鈾濃縮廠專用抽空系統(tǒng)的構建

張玉春

摘 要：本文介紹了鈾濃縮廠日常吹洗操作流程和參數控制，分析了原吹洗工作中抽空存在的弊端。為提高工作效率，減少對供料凈化線抽空的占用，避免使用吹洗小車抽空時連接管的反復拆裝，充分考慮現場布局、操作控制參數和UF6的特點，構建了抽空系統(tǒng)專用于吹洗操作。經過抽空、直抽大氣試驗以及實際運行的考核，專用抽空系統(tǒng)基本滿足運行所需，后續(xù)還可進一步將渦旋泵推廣應用到其他鈾濃縮廠系統(tǒng)。

關鍵詞：吹洗 抽空系統(tǒng) 干式渦旋真空泵 抽空速度

中圖分類號：TL25+2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0117-04

鈾濃縮廠供取料廠房的原料凈化、容器拆裝或工藝管道檢修前的吹洗工作是最為頻繁的工作之一。按生產技術要求，拆裝前需要對被拆裝的管道破空吹洗5次并深抽2h以上，方能確保拆裝處管道內腔樣中放射性鈾元素滿足安全要求。目前，吹洗工作中的抽空是由供料凈化抽空系統(tǒng)或移動抽空小車完成。為提高效率，降低操作次數，急需構建、安裝抽空系統(tǒng)[1-3]專用于吹洗工作。

1 原系統(tǒng)現狀和弊端

1.1 原系統(tǒng)現狀和吹洗工作過程

系統(tǒng)容器布置如圖1所示，其中1為DN200真空閥門，2為DN25真空閥門，3為工藝管道，4為連接軟管，5為容器，6為工藝支管道，7為盲板和破空點，8為DN25的三通真空閥，其中連接軟管4與其兩端的DN25的閥門的連接方式為法蘭連接。以容器RQ1拆裝前的連接管吹洗為例說明吹洗操作過程：圖1中，首先將與連接管（4）連接的兩個三通真空閥（8）關閉，然后用氮氣通過7對連接管相關管段破空至大氣，關閉安裝盲板，打開連接管8與吹洗支管（4）連接經供料凈化系統(tǒng)進行抽空，抽至0.2mmHg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2h以上，取連接管內腔樣，如果鈾元素含量合格，則完成1次容器拆裝前的吹洗任務。

1.2 原系統(tǒng)弊端

吹洗工作中的抽空存在以下弊端：（1）工作中的抽空占用了供料凈化系統(tǒng)的線路和設備，影響供料凈化的正常進行，還需協(xié)調凈化和吹洗工作，增加操作次數；（2）供料凈化系統(tǒng)抽空設備主要用于凈化工作，用于吹洗抽空時由于管線太長、管阻大、體積大等因素導致單次抽空需10min以上；（3）采用移動抽空小車抽空前，需安裝用于連接抽空的軟管，完成吹洗任務后拆除，多次安裝和拆除連接件易導致連接處有漏。因此，為提高效率，降低操作次數，急需構建、安裝抽空系統(tǒng)[1-3]專用于吹洗工作。

2 專用抽空系統(tǒng)構建

專用抽空系統(tǒng)構建只用于容器拆裝前吹洗操作的使用。根據操作規(guī)程，專用抽空系統(tǒng)工作壓力范圍為101～105Pa，抽空深度應低于26.6Pa（0.2mmHg）。此外，原抽空方式單次抽空需耗時10min，可以在系統(tǒng)構建時考慮降低至5min以下。

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，此過程以及摩爾數的減少和抽氣速度之間分別存在（1）和（2）微分方程式：

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)內氣體的摩爾數；T為系統(tǒng)溫度；S為抽氣速率；t為抽氣時間。將（2）式帶入（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。

我們根據（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0.2mmHg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2m，體積（V1）為0.9815L，考慮連接兩端的閥門部分內腔，則破空處管段的體積為1L。設專用抽空系統(tǒng)的體積為V，壓力長期維持在0.2mmHg左右，打開抽空閥后吹洗系統(tǒng)的平衡壓力P2由（4）式計算，將V1=1，P1=760mmHg，V=1+V1，P=0.2mmHg帶入（4）可得（5）：

（5）將（5）式帶入（3）式替換其中的P1，而終點壓力為0.2mmHg，得：

對（6）式中V進行求導，得：

當V大于介于區(qū)間[0，107]均為正，因此（6）式為增函數，即1次吹洗操作所需抽空時間隨抽空系統(tǒng)體積增大而延長。由此，在抽空系統(tǒng)構建時應盡量減低系統(tǒng)總體積V。

2.2 專用抽空系統(tǒng)構建

2.2.1 設備配置

由于被抽空氣體中含有UF6，其不僅含有放射性，化學性質較為活潑，易與水起反應生成固體小顆粒氟化鈾酰和HF氣體。為減少UF6、HF氣體、氟化鈾酰顆粒對泵和尾氣的放射性污染和腐蝕，須在真空泵前配置以下設備：

（1）化學吸附裝置：用于對UF6和HF氣體的吸附。

（2）過濾裝置：用于對氟化鈾酰顆粒的過濾。

上述設備可以實現對鈾元素的回收和再利用，確保尾氣排放合格。

2.2.2 抽空線路構建

根據上節(jié)的計算，管道線路設計上盡量用最小的體積實現系統(tǒng)的搭建工作。線路設計中具體考慮如下：

（1）管徑：為了降低管阻對抽空的影響，專用抽空系統(tǒng)的吹洗線管徑和容器連接管管徑保持一致均為DN25；過濾器后至真空泵處以及真空泵后至局排管道由真空泵的進、排口管徑決定；

（2）管道長度：根據廠房布局和現場的空間，盡量控制管道的長度，以期實現最小的抽空體積；

（3）儀表設計：管線上設置壓力儀表用于檢測抽空管線的壓力并把壓力信號傳至控制室的DCS系統(tǒng)，至少設置3個壓力儀表，降低壓降的影響；

（4）干管和抽空線連接位置：干管和抽空線的連接位置最好選擇吹洗線的中間位置，以降低離泵最遠和最近容器的連接管的抽空差異。

根據上述分析，我們構建出專用抽空系統(tǒng)如圖2所示，其中1為與容器連接管的連接處（圖1中的7），2為真空閥門，3為吹洗線支管，4為電動真空閥門，5為真空泵，6為壓力表，7為干管，8為化學吸附塔，9為過濾器，10為抽空系統(tǒng)與吹洗線干管的連接處，11為軟管，12為DN3真空閥。

整個抽空系統(tǒng)體積為：DN25管道長度為70m，體積約為35L，化學吸附塔體積為24L，過濾器體積為20L，過濾器后至真空泵前管道長度為1.5m，管徑與真空泵入口管徑一致，整個系統(tǒng)的體積將超過80L。

2.2.3 真空泵的選型

因系統(tǒng)中含鈾，為避免鈾放射性真空泵油的產生，首選無油干式真空泵。干式真空泵主要有兩類：一類是以渦旋泵[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20～3000m3/h。

根據吹洗技術參數、抽空系統(tǒng)體積不到100L及工作壓力范圍，所選真空泵應具有較高的壓縮比且抽空范圍要大，而抽速不需太大，而抽空深度為1Pa以下即可。根據表2，渦旋泵具有結構簡單，有效容積利用系數大，較高的壓縮比，在較寬的壓力范圍內具有穩(wěn)定的抽速，真空度高，可靠性高、安裝簡單等優(yōu)點，適合用于專用抽空線。用20L/s抽速的渦旋泵安裝于專用抽空系統(tǒng)完成1次吹洗抽空，理論耗時約20s，可滿足要求。國內外渦旋泵生產商很多，主要有ULVAC（愛發(fā)科）、IWATA（鹽田）、Varian公司和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地選用相對大抽速的型號，考慮國外價格較為昂貴和抽空系統(tǒng)真空泵主備用設置，郎禾和鹽田公司的渦旋泵（20L/s抽速）各安裝1臺。表2為鹽田品牌渦旋泵的性能參數，圖3未鹽田渦旋泵不同型號的抽速曲線，從圖中可以看出鹽田ISP-1000渦旋泵可以在10-2～105Pa入口壓力范圍內工作，且50～105Pa抽速接近20L/s，能夠滿足系統(tǒng)要求，同時還可以為系統(tǒng)深抽提供方便。

2.2.4 控制系統(tǒng)

將干管壓力、泵的溫度、轉速、泵入口壓力、變頻器頻率等信號引入至控制室已有的DCS[5]系統(tǒng)并與泵、電動真空閥之間建立聯(lián)鎖關系，從而遠控實現泵的啟停操作和監(jiān)控，確保設備可靠穩(wěn)定運行。

3 抽空試驗情況

3.1 抽空速度

選取離泵最遠的容器RQ8連接管拆裝前的吹洗抽空工作，用于測試抽空系統(tǒng)在1次吹洗抽空中的抽空速度。試驗方法為：將RQ8連接管管段用液氮破空至大氣，關閉破空閥后打開抽空閥開始抽空并計時，試驗結果顯示，鹽田和郎禾渦旋泵均用時3min將不同位置連接管抽空至0.2mmHg以下，相比原系統(tǒng)節(jié)約6min。圖4為鹽田渦旋泵在RQ8容器連接管1次吹洗工作的抽速曲線。

3.2 直抽大氣試驗

關閉所有支管中的閥門8（圖1），通過破空閥12（圖2）進行對整改吹洗線系統(tǒng)進行破空至大氣平衡后開始啟動抽空并計時，試驗結果如圖5所示，鹽田和郎禾渦旋泵均能在20min內將系統(tǒng)抽空至0.2mmHg以下，可以滿足系統(tǒng)技術要求。

4 結語

經過前期的計算、構建、安裝、試驗，專用抽空系統(tǒng)基本滿足工廠生產所需，提高了效率。干式渦旋泵的應用，有效避免放射性真空泵油的產生，可推廣應用其他系統(tǒng)，比如替代取樣系統(tǒng)的水環(huán)式真空泵、滑閥泵等。此外，后續(xù)可進行國產渦旋泵的考核試驗，以驗證國產和進口渦旋泵的性能、穩(wěn)定性等差異，如果差異不大，可以考慮選用國產渦旋泵，其成本直接降低1/3以上。

參考文獻

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