鈾濃縮工廠吹洗工藝優化

孫繼全　楊小松　王鐵軍

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

【關鍵詞】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是在設備、容器、管道拆裝或檢修時為減少廠房環境的污染及保護工作人員健康而設置的。氣體吹洗系統后端還設有尾氣處理裝置，尾氣經處理裝置處理達到排放標準后排入大氣。目前，國內的吹洗工藝為：當廠房內有開放操作時需要事先對拆裝點內腔進行吹洗操作，操作步驟為先用滑閥泵對內腔進行多次的破空及深抽空，將內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，在拆裝作業前啟用噴射泵維持拆裝點處于負壓狀態，使得拆裝時大量空氣源源不斷地進入拆裝點的管道內，此時拆裝點內腔殘留的極少數物料，會被大量的空氣一并帶入氣體吹洗系統，從而保證了廠房的清潔以及工作人員的安全。

1 現狀及優化方向

1.1 吹洗工藝現狀

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

并且，滑閥泵的工作特性決定其不能用于長時間抽空大氣，滑閥泵在進氣壓力超過75mmHg時，排氣孔會放出油霧，造成油霧的原因為：進氣壓力高造成泵內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，還要手動控制泵前閥門以控制滑閥泵進氣壓力不超過75mmHg，操作繁瑣。原吹洗工藝流程如圖1。

1.2 優化方向

隨著工廠的發展，生產規模的不斷擴大，廠房內容器周轉量將大幅度增加，吹洗操作任務會更加繁重，現有的吹洗操作工藝將難以滿足容器的正常周轉。因此對現有的吹洗工藝進行改進優化，探索一種高效、簡潔的吹洗操作工藝勢在必行。

優化方向：找尋一種工作真空區域寬，從極限真空到大氣壓可連續運行且極限真空小于0.5mmHg的真空泵，可以同時替代滑閥泵及噴射泵，省去手動控制泵前閥門、以及頻繁啟動空氣壓縮機的操作環節。同時，在滿足廠房尾氣排放標準的前提下，探索更優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

對真空泵的首要要求：能夠長時間連續的直抽大氣且能將管道、設備內腔抽空至小于0.5mmHg。通過對各類真空泵（如真空羅茨泵、爪式泵以及無油干式渦旋泵）進行比較細致的調研，結合成本、性能等分析比較，最終確定選擇了無油干式渦旋泵（以下簡稱渦旋泵）。渦旋泵的主要優點是轉子間隙小、泄漏少，具有較高的壓縮比，在較寬的壓力范圍內有穩定的抽速，工作壓力范圍寬[3]。

渦旋泵由泵頭、電機、機座等構成，其中泵頭含有動、定渦旋盤、曲軸、密封件、風扇和泵殼等，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，定渦旋盤與動渦旋盤組成渦旋盤付構成渦旋泵的基本工作腔。工作過程中動、定渦旋盤依靠相對運動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，使氣體從抽氣口吸入、排氣口排出，實現對被抽腔體抽真空[4]。圖2為渦旋泵工作腔吸、排氣原理示意圖，（a）動渦旋盤作行星（偏心）運行，氣體從開口外緣被吸入；（b）氣體進入渦旋盤后，開口封閉；（c）隨著動渦旋盤繼續作行星運行，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、排氣過程連續不間斷。

3 設備改造及試驗

3.1 設備改造

工廠氣體吹洗系統一般設置兩套裝置，一套工作一套備用。先對其中一套裝置進行改造，與另一套裝置進行對比試驗，達到預期目標后，再對另一套裝置進行改造。

3.2 抽空能力（速度）試驗

試驗方法：在廠房最遠端、中端、近端設置一個破空點連續破空，分別啟用噴射泵和渦旋泵進行抽空，記錄破空點及泵入口壓力，對比渦旋泵與噴射泵的抽空速度，試驗數據見表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

3.3.1 泵本身抽空深度

關閉渦旋泵進氣閥門，對泵本身的極限抽空深度進行三次測試，測試結果見表2。

3.3.2 系統抽空深度

相對于渦旋泵本身的抽空深度，其抽空系統的抽空深度更加重要，即渦旋泵能將系統上拆裝點內腔抽空到什么程度。根據工廠運行規程，要求能對拆裝點內腔深抽至0.5mmHg以下即可滿足要求。分別選取廠房內遠、中、近端3個拆裝點，測試渦旋泵深抽拆裝點內腔的抽空深度，其中1點為廠房遠端，3點為廠房近端。測試方法為：將拆裝點內腔破空至大氣，關閉破空閥然后開始抽空并計時。測試結果顯示，渦旋泵能在較短時間內將廠房內不同點的內腔抽空至0.5mmHg以下，滿足真空測量要求。內腔壓力抽至0.5mmHg以下后，進一步繼續抽空，最終抽空壓力穩定在0.1mmHg左右。圖5為測試結果。

3.3.3 對比滑閥泵抽空試驗

進行渦旋泵與滑閥泵的抽空深度對比試驗，選取的試驗點為廠房遠端及近端的拆裝點。為了試驗更加接近實際，模擬真實的拆裝后抽空環境，試驗時對拆裝點內腔破空至大氣的同時，也將氣體吹洗系統的吹洗干管破空，此時拆裝點內腔連同整個吹洗干管內都是大氣狀態，與真實的拆裝后抽空的情況相似，關閉破空閥后啟動渦旋泵抽空并開始計時，直至將拆裝點內腔壓力抽至0.5mmHg以下；用同樣的方法及標準通過滑閥泵抽空。兩臺泵的試驗數據如圖6，可以看出：在管道內壓力很高時，渦旋泵的抽空能力優于滑閥泵；隨著管道壓力的降低，兩臺泵的抽空能力變得相當；當管道壓力繼續降低時，滑閥泵的抽空能力要略優于渦旋泵?？傮w來說：兩臺泵的抽空能力相當，將拆裝點內腔壓力抽空至0.5mmHg所需的時間差不多，渦旋泵可以替代滑閥泵。

4 操作優化

氣體吹洗系統的作用：一是，在設備、容器、管道拆裝或檢修時為減少廠房環境的污染及保護工作人員健康；二是，盡可能收集拆裝點內腔的殘余物料，使進入后端尾氣處理系統的物料盡可能少，延長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化的空間，為此，在尾氣管線上安裝鈾氟檢測儀表，先檢測多次破空抽空方式尾氣線上的鈾氟含量，結果顯示隨著次數的增加含量逐漸減少；采用單次深抽空并維持，檢測尾氣線上鈾氟含量，結果顯示隨著時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，因此吹洗操作可優化為只對內腔進行深抽空并維持一段時間，避免了吹洗時多次破空的開放作業，節約人力成本，增加固有安全性。

5 結果

渦旋泵替代噴射泵及滑閥泵并對吹洗操作進行優化后，擺脫了壓縮空氣系統，使系統簡潔、節能，并且大幅簡化操作程序，降低工作人員勞動強度。吹洗工藝可以優化為：當廠房內有開放操作時用渦旋泵事先對拆裝點內腔進行深抽空并維持一段時間后停泵，然后在拆裝作業前再次啟用渦旋泵維持拆裝點內腔處于負壓狀態，完成拆裝，其工藝流程簡圖如圖7。

【參考文獻】

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

[2]王國民，等.滑閥真空泵的結構分析和節能探討[J].真空，2007，44（3）：36-38.

[3]楊旭，等.渦旋式真空泵現狀和發展趨勢分析[J].重慶工商大學學報：自然科學版，2012，29（3）：83-88.

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

[責任編輯：楊玉潔]