СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОВЫХ ЦЕНТРИФУГ
METHOD OF OPERATING GAS CENTRIFUGES

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.
с
р
2
fк=1/[(ω/ω)-1].
с
где: ω - частота собственных изгибных колебаний ротора по какой-либо собственной форме к рабочей частоте вращения ротора;
p
ω - 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.
с
р
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/ω 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.