張玉春

（中核陜西鈾濃縮有限公司，陜西漢中 723312）

鈾濃縮廠吹洗系統(tǒng)主要用于容器拆裝或工藝管道檢修前的吹洗工作，其中容器拆裝前的吹洗是鈾濃縮廠操作最為頻繁的工作之一。原有氣體吹洗系統(tǒng)主要由凝凍器、吸附塔、過濾器、2H-15型滑閥真空泵以及噴射泵、以及尾氣處理裝置等組成，如圖1所示。按生產(chǎn)技術(shù)要求，拆裝前需要對被拆裝容器的連接管用氮氣破空后抽空至0.2 mmHg后停止抽空，進行“破空-抽空循環(huán)”5次并深抽2小時以上，方能確保拆裝時拆裝處管道內(nèi)腔樣中放射性鈾元素滿足要求，從而減少廠房環(huán)境的污染，保護工作人員健康。

1 原系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 原系統(tǒng)局限

原吹洗系統(tǒng)是上世紀末設計并投入使用的，隨著系統(tǒng)運行的延長，相比市場現(xiàn)有的最新裝備，其配置存在一定的局限，主要表現(xiàn)如下。

1.1.1 真空獲得設備的局限

1）噴射泵：噴射泵工作時需要消耗大量的壓縮空氣，不僅能耗高，而且需要和調(diào)節(jié)器、減壓閥等系統(tǒng)關鍵設備共用壓縮空氣系統(tǒng)，噴射泵的使用會對調(diào)節(jié)器、減壓閥所用壓空造成一定的壓力波動，可能影響其可靠運行，出于安全考慮噴射泵自調(diào)試投產(chǎn)后就再未使用。

2）滑閥式真空泵：該泵的抽速為15 L·s-1，用油充當工作介質(zhì)，一是其工作介質(zhì)可能返流污染被抽容器，雖然在泵前設置油補集器，但是沒有從根本上解決問題，自使用以來出現(xiàn)過3次返流現(xiàn)象；二是被抽氣體中含有放射性強、化學性質(zhì)活潑的UF6，當泵運行一定周期時需對真空泵油進行更換，而更換下的真空泵油因含有一定的鈾放射性，目前單獨存放，待國內(nèi)專業(yè)公司對其處理后方可排放，成本較高。

1.1.2 自動化水平局限

由于吹洗系統(tǒng)為上世紀末設計的，中間未進行改進，自動化程度相對較低，真空泵的啟、停操作均需在現(xiàn)場進行操作，真空泵的轉(zhuǎn)速、頻率等參數(shù)因其自身配置還無法引入控制系統(tǒng)顯示。

1.2 原吹洗系統(tǒng)運行現(xiàn)狀

1.2.1吹洗操作過程

圖1為原有吹洗系統(tǒng)流程圖，其中1為容器，2為三通真空閥，3為連接管，4為DN3型真空閥，5為各容器的吹洗線支管，6為DN25型真空閥門，7為壓力表，8為凝凍器，9為化學吸附塔，10為過濾器，11電動真空閥門，12為2H-15滑閥泵，13為噴射泵。以容器RQ1（1）拆裝前的連接管（3）吹洗為例說明吹洗操作過程：圖1中，首先將與連接管（3）連接的3個三通真空閥（2）關閉，然后用氮氣通過DN3真空閥（12）對連接管相關管段破空至大氣，關閉破空閥（12），打開連接管（13）至吹洗支管（4）管段中的3個閥門連接吹洗系統(tǒng)，進行抽空，抽至0.2 mmHg后停止抽空，從而完1次吹洗操作，重復循環(huán)5次破空和抽空工作并深抽2小時以上，取連接管內(nèi)腔樣，如果鈾元素含量合格，則完成1次容器拆裝前的吹洗任務。

圖1 原有吹洗系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of original blow wash system

1.2.2 運行局限

原吹洗系統(tǒng)已運行20余年，隨著運行時間的延長，系統(tǒng)的局限性日益凸顯。

1）工作時間長：據(jù)統(tǒng)計目前供取料廠房平均每天約有2個吹洗任務，共耗時約5小時左右，占用很大人力和時間資源；1次吹洗工作中的破空、抽空循環(huán)需耗時10分鐘左右完成。

2）抽速降低：隨著滑閥泵運行的延長，現(xiàn)完成1次破空-抽空循環(huán)需耗時約10分鐘左右，較剛投產(chǎn)時下降約40%。

3）檢修壓力大：隨著吹洗工作任務日趨繁重，滑閥泵運行臺時延長，造成滑閥泵故障增多，維護、保養(yǎng)、檢修壓力增大。

4）泵油存放問題：隨著運行時間的增加，定期更換下的真空泵油單獨存放，尚未處理和排放，存放數(shù)量逐漸增多，急需專業(yè)處理。

2 吹洗系統(tǒng)優(yōu)化思路

為解決系統(tǒng)的局限，提高抽速，避免放射性真空泵油的產(chǎn)生和返流現(xiàn)象的出現(xiàn)，結(jié)合對中國真空泵市場的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)干式真空泵逐漸成熟并得到廣泛應用，可以解決返流現(xiàn)象和放射性射性泵油的產(chǎn)生問題。因此，提出如下優(yōu)化思路：

1）采用無油干式真空泵替代原系統(tǒng)的滑閥泵和噴射泵，解決返流和放射性泵油的問題；

2）對系統(tǒng)管線流程進行優(yōu)化，降低吹洗系統(tǒng)的管流阻力[1]；

3）結(jié)合干泵的安裝，將系統(tǒng)上的壓力、

泵的轉(zhuǎn)速等信號引入DCS[2]控制系統(tǒng)并與泵建立聯(lián)鎖關系和信號報警裝置，實現(xiàn)遠控操作和監(jiān)測。

2.1 真空泵的選型

目前市場上的干式真空泵主要有兩類：一類是以渦旋泵[3-4]為代表的動量傳輸式干泵；另一類是羅茨泵或螺桿泵為代表的容積式干泵，具體見表1，極限壓力介于10～10-2Pa，抽速介于20～3 000 m3/h。

原吹洗系統(tǒng)配置的真空泵為2H-15型滑閥泵，可直抽、直排大氣，能在入口壓力變化較大時穩(wěn)定工作，抽空深度小于1 Pa。根據(jù)表1，渦旋泵是替代滑閥泵的最佳選擇。渦旋泵具有結(jié)構(gòu)簡單，有效容積利用系數(shù)大，較高的壓縮比，在較寬的壓力范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的抽速，真空，可靠性高、安裝簡單、能耗低等優(yōu)點。國內(nèi)外渦旋泵生產(chǎn)商很多，主要有ULVAC(愛發(fā)科)、IWATA(鹽田)、Varian公司、Edwards公司、沈科儀公司、郎禾公司等品牌。為提高抽速，渦旋泵選型時盡可能的選用相對大抽速的型號，比如日本鹽田ISP-1000型渦旋泵，最高抽速可達20L/s（60 Hz時），表2為鹽田品牌渦旋泵的性能參數(shù)，其抽速曲線見圖2，從圖中可看出ISP-1000渦旋泵可在1～105Pa入口壓力范圍內(nèi)工作，且入口壓力50～105Pa時抽速接近20 L/s，選用1臺ISP-1000型渦旋泵替代滑閥泵可滿足系統(tǒng)日常工作要求，另選1臺郎禾LH-20型渦旋泵也用于代替噴射泵，不僅用于工作，還可測試國產(chǎn)渦旋泵的穩(wěn)定性和可靠性，為其他系統(tǒng)的渦旋泵的選型提供更大的選擇空間。

2.2 原吹洗系統(tǒng)管線優(yōu)化

2.2.1 吹洗系統(tǒng)體積與其抽速的關系

對密閉真空系統(tǒng)的從常壓下開始抽氣，系統(tǒng)壓力逐步下降，此過程以及摩爾數(shù)的減少和抽氣速度之間分別存在(1)和(2)微分方程式：

表1 不同干式真空泵的性能參數(shù)Table1 Performance parameters of different dry pumps

表2 ISP型渦旋真空泵的性能參數(shù)Table 2 performance parameters of ISP-1000 scroll vacuum pump

圖2 不同型號鹽田真空泵的抽氣速率-入口壓力曲線Fig.2 Curves of pumping speed Versus inlet pressure of different IWATA scroll vacuum pumps

式中：V為系統(tǒng)氣相空間的體積；P為系統(tǒng)壓力；n為系統(tǒng)內(nèi)氣體的摩爾數(shù)；T為系統(tǒng)溫度，S為抽氣速率，t為抽氣時間。將（2）式代入（1）式，積分得抽氣時間計算式：

式中P1為起始壓力；P2為終點壓力。

根據(jù)（3）式計算吹洗操作中連接管破空至大氣后用吹洗系統(tǒng)將其抽空至0.2 mmHg所需時間和吹洗系統(tǒng)體積的關系，具體計算過程如下：

破空體積：管徑為DN25，長度為2 m，體積(V1)為0.981 5 L，考慮連接兩端的閥門部分內(nèi)腔，則破空處管段的體積為1 L。設吹洗系統(tǒng)的體積為V2，壓力長期維持在0.2 mmHg左右，打開抽空閥后吹洗系統(tǒng)的平衡壓力P3由（4） 式 計 算 ， 將 V1=1， P1=760 mmHg， V3=1+V2， P2=0.2 mmHg代入（4）可得（5）：

將（5）式代入（3）式替換其中的P1，而終點壓力P2則為0.2 mmHg，得：

對（6）式中V2進行求導，得：

經(jīng)計算，當V2介于[0，107]時(7)時均為正，因此(6)式為增函數(shù)，即：一次吹洗操作所需抽空時間隨吹洗系統(tǒng)體積增大而延長。由此，在吹洗系統(tǒng)優(yōu)化時應盡量減低系統(tǒng)總體積V2。

2.2.2 吹洗系統(tǒng)管線流程優(yōu)化

根據(jù)前面的計算結(jié)論和工程流體力學降低管流阻力常識，吹洗系統(tǒng)優(yōu)化時從以下幾個方面進行：

1）結(jié)合最新的除鈾[5-7]新工藝技術(shù)，取消了凝凍器，及其進出口相關管段、閥門、三通等，不僅降低了系統(tǒng)的總體積，還減少了系統(tǒng)的局部阻力；

2）結(jié)合鹽田ISP-1000和朗禾LH-20渦旋泵的安裝，不僅取消了配套的壓縮空氣系統(tǒng)，還同步改進了真空泵入口管道的管徑，由DN25提升至DN40，與泵入口管徑一致，降低變徑對泵抽速的影響；

3）借吹洗系統(tǒng)優(yōu)化改進之際，在確保功能實現(xiàn)的情況下，吹洗系統(tǒng)管線梳理中壓縮的長度，降低系統(tǒng)總體積約30 L。

圖3為改進后的吹洗系統(tǒng)路程圖。

圖3 優(yōu)化后的吹洗系統(tǒng)流程圖Fig.3 The flow chart of improvement blow wash system

2.3 控制系統(tǒng)

將干管壓力、泵的溫度、轉(zhuǎn)速、泵入口壓力、變頻器頻率等信號引入至控制室已有的DCS系統(tǒng)并與泵、電動真空閥之間建立聯(lián)鎖關系，設置報警信息等，從而遠控實現(xiàn)泵的啟停操作和對系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控。

3 試驗與監(jiān)測結(jié)果

3.1 抽空速度試驗

在供取料系統(tǒng)上選取離泵最遠的RQ8的連接管拆裝前的吹洗操作，用于測試優(yōu)化后的吹洗系統(tǒng)在1次吹洗操作中的抽空速度。試驗方法為：將RQ8的連接管管段用液氮破空至大氣，關閉破空閥然后打開抽空閥開始抽空并計時，試驗結(jié)果顯示，鹽田和郎禾渦旋泵均用時2分鐘將RQ8的連接管抽空至0.2 mmHg以下，相比原有系統(tǒng)節(jié)約時間約8分鐘，見圖4，滿足連接管吹洗操作的要求。

3.2 直抽大氣試驗

關閉RQ1容器本身閥和泵前電閥，通過破空閥4進行對整個吹洗線系統(tǒng)進行破空至大氣平衡后開始啟動抽空并計時，試驗結(jié)果如圖5所示，鹽田和郎禾渦旋泵分別用時18分鐘和20分鐘均將系統(tǒng)抽空至0.2 mmHg以下，可以滿足系統(tǒng)偶爾的操作需求。

圖4 RQ4容器連接管1次吹洗操作的抽速-系統(tǒng)壓力曲線Fig.4 Curves of pumping speed Ver?sus pressure of evacuation system in one operation of blow wash of RQ4 by IWATA scroll vacuum pumps

圖5 專用抽空系統(tǒng)直抽大氣時抽速與系統(tǒng)壓力變化曲線Fig.5 Curves of pumping speed Versus pressure of evacuation system by IWATA and Lang he scroll vacuum pumps

3.3 尾氣排放結(jié)果

根據(jù)100天的廠房房頂排氣管的取樣監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：優(yōu)化后的吹洗系統(tǒng)的尾氣排放有害物質(zhì)UF6和HF的濃度均低于《核燃料循環(huán)放射性流出物歸一化排放量管理限值》（GB13695-92）規(guī)定的排放限值（UF6按鈾計控制濃度限值≤0.002 mg·m-3，HF按氟計控制濃度限值≤1 mg·m-3）要求，具體見圖6和圖7。

圖6 100天統(tǒng)計系統(tǒng)尾氣UF6含量Fig.6 The UF6content of sys?tem waste gas according to the statistics of 100 days

圖7 100天統(tǒng)計系統(tǒng)尾氣HF含量Fig.7 the HF content of sys?tem waste gas according to the statistics of 100 days

3.4 被吹洗管道內(nèi)腔樣

對3個月內(nèi)眾多連接管吹洗任務中的破空管段內(nèi)腔樣數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，結(jié)果表明內(nèi)腔樣中鈾氣溶膠含量均低于《電離輻射防護與輻射源安全標準》（GB18871-2002）規(guī)定的限值(≤40μgk m-3)。隨機抽取5組數(shù)據(jù)，見表3合格率100%。

表3 連接管內(nèi)腔取樣數(shù)據(jù)Table.3 Sampling data of inside of connecting pipeline

4 結(jié)論

通過對原有吹洗系統(tǒng)的配置、管線流程、真空泵等進行優(yōu)化，并進行考核試驗，結(jié)果表明，新吹洗系統(tǒng)基本滿足工廠生產(chǎn)所需，提高了工作效率，避免了放射性真空泵油的產(chǎn)生和返流現(xiàn)象的出現(xiàn)。新系統(tǒng)中渦旋泵的應用，運行可靠，可推廣應用至其他系統(tǒng)，比如替代取樣系統(tǒng)的水環(huán)式真空泵、零位系統(tǒng)滑閥泵等。此外，后續(xù)可進行國產(chǎn)渦旋泵的考核試驗，以驗證國產(chǎn)和進口渦旋泵的性能、穩(wěn)定性等差異情況，如果差異不大，可以考慮選用國產(chǎn)渦旋泵，其成本直接降低三分之一以上。

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