大打折扣。理論計(jì)算和試驗(yàn)研究結(jié)果表明，優(yōu)化分離裝置的動(dòng)密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以提高其總壓比，降低負(fù)載功耗，進(jìn)而提高供料流量。對(duì)于工作介質(zhì)四氟化硅而言，動(dòng)密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，單臺(tái)分離裝置的供料流量提高了11.5%，而基本全分離系數(shù)不變。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 級(jí)聯(lián)年運(yùn)行成本計(jì)算

一旦級(jí)聯(lián)形式和裝機(jī)容量確定，(4)式中的部分參數(shù)值即為常數(shù)，與分離對(duì)象無(wú)關(guān)。本文以一座總裝機(jī)量為100 000臺(tái)的矩形級(jí)聯(lián)為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，則下列為固定成本。

(1) 燃料動(dòng)力費(fèi)Ce

級(jí)聯(lián)運(yùn)行過(guò)程中所消耗的基于能源的各種費(fèi)用，主要包括電費(fèi)、取暖費(fèi)以及液氮和去離子水的費(fèi)用。整個(gè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行所需電費(fèi)的統(tǒng)計(jì)情況見表1(按工業(yè)電價(jià)1元每千瓦時(shí)計(jì)算)。

表1 級(jí)聯(lián)電費(fèi)統(tǒng)計(jì)Table 1 Electricity charge statistics of cascade

100 000臺(tái)規(guī)模的級(jí)聯(lián)大約需要建筑面積8 000 m2的廠房，按每平方米50元的取暖費(fèi)計(jì)算，每年需要花費(fèi)40萬(wàn)元。在級(jí)聯(lián)的運(yùn)行過(guò)程中，物料的收集和轉(zhuǎn)儲(chǔ)需要消耗液氮，平均每天大約消耗10 000升液氮。按每升液氮4元錢計(jì)算，級(jí)聯(lián)一年需要支出液氮費(fèi)10 000×4×365=1 460萬(wàn)元。級(jí)聯(lián)每月需要更換冷卻水100噸，按每噸去離子水1 000元計(jì)算，級(jí)聯(lián)每年在去離子水上需花費(fèi)100×0.1×12=120萬(wàn)元。

綜上，級(jí)聯(lián)燃料每年動(dòng)力費(fèi)Ce=7 472.28+40+1 460+120=9 092.28萬(wàn)元。

上述級(jí)聯(lián)燃料動(dòng)力費(fèi)根據(jù)我國(guó)北方地區(qū)溫差較大條件下進(jìn)行費(fèi)用計(jì)算，相對(duì)其他溫差較小地區(qū)，該費(fèi)用偏高。

(2) 固定資產(chǎn)折舊費(fèi)Cd

按照年限平均法，固定資產(chǎn)每年折舊額的計(jì)算公式為：

固定資產(chǎn)凈殘值是預(yù)計(jì)的折舊年限終了時(shí)的固定資產(chǎn)殘值減去清理費(fèi)用后的余額。固定資產(chǎn)凈殘值與固定資產(chǎn)原值之比稱為凈殘值率，凈殘值率一般為3%～5%。

建筑面積8 000 m2的廠房的建設(shè)費(fèi)用約為4 000萬(wàn)元，折舊年限50年，凈殘值率5%。級(jí)聯(lián)總投資規(guī)模200 000萬(wàn)元，折舊年限10年，凈殘值率5%。于是，廠房的年折舊額為76萬(wàn)元，級(jí)聯(lián)的年折舊額為19 000萬(wàn)元。固定資產(chǎn)每年折舊費(fèi)Cd=76+19 000=19 076萬(wàn)元。

以上級(jí)聯(lián)建造成本及廠房建造成本根據(jù)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)類似的級(jí)聯(lián)及廠房建設(shè)費(fèi)用推算。

(3) 工資及勞務(wù)費(fèi)Cw

該級(jí)聯(lián)的日常運(yùn)行維護(hù)需要1 000名工作人員，每人每月工資及獎(jiǎng)金按10 000元計(jì)算，則工資及勞務(wù)費(fèi)Cw=1×1 000×12=12 000萬(wàn)元。

(4) 其他費(fèi)用Co

分離裝置動(dòng)密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化費(fèi)用為每臺(tái)700元，預(yù)計(jì)可以使用10年。故其他費(fèi)用Co=0.07×100 000÷10=700萬(wàn)元。

級(jí)聯(lián)年運(yùn)行成本Crc=9 092.28+19 076+12 000+700=40 868.28萬(wàn)元。

3.2 實(shí)例分析

以分離裝置動(dòng)密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后，級(jí)聯(lián)分離[2-4]SiF4獲取28Si、29Si同位素為例(其中，29Si同位素為中間組分)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

對(duì)分離Si同位素而言，2013年原料單價(jià)為每千克VR=0.035萬(wàn)元，豐度為99.5%以上的28Si產(chǎn)品單價(jià)為每千克VP1=100萬(wàn)元，豐度為7%的29Si產(chǎn)品單價(jià)為每千克VP2=3.5萬(wàn)元，其他豐度的副產(chǎn)品目前暫無(wú)利用價(jià)值。

(1) 使用原動(dòng)密封系統(tǒng)

級(jí)聯(lián)原料年消耗量mR=70.00 t，同位素產(chǎn)品28Si年產(chǎn)量m1=4.32 t，29Si年產(chǎn)量m2=28.00 t[5-11]。單臺(tái)分離裝置年純利為：

Pn0=(100×4.32×103+3.5×28×103-0.035×70×103-9 092.28-19 076-12 000)/100 000=4.87萬(wàn)元。

(2) 使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動(dòng)密封系統(tǒng)

相同運(yùn)行條件下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，單臺(tái)分離裝置的流量提高了11.5%，所以原料消耗量和同位素產(chǎn)品產(chǎn)量均增加11.5%，即mR=78.05噸，m1=4.82噸，m2=31.22噸。單臺(tái)分離裝置年純利為：

Pn0=(100×4.82×103+3.5×31.22×103-0.035×78.05×103-9 092.28-19 076-12 000-700)/100 000=5.47萬(wàn)元。

通過(guò)計(jì)算可知，動(dòng)密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后單臺(tái)分離裝置年純利增加了12.3%。可見，用于穩(wěn)定同位素分離的動(dòng)密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有良好的經(jīng)濟(jì)性。以上所給出的燃料動(dòng)力費(fèi)、工資及勞務(wù)費(fèi)、原料及同位素價(jià)格只是參考價(jià)格，均隨市場(chǎng)供求關(guān)系而變化。

4 結(jié)論

本研究提出了一種衡量級(jí)聯(lián)分離穩(wěn)定同位素經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，單臺(tái)分離裝置年純利，并給出計(jì)算方法。通過(guò)對(duì)一座100 000臺(tái)規(guī)模級(jí)聯(lián)分離SiF4的實(shí)例計(jì)算發(fā)現(xiàn)，動(dòng)密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，單臺(tái)分離裝置年純利增加了12.3%。說(shuō)明優(yōu)化分離裝置的結(jié)構(gòu)能較大幅度地提高級(jí)聯(lián)分離穩(wěn)定同位素的經(jīng)濟(jì)性。

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Study on the Effect of the Separating Unit Optimization on the Economy of Stable Isotope Separation

YANG Kun, CONG Yi-kun, MOU Hong

(ResearchInstituteofPhysicalandChemicalEngineeringofNuclearIndustry,Tianjin300180,China)

An economic criterion called as yearly net profit of single separating unit (YNPSSU) was presented to evaluate the influence of structure optimization on the economy. Using YNPSSU as a criterion, economic analysis was carried out for the structure optimization of separating unit in the case of separating SiF4to obtain the28Si and29Si isotope. YNPSSU was calculated and compared with that before optimization. The results showed that YNPSSU was increased by 12.3% by the structure optimization. Therefore, the structure optimization could increase the economy of the stable isotope separation effectively.

economy; cascade; stable isotope; optimization of structure

10.7538/tws.2015.28.01.0033

2014-06-06;

2014-08-29

楊 坤(1982—)，女，山西大同人，助理研究員，同位素分離專業(yè)

TL99

A

1000-7512(2015)01-0033-04