鈾濃縮工廠吹洗工藝優(yōu)化

孫繼全　楊小松　王鐵軍

【摘 要】本文針對(duì)鈾濃縮工廠吹洗工藝在操作程序、能耗、安全性以及經(jīng)濟(jì)性等多方面的不足，通過尋找一種新型的真空泵替代噴射泵及滑閥泵，實(shí)現(xiàn)噴射泵及滑閥泵的功能，使氣體吹洗系統(tǒng)擺脫了壓縮空氣系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了吹洗線路；并且，探索了更優(yōu)的工藝取代了原吹洗操作方式。

【關(guān)鍵詞】吹洗；渦旋泵；噴射泵；滑閥泵；抽空

【Abstract】The purge system of uranium enrichment plant has many deficiencies， such as operation procedures， energy consumption， safety and economy etc. In view of the present situation， this project by looking for a new type vacuum pump instead of jet pump and slide valve pump. The successful application of the new type vacuum pump make the purge system is free from the compressed air system， and simplifies the process pipeline. Beyond that， exploration of a better process to replace the original purge operation.

【Key words】Purge； Vortex pump； Jet pump； Slide valve pump； Evacuation

0 引言

鈾濃縮工廠氣體吹洗系統(tǒng)是在設(shè)備、容器、管道拆裝或檢修時(shí)為減少?gòu)S房環(huán)境的污染及保護(hù)工作人員健康而設(shè)置的。氣體吹洗系統(tǒng)后端還設(shè)有尾氣處理裝置，尾氣經(jīng)處理裝置處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后排入大氣。目前，國(guó)內(nèi)的吹洗工藝為：當(dāng)廠房?jī)?nèi)有開放操作時(shí)需要事先對(duì)拆裝點(diǎn)內(nèi)腔進(jìn)行吹洗操作，操作步驟為先用滑閥泵對(duì)內(nèi)腔進(jìn)行多次的破空及深抽空，將內(nèi)腔的絕大部分殘余物料（六氟化鈾、氟化氫）冷凝到特定的容器內(nèi)，在拆裝作業(yè)前啟用噴射泵維持拆裝點(diǎn)處于負(fù)壓狀態(tài)，使得拆裝時(shí)大量空氣源源不斷地進(jìn)入拆裝點(diǎn)的管道內(nèi)，此時(shí)拆裝點(diǎn)內(nèi)腔殘留的極少數(shù)物料，會(huì)被大量的空氣一并帶入氣體吹洗系統(tǒng)，從而保證了廠房的清潔以及工作人員的安全。

1 現(xiàn)狀及優(yōu)化方向

1.1 吹洗工藝現(xiàn)狀

噴射泵的使用需要耗費(fèi)大量的壓縮空氣，因此工廠專門為噴射泵配置了一套壓空系統(tǒng)。噴射泵的運(yùn)行效率很低、耗能大，其抽空深度約為410mmHg，耗氣量約為0.20kg/s，相當(dāng)9.28Nm3/min，根據(jù)空氣壓縮機(jī)的選型要求為噴射泵配套了60kW的空氣壓縮機(jī)。每當(dāng)有吹洗操作時(shí)，都需要啟用空氣壓縮機(jī)，耗能嚴(yán)重[1]。

并且，滑閥泵的工作特性決定其不能用于長(zhǎng)時(shí)間抽空大氣，滑閥泵在進(jìn)氣壓力超過75mmHg時(shí)，排氣孔會(huì)放出油霧，造成油霧的原因?yàn)椋哼M(jìn)氣壓力高造成泵內(nèi)壓縮腔的壓力顯著增高，被排氣體從小的排氣口猛烈地沖出，在小孔和排氣閥近旁的油被霧化，和氣體一起排出泵外[2]。因此，為了減輕這種影響，在用滑閥泵抽空時(shí)，還要手動(dòng)控制泵前閥門以控制滑閥泵進(jìn)氣壓力不超過75mmHg，操作繁瑣。原吹洗工藝流程如圖1。

1.2 優(yōu)化方向

隨著工廠的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，廠房?jī)?nèi)容器周轉(zhuǎn)量將大幅度增加，吹洗操作任務(wù)會(huì)更加繁重，現(xiàn)有的吹洗操作工藝將難以滿足容器的正常周轉(zhuǎn)。因此對(duì)現(xiàn)有的吹洗工藝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，探索一種高效、簡(jiǎn)潔的吹洗操作工藝勢(shì)在必行。

優(yōu)化方向：找尋一種工作真空區(qū)域?qū)挘瑥臉O限真空到大氣壓可連續(xù)運(yùn)行且極限真空小于0.5mmHg的真空泵，可以同時(shí)替代滑閥泵及噴射泵，省去手動(dòng)控制泵前閥門、以及頻繁啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)的操作環(huán)節(jié)。同時(shí)，在滿足廠房尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，探索更優(yōu)的吹洗操作取代多次破空抽空的操作方式。

2 真空泵的選型

對(duì)真空泵的首要要求：能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的直抽大氣且能將管道、設(shè)備內(nèi)腔抽空至小于0.5mmHg。通過對(duì)各類真空泵（如真空羅茨泵、爪式泵以及無油干式渦旋泵）進(jìn)行比較細(xì)致的調(diào)研，結(jié)合成本、性能等分析比較，最終確定選擇了無油干式渦旋泵（以下簡(jiǎn)稱渦旋泵）。渦旋泵的主要優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子間隙小、泄漏少，具有較高的壓縮比，在較寬的壓力范圍內(nèi)有穩(wěn)定的抽速，工作壓力范圍寬[3]。

渦旋泵由泵頭、電機(jī)、機(jī)座等構(gòu)成，其中泵頭含有動(dòng)、定渦旋盤、曲軸、密封件、風(fēng)扇和泵殼等，渦旋盤為圓形平面和其上伸出的一條或幾條漸開線型螺旋盤組成，定渦旋盤與動(dòng)渦旋盤組成渦旋盤付構(gòu)成渦旋泵的基本工作腔。工作過程中動(dòng)、定渦旋盤依靠相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成容積不斷縮小的新月形吸氣腔和壓縮腔，通過吸氣、壓縮、排氣的循環(huán)，使氣體從抽氣口吸入、排氣口排出，實(shí)現(xiàn)對(duì)被抽腔體抽真空[4]。圖2為渦旋泵工作腔吸、排氣原理示意圖，（a）動(dòng)渦旋盤作行星（偏心）運(yùn)行，氣體從開口外緣被吸入；（b）氣體進(jìn)入渦旋盤后，開口封閉；（c）隨著動(dòng)渦旋盤繼續(xù)作行星運(yùn)行，氣體被壓入越來越小的空間；（d）氣體從中央排氣口排出；（e）事實(shí)上，在工作中氣體通道均處于不同的壓縮階段，從而保證吸、排氣過程連續(xù)不間斷。

3 設(shè)備改造及試驗(yàn)

3.1 設(shè)備改造

工廠氣體吹洗系統(tǒng)一般設(shè)置兩套裝置，一套工作一套備用。先對(duì)其中一套裝置進(jìn)行改造，與另一套裝置進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)后，再對(duì)另一套裝置進(jìn)行改造。

3.2 抽空能力（速度）試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：在廠房最遠(yuǎn)端、中端、近端設(shè)置一個(gè)破空點(diǎn)連續(xù)破空，分別啟用噴射泵和渦旋泵進(jìn)行抽空，記錄破空點(diǎn)及泵入口壓力，對(duì)比渦旋泵與噴射泵的抽空速度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1?？梢钥闯觯簻u旋泵的抽空能力大于噴射泵，可以取代噴射泵。

3.3 抽空深度試驗(yàn)

3.3.1 泵本身抽空深度

關(guān)閉渦旋泵進(jìn)氣閥門，對(duì)泵本身的極限抽空深度進(jìn)行三次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。

3.3.2 系統(tǒng)抽空深度

相對(duì)于渦旋泵本身的抽空深度，其抽空系統(tǒng)的抽空深度更加重要，即渦旋泵能將系統(tǒng)上拆裝點(diǎn)內(nèi)腔抽空到什么程度。根據(jù)工廠運(yùn)行規(guī)程，要求能對(duì)拆裝點(diǎn)內(nèi)腔深抽至0.5mmHg以下即可滿足要求。分別選取廠房?jī)?nèi)遠(yuǎn)、中、近端3個(gè)拆裝點(diǎn)，測(cè)試渦旋泵深抽拆裝點(diǎn)內(nèi)腔的抽空深度，其中1點(diǎn)為廠房遠(yuǎn)端，3點(diǎn)為廠房近端。測(cè)試方法為：將拆裝點(diǎn)內(nèi)腔破空至大氣，關(guān)閉破空閥然后開始抽空并計(jì)時(shí)。測(cè)試結(jié)果顯示，渦旋泵能在較短時(shí)間內(nèi)將廠房?jī)?nèi)不同點(diǎn)的內(nèi)腔抽空至0.5mmHg以下，滿足真空測(cè)量要求。內(nèi)腔壓力抽至0.5mmHg以下后，進(jìn)一步繼續(xù)抽空，最終抽空壓力穩(wěn)定在0.1mmHg左右。圖5為測(cè)試結(jié)果。

3.3.3 對(duì)比滑閥泵抽空試驗(yàn)

進(jìn)行渦旋泵與滑閥泵的抽空深度對(duì)比試驗(yàn)，選取的試驗(yàn)點(diǎn)為廠房遠(yuǎn)端及近端的拆裝點(diǎn)。為了試驗(yàn)更加接近實(shí)際，模擬真實(shí)的拆裝后抽空環(huán)境，試驗(yàn)時(shí)對(duì)拆裝點(diǎn)內(nèi)腔破空至大氣的同時(shí)，也將氣體吹洗系統(tǒng)的吹洗干管破空，此時(shí)拆裝點(diǎn)內(nèi)腔連同整個(gè)吹洗干管內(nèi)都是大氣狀態(tài)，與真實(shí)的拆裝后抽空的情況相似，關(guān)閉破空閥后啟動(dòng)渦旋泵抽空并開始計(jì)時(shí)，直至將拆裝點(diǎn)內(nèi)腔壓力抽至0.5mmHg以下；用同樣的方法及標(biāo)準(zhǔn)通過滑閥泵抽空。兩臺(tái)泵的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6，可以看出：在管道內(nèi)壓力很高時(shí)，渦旋泵的抽空能力優(yōu)于滑閥泵；隨著管道壓力的降低，兩臺(tái)泵的抽空能力變得相當(dāng)；當(dāng)管道壓力繼續(xù)降低時(shí)，滑閥泵的抽空能力要略優(yōu)于渦旋泵?？傮w來說：兩臺(tái)泵的抽空能力相當(dāng)，將拆裝點(diǎn)內(nèi)腔壓力抽空至0.5mmHg所需的時(shí)間差不多，渦旋泵可以替代滑閥泵。

4 操作優(yōu)化

氣體吹洗系統(tǒng)的作用：一是，在設(shè)備、容器、管道拆裝或檢修時(shí)為減少?gòu)S房環(huán)境的污染及保護(hù)工作人員健康；二是，盡可能收集拆裝點(diǎn)內(nèi)腔的殘余物料，使進(jìn)入后端尾氣處理系統(tǒng)的物料盡可能少，延長(zhǎng)尾氣處理裝置的更換周期。那么，原來多次破空抽空的操作方式有沒有優(yōu)化的空間，為此，在尾氣管線上安裝鈾氟檢測(cè)儀表，先檢測(cè)多次破空抽空方式尾氣線上的鈾氟含量，結(jié)果顯示隨著次數(shù)的增加含量逐漸減少；采用單次深抽空并維持，檢測(cè)尾氣線上鈾氟含量，結(jié)果顯示隨著時(shí)間的增加含量逐漸減少。兩種方式尾氣線上的鈾氟累積量相似，因此吹洗操作可優(yōu)化為只對(duì)內(nèi)腔進(jìn)行深抽空并維持一段時(shí)間，避免了吹洗時(shí)多次破空的開放作業(yè)，節(jié)約人力成本，增加固有安全性。

5 結(jié)果

渦旋泵替代噴射泵及滑閥泵并對(duì)吹洗操作進(jìn)行優(yōu)化后，擺脫了壓縮空氣系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、節(jié)能，并且大幅簡(jiǎn)化操作程序，降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。吹洗工藝可以優(yōu)化為：當(dāng)廠房?jī)?nèi)有開放操作時(shí)用渦旋泵事先對(duì)拆裝點(diǎn)內(nèi)腔進(jìn)行深抽空并維持一段時(shí)間后停泵，然后在拆裝作業(yè)前再次啟用渦旋泵維持拆裝點(diǎn)內(nèi)腔處于負(fù)壓狀態(tài)，完成拆裝，其工藝流程簡(jiǎn)圖如圖7。

【參考文獻(xiàn)】

[1]都國(guó)華，尹伯德.噴射泵在一氧化氮吸收裝置中的應(yīng)用[J].石油化工，1998（12）：907-909.

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[3]楊旭，等.渦旋式真空泵現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)分析[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，29（3）：83-88.

[4]王欲知，陳旭.真空技術(shù)[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：241-242.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]