中放废液罐车运输系统分析与改进

李美山，张存平，纪永红，叶国安，蒋 磊，莫继锋

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

中国原子能科学研究院(简称原子能院)的一些核设施，如中国先进研究堆(CARR)和中国实验快堆(CEFR)等，在运行期间产生的中放废液无法采用传统的管道方式进行输送，只能采用罐车方式运输，为此从德国Goslar公司引进了中放废液罐车运输系统。该系统已在德国如卡尔斯鲁厄等多个核研究院成功使用，但在国内尚属首次。该系统主要优点在于运输灵活、方便，不需要铺设地下管网。在引进过程中发现该系统的接口部分、装卸料及冲洗部分以及牵引部分不适合原子能院的实际需求，为此本文对部分系统进行改进。

1 中放废液罐车运输系统简介

1.1 总体布置

罐车运输系统包括运输罐车(货包)和牵引车，如图1所示。其中运输罐车是罐车运输系统的重要部件，其外形尺寸(长×宽×高)为：3 600 mm×2 438 mm×2 134 mm，总体布置如图2所示。

图1 罐车运输系统

图2 罐车布置示意图

1.2 罐体结构

罐车既属于中放废液运输装置，也属于中放废液临时贮存设备。因此，其转运容器的结构形式满足多重屏障[1]要求，如图3所示。

转运容器由压力容器层、空气夹层和屏蔽层组成，其中屏蔽层包括内保护壳、铅屏蔽体和外保护壳。压力容器一旦发生泄漏事故，该结构能保证液体被收集在空气夹层中，而不会直接泄漏到环境中。容器结构参数列于表1。

图3 转运容器内部结构3D仿真图

表1 容器结构参数

1.3 系统组成

1) 真空、压空系统

真空系统用于控制废液接收容器的压力，为废液和冲洗水的接收提供真空。真空泵在绝对压力大于5×104Pa时启动，压力低于2×104Pa时停止运行。压空系统主要为气动阀门提供气源。

2) 液位测量、泄漏报警系统

液位测量系统包括一套连续液位计和两套固定液位计。连续液位计能及时显示液位变化；而固定液位计能与相关阀门联锁：即当到达第一个固定液位控制点(80%)时，相关阀门自动关闭，停止接收废液并开始转运软管冲洗；当到达第二个液位控制点(90%)时，系统自动锁死，手动也无法操作，保证废液接收安全。

在压力容器和屏蔽层之间的空气夹层中设有液体泄漏报警装置。该装置采用测量电阻的方式探测泄漏液体，具有较高的灵敏度。

3) 气体净化系统

气体净化处理系统主要处理系统的真空排气，由于气体湿度较大甚至可能雾沫夹带，因此气体净化系统首先对系统排出的气体进行除水[2]，然后再进行多级净化，净化后的气体排入环境。净化流程如图4所示。

图4 气体净化处理流程

4) 搅拌系统

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虽然气体搅拌具有不需要运动部件、操作稳定、结构简单、能耗低等优点[3]，但在其搅拌过程中会产生大量废气。因此，装置采取液下搅拌器的方式对罐内废液进行搅拌，以防止形成沉淀和积垢，方便废液的输送。

5) 自控系统

为尽量减少操作人员受照时间以及重要环节上的误操作[4]，控制系统采用PLC进行编程控制，如废液接收、排空、冲洗及转出等过程均一键操作。

1.4 装卸料及冲洗工艺

罐车在接口设施内安全停靠后，利用转运软管快速对接阀门将设施废液出口(进口)与罐车废液进口(出口)快速连接，启动转运或卸料程序，系统自动启动，操作人员站在安全警戒线外观察。

废液装卸完毕后，操作人员启动转运软管冲洗程序，系统自行冲洗，操作人员站在安全警戒线外，利用长杆式剂量率仪检测软管表面剂量，适合人员靠近时停止冲洗。转运完毕后拆卸快速接头。

2 系统分析与改进

2.1 接口系统分析与改进

在初步设计方案[5]中，罐车运输系统的进、出料接口位置均设置在罐车顶部，且设施接口相关阀门为手动阀门，如图5所示。分析认为该工艺的优点在于出口设置在顶部有利于管道液体排空。但其明显的缺点在于：1) 软管拆卸操作时需工作人员到罐车顶部，非常不便；2) 罐车系统并未考虑接口阀门的控制问题；3) 屏蔽工作箱内相关阀门均为手动阀门，人工操作时间较长。

图5 罐车接口初步设计方案示意图

考虑到操作便利和人员安全，对接口部分提出如下改进：1) 将接口位置改在罐车底部；2) 屏蔽工作箱改为普通工作箱(通过计算，不影响人员操作安全)；3) 手动阀门改为电动阀门并由罐车的控制屏显示、控制。为解决装卸料竖管道排尽问题，通过增加细支管道(DN15)来解决。经改进后整个操作由罐车统一控制，真正实现了一体化。改进后的罐车接口部位示意图如图6所示。

图6 改进后罐车接口部位示意图

2.2 装卸料与去污冲洗系统分析与改进

初步设计方案是根据德国的运行情况，将装卸料与去污冲洗系统设计为液位控制操作模式，即液位到达80%后停止接收废液，开始转运软管冲洗操作，当液位达到90%后停止冲洗操作。

该系统的优点是在整个过程中人员仅需按下启动键即可，但前提是设施贮罐废液存量至少大于0.8 m3；同时由于冲洗过程人员不能及时停止，产生的二次废液量较大，不能实现废物最小化。而原子能院废液贮存罐体积较小，如CARR和CEFR两设施的废液贮罐约0.5 m3，原接收模式则无法实现废液接收、软管冲洗等全过程操作，因液位无法达到规定液位的80%，造成系统进入无限循环模式，而不能进行下一步操作。

为适应中放废液的贮存罐容积不统一的现状，将操作系统进行了改进，使其既可利用液位进行控制，也可手动停止操作。

同时转运软管的冲洗操作也做了类似于废液接收过程的改进，这样在去污效果达到后，便可停止冲洗操作而无需达到规定液位，减少了二次废液产生量。

在今后运行过程中冲洗转运软管时，冲洗水罐可先保持空罐，利用真空对转运软管吹扫几次，然后再多次注入少量水(5～10 L)进行冲洗去污。

2.3 牵引系统分析与改进

由于牵引车由国内配套，因此德方提供的拖车仅考虑了驻车刹车，而没有考虑行车刹车。由于原子能院两堆厂区路段坡度较大，在行驶过程中不可避免地会出现刹车情况，如不能保证有效刹车，系统会出现溜车现象。

针对引进拖车没有行车刹车的缺点，在牵引车国内配套的过程中，充分考虑了如下因素：运输路线中最大坡度、坡道起步以及拖车和牵引车行车刹车等。综合考虑后将原设计的2.5 t牵引车变更为8.0 t牵引车。

其次，将拖车的驻车刹车到位设定为系统启动的前提条件，即将驻车刹车的信号传给整个系统，如果该信号不到位系统则无法启动。避免了在转运过程中发生溜车，而出现软管接头脱落的现象。

3 试验验证

为验证各项工艺的改进效果，在罐车系统到货后制作了模拟台架，定性地进行了功能验证试验。试验结果表明：1) 改进后的接口系统操作方便；2) 能顺利完成不同体积贮罐中废液的提取和软管冲洗；3) 在原子能院现有路况下国内配套牵引车能安全牵引和驻停。

4 结论与建议

1) 罐体采用多层结构，利用真空转运中放废液，并配备必要监测手段的罐车系统技术合理、操作安全可靠。

2) 罐车运输系统经适应性改进后，能更好地满足原子能院中放废液运输的要求，并能保证操作人员的安全。

今后罐车运输系统国产化设计研究时，可借鉴该系统的结构形式，应重点解决好接口、空气净化以及冲洗水最小化等问题。

参考文献：

[1] 孙明生,孙东辉,王显德,等. EJ/T940 核燃料后处理厂放射性废物管理技术规定[S]. 北京：原子能出版社,1995.

[2] 国家核安全局. HAD401/2 核电厂放射性废物管理系统的设计[S]. 北京:中国法制出版社,1997.

[3] 任晓光,宋永吉,温晓明,等. 气体搅拌的萃取塔-液-固系统流体力学性能和传质特性[J]. 高校化学工程学报,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] 国家核安全局. GB 9134—1998 轻水堆核电厂放射性固体废物处理系统技术规定[S]. 北京:中国标准出版社,1988.

[5] 方琳,刘志英,王金明,等. 中放废液输送系统建设项目初步设计说明书[M]. 北京：中国原子能科学研究院,2007.