Способ эксплуатации газовых центрифуг

Авторы патента:

B04B5/08 - центрифуги для разделения преимущественно газовых смесей

Владельцы патента RU 2403982:

Баженов Владислав Владимирович (RU)

Способ эксплуатации газовых центрифуг, предназначенных для разделения изотопов химических элементов, заключающийся в том, что определяют зависимость производительности газовых центрифуг и интенсивности их отказов от скорости вращения роторов, при этом заблаговременно до окончания эксплуатации газовых центрифуг увеличивают скорость вращения их роторов выше номинальной так, чтобы увеличение производительности группы газовых центрифуг за оставшееся время эксплуатации превышало снижение производительности из-за увеличения числа отказов газовых центрифуг за это же время. Техническим результатом является повышение производительности газовых центрифуг. 3 табл.

Изобретение относится к разделению изотопов химических элементов, преимущественно изотопов урана, методом газового центрифугирования и может быть использовано для увеличения производительности каскадов газовых центрифуг.

Каскад газовых центрифуг представляет собой большое количество газовых центрифуг, последовательно и параллельно соединенных между собой потоками рабочего газа в единую технологическую схему. Центрифужный способ разделения изотопов характеризуется относительно большими эффектами обогащения и малым массовым расходом (потоком) газа через газовые центрифуги. Поэтому для выполнения даже небольшой разделительной работы используют значительное число параллельно работающих центрифуг при относительно малом числе последовательно соединенных ступеней (блоков). Количество центрифуг в блоке может достигать десятков тысяч штук (патент RU 2277963, B01D 59/20 опубл. 2006.06.20).

Как правило, в блоке эксплуатируют центрифуги одного поколения, имеющие одинаковую производительность, изготовленные в одинаковый период времени на однотипном механообрабатывающем оборудовании из близких по качеству партий конструкционных материалов. Количественные показатели надежности центрифуг разных поставщиков и периодов изготовления могут существенно различаться.

Для оценки надежности центрифуг по каждой их группе ведут учет количества отказов (разрушений) при эксплуатации, определяют интенсивность отказов, то есть их количество в год, прогнозируют наработку на отказ, то есть среднее время безотказной работы.

Весь период эксплуатации блока газовых центрифуг условно делят на три этапа:

- начальный, когда интенсивность «приработочных» отказов газовых центрифуг из-за грубых дефектов изготовления монотонно уменьшается до постоянного уровня;

- основной, когда установившаяся интенсивность отказов газовых центрифуг сохраняется на постоянном уровне;

- конечный, когда интенсивность отказов с постоянного уровня монотонно увеличивается вследствие исчерпания ресурса вращающихся узлов и деталей, испытывающих растягивающие напряжения.

После окончания эксплуатации блока старых центрифуг их уничтожают и заменяют таким же количеством новых центрифуг, начинают новый цикл эксплуатации блока центрифуг. В случае, если старые центрифуги заменяют новыми, более производительными поколениями центрифуг, то производительность блока может увеличиться в разы, а расход электроэнергии на единицу работы разделения многократно уменьшиться. Интенсивность отказов некоторых поколений газовых центрифуг составляет менее 0,1% в год, а их наработка на отказ - более 30 лет. Разработка конструкции и внедрение в серийное производство нового поколения центрифуг занимает в среднем 7 лет. («Разработка и создание газоцентрифужного метода разделения изотопов в СССР (России)». - С.Петербург, ЛНПП «Облик», 2002, с.156-157, 174, 187).

Известно, что в соответствии с формулой Дирака максимальная (теоретическая) производительность газовой центрифуги прямо пропорциональна скорости ротора в четвертой степени. До скорости 500 м/с производительность фактически растет пропорционально не четвертой, а только третьей степени скорости, а при дальнейшем возрастании скорости - пропорционально второй степени («Экономика ядерной энергетики: основы технологии и экономики производства ядерного топлива. Экономика АЭС» - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.282, 283).

Интенсивность отказов газовых центрифуг прямо пропорциональна скорости вращения, поэтому при разработке нового поколения центрифуги конструкцию ротора оптимизируют для работы только на номинальной скорости вращения, при которой достигается приемлемая для эксплуатации надежность. С этой же целью обеспечивают достаточный запас от номинальной скорости вращения ротора до критической. На критической скорости ротор подвергается изгибу, что нарушает нормальные условия эксплуатации и может привести к его разрушению. Для оценки частотного запаса используют частотный множитель fк, входящий в расчетные формулы по определению изгибных напряжений в роторе.

fк=1/[(ω_с/ω_р)²-1].

где: ω_с - частота собственных изгибных колебаний ротора по какой-либо собственной форме к рабочей частоте вращения ротора;

ω_p - рабочая частота вращения ротора.

Условно принимают, что частотный множитель не должен превышать двух, то есть остаточный дисбаланс ротора на номинальной скорости создает изгиб до величины, менее, чем в два раза от линейной величины эксцентриситетов центров тяжести сечений ротора от оси вращения (первая гармоника разложений по собственным функциям изгиба).

Оптимизацию газодинамических, тепловых и энергетических характеристик газовых центрифуг для достижения максимальной производительности проводят в предположении, что их эксплуатация будет проводиться на номинальной скорости вращения ротора.

Недостатком существующего способа эксплуатации газовых центрифуг является отсутствие возможности увеличения их производительности в течение всего многолетнего периода эксплуатации. При малом количестве центрифуг в каскаде и быстром темпе смены поколений центрифуг подавляющее большинство старых центрифуг не достигает конечного этапа эксплуатации, то есть их время эксплуатации меньше наработки на отказ. Напротив, при большом количестве центрифуг и медленном темпе смены поколений центрифуг на конечном этапе эксплуатации большинство центрифуг достигает наработки на отказ, что приводит к уменьшению производительности группы в целом.

Ближайшим аналогом заявленного изобретения является известный способ увеличения производительности газовых центрифуг, предназначенных для фракционирования природного газа, в котором разделительный эффект повышается за счет увеличения допустимой скорости вращения ротора, которая увеличивается благодаря более высокому давлению газа в кольцевом зазоре между корпусом и ротором (патент SU848069 А1, 23.07.1981).

Недостатком ближайшего аналога является то, что при увеличении давления газа в кольцевом зазоре между корпусом и ротором газовой центрифуги, предназначенной для разделения изотопов химических элементов, увеличивается мощность трения ротора о газ, при этом затрачивается больше электроэнергии, себестоимость процесса разделения увеличивается, а доходность уменьшается.

Целью изобретения является увеличение производительности групп газовых центрифуг при их эксплуатации с учетом интенсивности отказов газовых центрифуг и сроков окончания эксплуатации.

Для достижения поставленной цели предлагается определить зависимость производительности и интенсивности отказов от скорости вращения роторов для каждой группы газовых центрифуг, в процессе эксплуатации рабочую частоту вращения роторов каждой группы центрифуг выбирать из экономических соображений.

Зависимость производительности газовых центрифуг от скорости вращения роторов определяется, например, экспериментально на небольшой группе параллельно работающих газовых центрифуг (агрегате) в лабораторных условиях. Зависимость интенсивности отказов от скорости вращения роторов определяется, например, в продолжительных экспериментах на нескольких агрегатах, работающих с разной скоростью роторов, превышающей номинальную.

Технический результат достигается тем, что за некоторое время до окончания эксплуатации увеличивают скорость вращения роторов газовых центрифуг выше номинальной. При этом в соответствии с формулой Дирака увеличивается производительность газовых центрифуг. При увеличении рабочей скорости роторов уменьшается отношение ω_с/ω_р и увеличивается частотный множитель fк, надежность газовых центрифуг уменьшается, интенсивность их отказов увеличивается. Методика оценки эффективности от увеличения скорости вращения роторов центрифуг может варьироваться. Например, увеличение частоты вращения роторов газовых центрифуг эффективно, если обеспечивает прибавку производительности группы газовых центрифуг за оставшееся время эксплуатации, превышающую потерю производительности из-за увеличения числа отказов газовых центрифуг за это же время.

Сущность предлагаемого способа эксплуатации газовых центрифуг поясняется следующими примерами.

Примеры.

1. Первая группа центрифуг проработала тридцать лет на номинальной скорости вращения роторов. Установившаяся интенсивность отказов составила 0,2% в год. Окончание эксплуатации планируется через три года. Экспериментально установлено, что при увеличении скорости вращения роторов на 2,6% производительность этой группы центрифуг увеличивается на 6%, интенсивность отказов увеличивается в три раза, т.е. составит 0,6% в год. Оценим эффективность увеличения производительности первой группы центрифуг.

Примем исходную производительность первой группы центрифуг к концу тридцатого года работы на номинальной скорости за 100%. Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1
Параметры первой группы центрифуг в последние три года эксплуатации
Год эксплуатации	Производительность на номинальной скорости вращения роторов, %	Производительность на увеличенной скорости вращения роторов, %
30	100,0	106,0
31	99,8	105,4
32	99,6	104,8
33	99,4	104,2
В среднем за три последних года	99,6	104,8

Примем, что доход прямо пропорционален производительности. Из таблицы 1 следует, что в сумме за последние три года доход от эксплуатации первой группы центрифуг на увеличенной скорости вращения роторов на 15,6% больше, чем при эксплуатации на номинальной скорости.

2. Вторая группа центрифуг проработала двадцать семь лет на номинальной скорости вращения роторов. Установившаяся интенсивность отказов составила 0,1% в год. Окончание эксплуатации планируется через пять лет. Экспериментально установлено, что при увеличении скорости вращения роторов на 1,3% производительность этой группы центрифуг увеличивается на 3%, интенсивность отказов увеличивается в два раза, т.е. составит 0,2% в год. Оценим эффективность увеличения производительности второй группы центрифуг.

Примем исходную производительность второй группы центрифуг к концу двадцать седьмого года работы на номинальной скорости за 100%. Результаты расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2
Параметры второй группы центрифуг в последние пять лет эксплуатации
Год эксплуатации	Производительность на номинальной скорости вращения роторов, %	Производительность на увеличенной скорости вращения роторов, %
27	100,0	103,0
28	99,9	102,8
29	99,8	102,6
31	99,7	102,4
32	99,6	102,2
33	99,5	102,0
В среднем за пять последних лет	99,7	102,4

Примем, что доход прямо пропорционален производительности. Из таблицы 2 следует, что в сумме за последние пять лет доход от эксплуатации второй группы центрифуг на увеличенной скорости вращения роторов на 13,5% больше, чем при эксплуатации на номинальной скорости.

3. Третья группа центрифуг проработала двадцать три года на номинальной скорости вращения роторов. Установившаяся интенсивность отказов составила 0,1% в год. Окончание эксплуатации планируется через десять лет. Экспериментально установлено, что при увеличении скорости вращения роторов на 4,5% производительность этой группы центрифуг увеличивается на 10%, интенсивность отказов увеличивается в десять раз, т.е. составит 1,0% в год. Оценим эффективность увеличения производительности третьей группы центрифуг.

Примем исходную производительность третьей группы центрифуг к концу двадцать третьего года работы на номинальной скорости за 100%. Результаты расчетов приведены в таблице 3.

Таблица 3
Параметры третьей группы центрифуг в последние десять лет эксплуатации
Год эксплуатации	Производительность на номинальной скорости вращения роторов, %	Производительность на увеличенной скорости вращения роторов, %
23	100,0	110
24	99,9	109
25	99,8	108
26	99,7	107
27	99,6	106
28	99,5	105
29	99,6	104
30	99,5	103
31	99,4	102
32	99,3	101
33	99,2	100
В среднем за десять последних лет	99,45	104,5

Примем, что доход прямо пропорционален производительности. Из таблицы 3 следует, что в сумме за последние десять лет доход от эксплуатации третьей группы центрифуг на увеличенной скорости вращения роторов на 50,5% больше, чем при эксплуатации на номинальной скорости.

Таким образом, реализация заявляемого способа эксплуатации групп газовых центрифуг позволяет увеличивать производительность газовых центрифуг за некоторое время до окончания их эксплуатации, более рационально использовать частотный запас до критической скорости, получать экономическую выгоду от целенаправленного уменьшения надежности центрифуг.

Похожие патенты:

Газовая центрифуга // 2394652

Изобретение относится к конструкции газовой центрифуги для разделения изотопных и газовых смесей, преимущественно для разделения газов с малым молекулярным весом.

Газовая центрифуга (варианты) // 2394636

Изобретение относится к надкритическим центрифугам для разделения газов и изотопных смесей. .

Промышленная группа газовых центрифуг // 2377073

Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения смеси газов и изотопных смесей, и в частности к промышленным группам газовых центрифуг. .

Агрегат газовых центрифуг // 2372973

Изобретение относится к оборудованию для непрерывного разделения газовых смесей в поле центробежных сил, в частности к агрегатам центрифуг, используемых для компоновки из них разделительных каскадов, и касается особенностей конструкции и размещения запорных устройств в отдельном агрегате.

Агрегат газовых центрифуг // 2368415

Изобретение относится к устройствам для непрерывного разделения смесей газов с различными молекулярными массами, в том числе газообразных изотопных смесей, в поле центробежных сил, а именно к агрегатам газовых центрифуг, из которых формируются многоступенчатые каскады на разделительных предприятиях.

Газовая центрифуга // 2358793

Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения газов и изотопных смесей и, в частности, к приводам ультрацентрифуг, используемых для разделения изотопов урана.

Верхняя магнитная опора ротора газовой центрифуги // 2355478

Изобретение относится к машиностроению, касается конструкции верхней магнитной опоры вертикальных быстровращающихся роторов. .

Газовая центрифуга // 2348462

Изобретение относится к устройствам для непрерывного разделения изотопных и газовых смесей в поле центробежных сил и касается конструкции газовой центрифуги. .

Агрегат газовых центрифуг // 2327527

Устройство для очистки газа // 2325952

Изобретение относится к устройству для очистки газа от частиц, взвешенных в нем. .

Верхняя магнитная опора ротора газовой центрифуги // 2434685

Изобретение относится к машиностроению, касается конструкции верхней магнитной опоры вертикальных быстровращающихся роторов и может быть использовано в газовых центрифугах с центральным газовым коллектором

Газовая центрифуга // 2445169

Изобретение относится к конструкции газовой центрифуги для разделения изотопных и газовых смесей, преимущественно для разделения газов с малым молекулярным весом

Способ функционального диагностирования сепаратора // 2465470

Газоочистной сепаратор // 2495704

Изобретение относится к сепаратору, предназначенному для очистки газообразной текучей среды. Способ сборки газоочистного сепаратора и сепаратор, собранный данным способом для разделения текучей смеси веществ различной плотности, таких как газ и жидкость, причем сепаратор содержит: кожух, содержащий первую и вторую отдельные части, причем первая часть кожуха имеет установочную поверхность, на которой устанавливается базовая поверхность второй части кожуха так, чтобы образовать внутреннее пространство кожуха и роторный узел, расположенный в указанном внутреннем пространстве и способный вращаться вокруг оси первой части кожуха относительно кожуха, причем роторный узел содержит вращающийся вал, установленный с возможностью вращения в первой части кожуха с помощью подшипникового узла и установленный с возможностью вращения во второй части кожуха, при этом способ сборки указанного сепаратора содержит этапы, на которых: устанавливают с возможностью вращения вращающийся вал во второй части кожуха в заданном положении относительно указанной базовой поверхности, причем указанное заданное положение совпадает с указанной осью, когда базовая поверхность второй части кожуха совмещается с установочной поверхностью первой части кожуха, располагают подшипниковый узел в зажимное приспособление, причем зажимное приспособление содержит базовую поверхность для совмещения с установочной поверхностью первой части кожуха, и средство приема указанного подшипникового узла в положение относительно базовой поверхности зажимного приспособления так, что подшипниковый узел принимается зажимным приспособлением в положении относительно базовой поверхности зажимного приспособления, которое совпадает с указанной осью, когда базовая поверхность зажимного приспособления совмещается с указанной установочной поверхностью первой части кожуха, совмещают базовую поверхность зажимного приспособления с указанной установочной поверхностью первой части кожуха и закрепляют подшипниковый узел на первой части кожуха. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 41 ил.

Центрифуга для обогащения урана // 2520471

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к газовым центрифугам для обогащения урана. Центрифуга для обогащения урана содержит ротор центрифуги и электродвигатель. Ротор центрифуги соосно жестко соединен торцами с роторами электродвигателей. Статоры электродвигателей динамически сбалансированы, закреплены в подшипниковых опорах на фундаменте и приводятся во вращение с помощью приводных двигателей. Техническим результатом является увеличение скорости вращения ротора центрифуги и ее производительности. 1 ил.

Способ разделения газообразных смесей на фракции с различным удельным весом и газовая центрифуга для его осуществления // 2545286

Изобретение относится к разделению изотопных и газовых смесей, преимущественно газообразных соединений изотопов урана. Газовая центрифуга содержит герметичный неподвижный корпус в виде вертикального цилиндра, вращающийся ротор, соосно размещенный в корпусе, выполненный в виде вала и снабженный жестко закрепленной на нем лопаткой с выступающим элементом, отборные трубки разделенных фракций, каналы вывода разделенных фракций, выведенные наружу через вал ротора и имеющие расположенные на разной высоте горизонтальные участки с радиально удаленными от продольной оси корпуса входными отверстиями, при этом горизонтальные участки отборных трубок размещены внутри каждой лопатки, а входные отверстия отборных трубок расположены на выступающем элементе каждой лопатки в разных зонах турбулентности, и впускное отверстие, размещенное внизу корпуса, для подвода исходной газовой смеси. Способ разделения газообразных смесей включает вращение и ускорение газообразной смеси с помощью центрифуги, перемещение смеси в радиальном направлении, образование турбулентного потока у внешнего края центрифуги и отбор легкой и тяжелой фракций в разных зонах турбулентного потока. Изобретение обеспечивает повышение разделительной способности центрифуги и упрощение ее конструкции. 2 н. п. ф-лы, 8 ил.

Центрифуга для очистки газа // 2545559

Изобретение относится к центробежным устройствам для очистки газа от капельной жидкости и механических примесей и может найти применение в системах компримирования, очистки и осушки газа. Центрифуга для очистки газа содержит камеру сбора осадка, сообщенный с ней полый кожух с поверхностью осаждения, патрубки входа и выхода газа и размещенные в кожухе неподвижную вертикальную ось, направляющий аппарат с тангенциальными каналами подачи газа и ротор с тангенциальными каналами отвода газа, размещенный на оси посредством подшипниковых опор. Ротор снабжен коаксиальной пористой перегородкой, размещенной между направляющим аппаратом и каналами отвода газа. Направляющий аппарат расположен в верхней части кожуха, а каналы отвода газа размещены в нижней части ротора с обеспечением возможности движения потока газа сверху вниз. При этом каналы подвода газа сообщены с полостью между кожухом и пористой перегородкой, а каналы отвода газа - с полостью между перегородкой и ротором. Техническим результатом является повышение эффективности очистки газа от капельной жидкости. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Центробежный сепаратор // 2583266

Изобретение относится к центробежному сепаратору для очистки газа, содержащего масло, главным образом для очистки картерных газов из двигателя внутреннего сгорания, такого как дизельный двигатель. Центробежный сепаратор содержит неподвижный корпус, образующий разделительное пространство и содержащий первую концевую часть и противоположную вторую концевую часть, причем неподвижный корпус имеет поверхность внутренней стенки, обращенную к разделительному пространству, впускной канал, продолжающийся к разделительному пространству и образующий впуск для очищаемого газа, центробежный ротор, который предусмотрен в разделительном пространстве и продолжается от первой концевой части ко второй концевой части, причем центробежный ротор содержит шпиндель и множество разделительных дисков, удерживаемых шпинделем. Сепаратор также содержит приводной элемент, предусмотренный для вращения центробежного ротора в направлении вращения вокруг оси вращения, чтобы создать вращающийся объем газа, за счет чего масло отделяется от газа посредством центробежных сил, газовый выпускной канал для выпуска очищенного газа из разделительного пространства, масляный выпуск для выпуска масла из разделительного пространства и устройство подачи масла. Устройство подачи масла выполнено с возможностью подачи такого количества масла в разделительное пространство, чтобы текущая масляная пленка создавалась на поверхности внутренней стенки при работе центробежного сепаратора. Техническим результатом является уменьшение вязких скоплений в разделительном пространстве центробежного сепаратора, особенно на поверхности внутренней стенки корпуса центробежного сепаратора. 16 з.п. ф-лы, 3 ил.

Центрифуга для очистки газа // 2636502

Изобретение относится к центробежным устройствам для очистки газа от твердых частиц и мелкодисперсных капель жидкости и может быть использовано в системах компримирования, очистки и осушки газа, применяемых в нефтяной, химической и газовой отраслях промышленности. Центрифуга для очистки газа содержит полый цилиндрический корпус с горловиной, входным, выходным и сливным патрубками, размещенный внутри корпуса с возможностью осевого вращения ротор, к нижнему торцу которого соосно присоединена обойма, а к верхнему - тарелка, установленные в корпусе направляющий аппарат и фильтрующий элемент, который коаксиально размещен снаружи ротора. Центрифуга снабжена размещенными внутри корпуса уплотнительной манжетой и лопатками. Тарелка выполнена в виде фигурной втулки, выходной патрубок - в виде полой цапфы, соосно установленной на фигурной втулке и жестко связанной с ней, направляющий аппарат - в виде винтового завихрителя, а ротор - в виде коаксиально расположенных перфорированных внешней и внутренней гильз, между которыми размещен фильтрующий элемент. На гильзах соосно размещены фигурная втулка и полая цапфа, у которой на наружной боковой поверхности закреплены лопатки, равномерно установленные по ее окружности. При этом входной патрубок тангенциально присоединен к верхней части корпуса на уровне лопаток, размещенных на полой цапфе, а уплотнительная манжета размещена в кольцевом зазоре, образованном внутренней поверхностью горловины корпуса и наружной поверхностью полой цапфы. Винтовой завихритель установлен в корпусе ниже места расположения входного патрубка, при этом полая цапфа соосно установлена в горловине корпуса с возможностью вращения относительно нее. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности работы центрифуги для очистки газа. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Центрифуга для разделения смеси газов // 2636504

Изобретение относится к оборудованию для непрерывного разделения смесей газов с разным молекулярным весом в поле центробежных сил и касается конструкции газовой центрифуги. Центрифуга для разделения смеси газов содержит цилиндрический корпус с днищем, входным и отводным патрубками, соосно размещенные внутри корпуса ротор, осевое уплотнение, размещенное снаружи ротора на уровне его верхней части, торцевую крышку, присоединенную снизу к ротору, и вал, установленный с возможностью осевого вращения относительно корпуса и жестко связанный с торцевой крышкой. Центрифуга снабжена кожухом с тангенциально расположенным на нем выходным патрубком, винтовым завихрителем и радиальными перемычками. В нижней части кожуха выполнен наружный кольцевой выступ, сам кожух соосно размещен на корпусе. Винтовой завихритель установлен в корпусе над местом присоединения к нему входного патрубка. Ротор коаксиально закреплен на валу посредством радиальных перемычек, которые равномерно размещены по его окружности, причем боковые поверхности смежных радиальных перемычек и внутренняя поверхность ротора образуют осевые каналы. В боковой стенке ротора выполнены радиальные каналы, которые расположены между смежными радиальными перемычками. Входной патрубок присоединен тангенциально к нижней части корпуса, а отводной патрубок - радиально к верхней части корпуса. Верхний конец ротора размещен на уровне наружного кольцевого выступа кожуха, а нижний - на уровне верхней части винтового завихрителя. Осевое уплотнение выполнено в виде лабиринтного уплотнения между наружным кольцевым выступом кожуха и верхней частью ротора. Техническим результатом является упрощение и повышение надежности конструкции центрифуги. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.