中放廢液罐車運輸系統分析與改進

李美山，張存平，紀永紅，葉國安，蔣 磊，莫繼鋒

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

中國原子能科學研究院(簡稱原子能院)的一些核設施，如中國先進研究堆(CARR)和中國實驗快堆(CEFR)等，在運行期間產生的中放廢液無法采用傳統的管道方式進行輸送，只能采用罐車方式運輸，為此從德國Goslar公司引進了中放廢液罐車運輸系統。該系統已在德國如卡爾斯魯厄等多個核研究院成功使用，但在國內尚屬首次。該系統主要優點在于運輸靈活、方便，不需要鋪設地下管網。在引進過程中發現該系統的接口部分、裝卸料及沖洗部分以及牽引部分不適合原子能院的實際需求，為此本文對部分系統進行改進。

1 中放廢液罐車運輸系統簡介

1.1 總體布置

罐車運輸系統包括運輸罐車(貨包)和牽引車，如圖1所示。其中運輸罐車是罐車運輸系統的重要部件，其外形尺寸(長×寬×高)為：3 600 mm×2 438 mm×2 134 mm，總體布置如圖2所示。

圖1 罐車運輸系統

圖2 罐車布置示意圖

1.2 罐體結構

罐車既屬于中放廢液運輸裝置，也屬于中放廢液臨時貯存設備。因此，其轉運容器的結構形式滿足多重屏障[1]要求，如圖3所示。

轉運容器由壓力容器層、空氣夾層和屏蔽層組成，其中屏蔽層包括內保護殼、鉛屏蔽體和外保護殼。壓力容器一旦發生泄漏事故，該結構能保證液體被收集在空氣夾層中，而不會直接泄漏到環境中。容器結構參數列于表1。

圖3 轉運容器內部結構3D仿真圖

表1 容器結構參數

1.3 系統組成

1) 真空、壓空系統

真空系統用于控制廢液接收容器的壓力，為廢液和沖洗水的接收提供真空。真空泵在絕對壓力大于5×104Pa時啟動，壓力低于2×104Pa時停止運行。壓空系統主要為氣動閥門提供氣源。

2) 液位測量、泄漏報警系統

液位測量系統包括一套連續液位計和兩套固定液位計。連續液位計能及時顯示液位變化；而固定液位計能與相關閥門聯鎖：即當到達第一個固定液位控制點(80%)時，相關閥門自動關閉，停止接收廢液并開始轉運軟管沖洗；當到達第二個液位控制點(90%)時，系統自動鎖死，手動也無法操作，保證廢液接收安全。

在壓力容器和屏蔽層之間的空氣夾層中設有液體泄漏報警裝置。該裝置采用測量電阻的方式探測泄漏液體，具有較高的靈敏度。

3) 氣體凈化系統

氣體凈化處理系統主要處理系統的真空排氣，由于氣體濕度較大甚至可能霧沫夾帶，因此氣體凈化系統首先對系統排出的氣體進行除水[2]，然后再進行多級凈化，凈化后的氣體排入環境。凈化流程如圖4所示。

圖4 氣體凈化處理流程

4) 攪拌系統

總之，非瓣膜性房顫抗凝的要求就是通過消除折返治療房顫，控制心室率，同時盡可能恢復竇性心律及防止血栓，以促進改善患者預后。

雖然氣體攪拌具有不需要運動部件、操作穩定、結構簡單、能耗低等優點[3]，但在其攪拌過程中會產生大量廢氣。因此，裝置采取液下攪拌器的方式對罐內廢液進行攪拌，以防止形成沉淀和積垢，方便廢液的輸送。

5) 自控系統

為盡量減少操作人員受照時間以及重要環節上的誤操作[4]，控制系統采用PLC進行編程控制，如廢液接收、排空、沖洗及轉出等過程均一鍵操作。

1.4 裝卸料及沖洗工藝

罐車在接口設施內安全停靠后，利用轉運軟管快速對接閥門將設施廢液出口(進口)與罐車廢液進口(出口)快速連接，啟動轉運或卸料程序，系統自動啟動，操作人員站在安全警戒線外觀察。

廢液裝卸完畢后，操作人員啟動轉運軟管沖洗程序，系統自行沖洗，操作人員站在安全警戒線外，利用長桿式劑量率儀檢測軟管表面劑量，適合人員靠近時停止沖洗。轉運完畢后拆卸快速接頭。

2 系統分析與改進

2.1 接口系統分析與改進

在初步設計方案[5]中，罐車運輸系統的進、出料接口位置均設置在罐車頂部，且設施接口相關閥門為手動閥門，如圖5所示。分析認為該工藝的優點在于出口設置在頂部有利于管道液體排空。但其明顯的缺點在于：1) 軟管拆卸操作時需工作人員到罐車頂部，非常不便；2) 罐車系統并未考慮接口閥門的控制問題；3) 屏蔽工作箱內相關閥門均為手動閥門，人工操作時間較長。

圖5 罐車接口初步設計方案示意圖

考慮到操作便利和人員安全，對接口部分提出如下改進：1) 將接口位置改在罐車底部；2) 屏蔽工作箱改為普通工作箱(通過計算，不影響人員操作安全)；3) 手動閥門改為電動閥門并由罐車的控制屏顯示、控制。為解決裝卸料豎管道排盡問題，通過增加細支管道(DN15)來解決。經改進后整個操作由罐車統一控制，真正實現了一體化。改進后的罐車接口部位示意圖如圖6所示。

圖6 改進后罐車接口部位示意圖

2.2 裝卸料與去污沖洗系統分析與改進

初步設計方案是根據德國的運行情況，將裝卸料與去污沖洗系統設計為液位控制操作模式，即液位到達80%后停止接收廢液，開始轉運軟管沖洗操作，當液位達到90%后停止沖洗操作。

該系統的優點是在整個過程中人員僅需按下啟動鍵即可，但前提是設施貯罐廢液存量至少大于0.8 m3；同時由于沖洗過程人員不能及時停止，產生的二次廢液量較大，不能實現廢物最小化。而原子能院廢液貯存罐體積較小，如CARR和CEFR兩設施的廢液貯罐約0.5 m3，原接收模式則無法實現廢液接收、軟管沖洗等全過程操作，因液位無法達到規定液位的80%，造成系統進入無限循環模式，而不能進行下一步操作。

為適應中放廢液的貯存罐容積不統一的現狀，將操作系統進行了改進，使其既可利用液位進行控制，也可手動停止操作。

同時轉運軟管的沖洗操作也做了類似于廢液接收過程的改進，這樣在去污效果達到后，便可停止沖洗操作而無需達到規定液位，減少了二次廢液產生量。

在今后運行過程中沖洗轉運軟管時，沖洗水罐可先保持空罐，利用真空對轉運軟管吹掃幾次，然后再多次注入少量水(5～10 L)進行沖洗去污。

2.3 牽引系統分析與改進

由于牽引車由國內配套，因此德方提供的拖車僅考慮了駐車剎車，而沒有考慮行車剎車。由于原子能院兩堆廠區路段坡度較大，在行駛過程中不可避免地會出現剎車情況，如不能保證有效剎車，系統會出現溜車現象。

針對引進拖車沒有行車剎車的缺點，在牽引車國內配套的過程中，充分考慮了如下因素：運輸路線中最大坡度、坡道起步以及拖車和牽引車行車剎車等。綜合考慮后將原設計的2.5 t牽引車變更為8.0 t牽引車。

其次，將拖車的駐車剎車到位設定為系統啟動的前提條件，即將駐車剎車的信號傳給整個系統，如果該信號不到位系統則無法啟動。避免了在轉運過程中發生溜車，而出現軟管接頭脫落的現象。

3 試驗驗證

為驗證各項工藝的改進效果，在罐車系統到貨后制作了模擬臺架，定性地進行了功能驗證試驗。試驗結果表明：1) 改進后的接口系統操作方便；2) 能順利完成不同體積貯罐中廢液的提取和軟管沖洗；3) 在原子能院現有路況下國內配套牽引車能安全牽引和駐停。

4 結論與建議

1) 罐體采用多層結構，利用真空轉運中放廢液，并配備必要監測手段的罐車系統技術合理、操作安全可靠。

2) 罐車運輸系統經適應性改進后，能更好地滿足原子能院中放廢液運輸的要求，并能保證操作人員的安全。

今后罐車運輸系統國產化設計研究時，可借鑒該系統的結構形式，應重點解決好接口、空氣凈化以及沖洗水最小化等問題。

參考文獻：

[1] 孫明生,孫東輝,王顯德,等. EJ/T940 核燃料后處理廠放射性廢物管理技術規定[S]. 北京：原子能出版社,1995.

[2] 國家核安全局. HAD401/2 核電廠放射性廢物管理系統的設計[S]. 北京:中國法制出版社,1997.

[3] 任曉光,宋永吉,溫曉明,等. 氣體攪拌的萃取塔-液-固系統流體力學性能和傳質特性[J]. 高校化學工程學報,1998,12(4):379-382.

REN Xiaoguang, SONG Yongji, WEN Xiao-ming, et al. Hydrodynamic and mass transfer characteristic of gas liquid system in a gas agitated extractor[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 1998, 12(4): 379-382(in Chinese).

[4] 國家核安全局. GB 9134—1998 輕水堆核電廠放射性固體廢物處理系統技術規定[S]. 北京:中國標準出版社,1988.

[5] 方琳,劉志英,王金明,等. 中放廢液輸送系統建設項目初步設計說明書[M]. 北京：中國原子能科學研究院,2007.