空氣提升器運行特性及工程應用研究

祝永剛 ZHU Yong-gang；謝寒 XIE Han；張馳 ZHANG Chi

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

放射性廢液的計量輸送是防化工程遇到的重要問題，要求輸送過程不允許泄露，且不允許工作人員直接維修等。針對該問題，國內外研究出了空氣提升器，它的特點是設備管道簡單，無傳動部件，無需維修部件，可靠性好。已經成為目前放射性廢液處理工程中應用較多的一種料液輸送裝置，可以有效地解決放射性廢液在常規方式下不便于輸送的難題[1-2]。

1 空氣提升器工作原理

空氣提升器是一種以空氣為媒介來輸送料液的裝置，其工作原理為：壓縮空氣通過進氣管線充入空氣提升器內，使提升器管內料液密度變小，管內和槽罐內（管外）料液間產生壓力差，在壓力的作用下，槽內料液通過空氣提升器提升至高處。空氣提升器在輸送料液時需要一定的浸沒度，為保證其浸沒度，空氣提升底節安裝高度一般低于貯槽底部，用空氣提升器輸送料液時，從貯槽底部出料。對于浸沒度不滿足輸送要求或者不適合從貯槽底部出料的情況，一般采用真空輔助空氣提升。與普通空氣提升器相比，真空輔助空氣提升系統在氣液分離罐排氣管道上增加一個壓空噴射器，將氣液分離罐抽成負壓，利用供料槽與氣液分離罐間的壓差，將供料槽內的液體抽吸到一定高度，以滿足空氣提升浸沒度的要求，完成料液輸送。

2 空氣提升器運行特性

空氣提升器作為一種料液輸送裝置，通過理論研究與現場試驗驗證，其輸送速率與以下兩個因素有關：

①儲槽內需要輸送的料液的高度。

②進入空氣提升器內的壓縮空氣的流量大小。

現場設備調試時分別選擇不同液位（分別為2500L、3500L、4500L 和5700L）下，通入不同流量下的壓縮空氣，對空氣提升器的輸送速率進行統計如圖1 所示。

圖1 不同液位和壓空流量下的輸送速率曲線圖

通過對以上數據分析，可以得出如下結論：

①相同壓空流量下，儲槽內液位越高，輸送速率越快；當液位低到某種程度后，輸送速率為零，無法滿足輸送料液的需求。

②當儲槽內液位高度相同時，空氣提升器的輸送速率與壓空流量大小呈拋物線形態的對應關系。

3 空氣提升器的工程應用

我國某工程項目采用了空氣提升器作為放射性廢液輸送裝置之一，并采取一級真空輔助提升的方法——即在空氣提升器出口位置增設氣液分離罐，并使用壓空噴射器對氣液分離罐抽負壓，使料液更容易提升高度，同時去除氣水混合物中的空氣，使料液更容易進入后續儲槽[3]。真空輔助空氣提升系統運行時，氣液分離罐內為真空狀態，輸送過程中，在氣液分離罐至供料槽的管段內將存有一定量的廢液。真空輔助空氣提升系統停止后，這部分廢液將自行流入供料槽，將其稱為殘液。為了保證供料槽液位在限定范圍內變化，殘液在接收槽全運行液位范圍內應是穩定值，殘液量不允許超過要求限值。現場設備布置如圖2所示。

圖2 空氣提升器布置簡圖

該工程項目中，空氣提升器的設計作用是將料液儲槽1 中的料液按批次定量輸送到儲槽2 中，每批次輸送料液量約50L，當儲槽2 接收到50L 料液后自動聯鎖停運空氣提升器停止供料。并且還要求在儲槽1 最大存量時空氣提升器的輸送速率約2000L/h，最小存量時輸送的速率約500L/h。

4 空氣提升器工程應用問題處理

該項目在進行現場設備調試時發現，在設計運行工況下，當儲槽2 接收50L 料液聯鎖停運空氣提升器后，中間氣液分離罐中會有50L 左右的殘液靠重力流入儲槽2，即儲槽2 每批次實際接收的料液量約為100L，氣液分離罐中殘液量過多，與設計批次定量輸送的要求相差較大，不滿足運行需求。批次供料量不可控將導致后續流程中不能精準化處理放射性廢液，進而會導致處理后的放射性廢物將處于不安全或不穩定狀態，不利于后續處理。因此，降低空氣提升器停運后氣液分離罐中的殘液量，實現批次供料量穩定可控意義重大。

現場空氣提升器運行的部分代表性試驗數據整理如表1 和圖3 所示。

表1 現場試驗數據表

圖3 殘液量與輸送速率關系圖

由以上試驗數據可以發現：

①儲槽1 高液位時，空氣提升器輸送速率大于設計值，低液位時輸送速率小于設計值。

②儲槽1 高液位時，空氣提升器實際批次輸送量較大，中低液位時批次輸送量合格但輸送速率不合格。

③氣液分離罐中的殘留料液量與空氣提升器的輸送速率有關，輸送速率越大，殘液量越多。

④空氣提升器輸送速率降低的同時，氣液分離罐中的殘留料液量有所降低。

⑤輸送速率在480L/h-2000L/h 范圍內，批次輸送的料液量和輸送速率基本滿足設計要求。

經過分析討論，從設備狀況、設備安裝、現場條件等方面初步篩選出造成批次供料量不合格的因素有：

①氣液分離罐出口有異物堵塞或出口管徑偏小，使得進入氣液分離罐中的料液不能及時流出。

②壓空噴射器的抽負壓能力不滿足現場需求。

③氣液分離罐出口管傾斜度偏小，水平管長度偏長使得料液不能順暢流下。

④空氣提升器本身傳輸速率過快，使得進入氣液分離罐中的料液量過大。

現場針對以上可能原因開展了逐條排查，采取的排查措施及結論如下：

①檢查氣液分離罐及出口管道內部清潔情況，確認了氣液分離罐出口無異物；

②使用臨時設施，在合理范圍內增大氣液分離罐的出口管管徑，測試分離罐內殘液量變化情況，并與相同試驗條件下原出口管徑的試驗數據進行對比，確認了氣液分離罐出口管徑合理增大后殘液量沒有明顯減小；

③測試壓空噴射器的抽負壓能力，確認了通過調節壓空管線減壓閥可以使氣液分離罐維持恒定的負壓水平，壓空噴射器工作正常；

④加大氣液分離罐出口管段傾斜度、縮短氣液分離罐水平管線長度，經現場多次測試驗證，氣液分離罐內殘液量有所降低，但仍不滿足設計運行要求；

⑤在空氣提升器出口段增設截流裝置以降低其輸送速率，經現場多次測試驗證，氣液分離罐內殘液量降低至可接受水平。

基于上述現場排查及驗證情況，現場設備進行了正式設計變更：在空氣提升器出口段增設截流裝置（偏心異徑大小頭）、縮短氣液分離罐出口水平管線長度。經調試驗證，變更后的設備有效解決了氣液分離罐中的殘液量問題，并使得空氣提升器的輸送速率在儲槽1 高液位時得以有效降低，在儲槽1 低液位時有所提升。現場試驗數據整理如表2 和圖4。

表2 現場試驗數據表

圖4 空氣提升器改良后的輸送速率與殘液量圖

從試驗數據可以看出，該項目的空氣提升器經上述方法改良后，有效地解決了料液批次輸送量不可控的問題，將料液輸送過程中氣液分離罐內的殘液量由50L 左右降至了10L 以內，為后續工藝流程中精準處理放射性廢液打下了堅實的基礎。

5 結論

空氣提升器是目前放射性廢液處理工程中應用較多的一種料液輸送裝置，采取真空輔助提升的方法，可以使料液更容易提升高度，并去除氣水混合物中的空氣，使料液更容易進入后續儲槽。通過在空氣提升器出口段增設截流裝置（偏心異徑大小頭）、縮短氣液分離罐出口水平管線長度的方法，可以有效地解決料液批次輸送量不可控的問題，為處理放射性廢液輸送裝置問題方面提供良好的工程借鑒和參考。