鈾濃縮廠吹洗系統優化

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。按生產技術要求，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”5次并深抽2小時以上，方能確保拆裝時拆裝處管道內腔樣中放射性鈾元素滿足要求，從而減少廠房環境的污染，保護工作人員健康。

1 原系統現狀

1.1 原系統局限

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

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，而且需要和調節器、減壓閥等系統關鍵設備共用壓縮空氣系統，噴射泵的使用會對調節器、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試投產后就再未使用。

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，一是其工作介質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，自使用以來出現過3次返流現象；二是被抽氣體中含有放射性強、化學性質活潑的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，待國內專業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、停操作均需在現場進行操作，真空泵的轉速、頻率等參數因其自身配置還無法引入控制系統顯示。

1.2 原吹洗系統運行現狀

1.2.1吹洗操作過程

圖1為原有吹洗系統流程圖，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，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5次破空和抽空工作并深抽2小時以上，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。

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

1.2.2 運行局限

原吹洗系統已運行20余年，隨著運行時間的延長，系統的局限性日益凸顯。

1）工作時間長：據統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，現完成1次破空-抽空循環需耗時約10分鐘左右，較剛投產時下降約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、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，存放數量逐漸增多，急需專業處理。

2 吹洗系統優化思路

為解決系統的局限，提高抽速，避免放射性真空泵油的產生和返流現象的出現，結合對中國真空泵市場的調研，發現干式真空泵逐漸成熟并得到廣泛應用，可以解決返流現象和放射性射性泵油的產生問題。因此，提出如下優化思路：

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

2）對系統管線流程進行優化，降低吹洗系統的管流阻力[1]；

3）結合干泵的安裝，將系統上的壓力、

泵的轉速等信號引入DCS[2]控制系統并與泵建立聯鎖關系和信號報警裝置，實現遠控操作和監測。

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定工作，抽空深度小于1 Pa。根據表1，渦旋泵是替代滑閥泵的最佳選擇。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定的抽速，真空，可靠性高、安裝簡單、能耗低等優點。國內外渦旋泵生產商很多，主要有ULVAC(愛發科)、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，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，還可測試國產渦旋泵的穩定性和可靠性，為其他系統的渦旋泵的選型提供更大的選擇空間。

2.2 原吹洗系統管線優化

2.2.1 吹洗系統體積與其抽速的關系

對密閉真空系統的從常壓下開始抽氣，系統壓力逐步下降，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：

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

表2 ISP型渦旋真空泵的性能參數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為系統氣相空間的體積；P為系統壓力；n為系統內氣體的摩爾數；T為系統溫度，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（3）式計算吹洗操作中連接管破空至大氣后用吹洗系統將其抽空至0.2 mmHg所需時間和吹洗系統體積的關系，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腔，則破空處管段的體積為1 L。設吹洗系統的體積為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：

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

2.2.2 吹洗系統管線流程優化

根據前面的計算結論和工程流體力學降低管流阻力常識，吹洗系統優化時從以下幾個方面進行：

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

2）結合鹽田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，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）借吹洗系統優化改進之際，在確保功能實現的情況下，吹洗系統管線梳理中壓縮的長度，降低系統總體積約30 L。

圖3為改進后的吹洗系統路程圖。

圖3 優化后的吹洗系統流程圖Fig.3 The flow chart of improvement blow wash system

2.3 控制系統

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系統并與泵、電動真空閥之間建立聯鎖關系，設置報警信息等，從而遠控實現泵的啟停操作和對系統狀態的監控。

3 試驗與監測結果

3.1 抽空速度試驗

在供取料系統上選取離泵最遠的RQ8的連接管拆裝前的吹洗操作，用于測試優化后的吹洗系統在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，相比原有系統節約時間約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，鹽田和郎禾渦旋泵分別用時18分鐘和20分鐘均將系統抽空至0.2 mmHg以下，可以滿足系統偶爾的操作需求。

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

3.3 尾氣排放結果

根據100天的廠房房頂排氣管的取樣監測數據，結果表明：優化后的吹洗系統的尾氣排放有害物質UF6和HF的濃度均低于《核燃料循環放射性流出物歸一化排放量管理限值》（GB13695-92）規定的排放限值（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天統計系統尾氣UF6含量Fig.6 The UF6content of sys?tem waste gas according to the statistics of 100 days

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

3.4 被吹洗管道內腔樣

對3個月內眾多連接管吹洗任務中的破空管段內腔樣數據進行統計和分析，結果表明內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）規定的限值(≤40μgk m-3)。隨機抽取5組數據，見表3合格率100%。

表3 連接管內腔取樣數據Table.3 Sampling data of inside of connecting pipeline

4 結論

通過對原有吹洗系統的配置、管線流程、真空泵等進行優化，并進行考核試驗，結果表明，新吹洗系統基本滿足工廠生產所需，提高了工作效率，避免了放射性真空泵油的產生和返流現象的出現。新系統中渦旋泵的應用，運行可靠，可推廣應用至其他系統，比如替代取樣系統的水環式真空泵、零位系統滑閥泵等。此外，后續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、穩定性等差異情況，如果差異不大，可以考慮選用國產渦旋泵，其成本直接降低三分之一以上。

［1］孔瓏.工程流體力學［M］.北京：中國電力出版社，2014.

［2］崔起明.PLC、DCS、FCS三大控制系統基本特點和差異［J］.自動化技術與應用，2013，32（3）：91-93.

［3］黃英，李建軍，韓晶雪，等.干式渦旋泵的發展和關鍵問題［J］.真空，2013，50（3）：26-29.

［4］李澤宇，李連生.渦旋式真空泵的發展回顧［J］.通用機械，2010（1）：87-90.

［5］張家駿，趙滬根，段云富，等.NaF顆粒吸附柱分離UF6、NpF6的工藝研究［J］.原子能科學技術，1985（3）：311-311.

［6］居客飛，章澤，張力爭，等.用氟化鈉、氟化鎂吸附劑凈化UF6［J］.原子能科學技術，1985，19（5）：621-621.

［7］胡景炘，張力爭，張先業，等.NaF吸附UF6過程中交換區法的應用［J］.原子能科學技術，1986，20（1）：75-75.