ПУЛЬСАЦИОННЫЙ КЛАПАННЫЙ ПОГРУЖНОЙ НАСОС
PULSATING VALVE-TYPE DOWNHOLE PUMP

Изобретение относится к атомной промышленности в части переработки радиоактивных отходов, а именно к устройствам для струйного растворения и размыва осадка, скопившегося на дне емкостей-хранилищ радиоактивных отходов любого уровня активности, перевода нерастворимой твердой фазы осадка во взвешенное состояние и выдачи суспензии из емкости-хранилища на переработку. Кроме того, устройство может быть использовано в других отраслях промышленности для перемешивания, усреднения концентрации реагентов в емкостях и их выдачи.
Для освобождения емкостей-хранилищ от радиоактивных отходов высокого уровня активности, как правило, используется послойный метод размыва и(или) растворения осадков в них, обеспечивающий минимальное образование вторичных радиоактивных отходов за счет использования оборотной жидкости в освобождаемой емкости. Суть этого метода заключается в том, что сначала в осадке в центре емкости создается впадина, которая заполняется рабочей жидкостью. В качестве рабочей жидкости используются или декантат, под слоем которого хранится осадок, или, при растворении осадка непосредственно в освобождаемой емкости, реагенты, растворяющие осадок. В дальнейшем рабочая жидкость из впадины многократно используется для размыва осадка и его растворения затопленными и незатопленными струями до образования во впадине раствора и суспензии необходимой концентрации, содержащей растворенный осадок и(или) нерастворимую твердую фазу. После достижения раствором и(или) суспензией во впадине необходимой концентрации, последние выдаются на переработку. Для эффективного удаления из емкости быстроотстаивающейся твердой фазы необходимо во время выдачи суспензии постоянно поддерживать твердую фазу в ней во взвешенном состоянии перемешиванием, при этом для поддержания твердой фазы в суспензии во взвешенном состоянии требуется значительно меньший расход рабочей жидкости по сравнению с ее расходом на размыв осадка.
Размыв осадка в емкостях-хранилищах большого диаметра осуществляется при помощи устройств для размыва, установленных по периферии емкости, рабочая жидкость на которые подается из впадины насосом, в частности устройствами по патенту на полезную модель №61928.
Известен пульсационный клапанный погружной насос, включающий пульсопровод, впускной шаровой клапан с ограничителем подъема шара и нагнетательный трубопровод с выпускным шаровым клапаном, установленный в пульсопроводе, который снабжен днищем, имеет отверстия и размещен в корпусе. Шар впускного клапана изготовлен плавающим в жидкости (см. Патент РФ №2137947, GF04F 1/02, G21F 9/24).
Известным насосом может осуществляться одновременный размыв осадка и выдача суспензии из емкости.
К недостаткам известного насоса относится то, что размыв осадка жидкостью, находящейся в емкости, осуществляется всегда одновременно с ее выдачей. Вытесняемая из корпуса суспензия постоянно разделяется на два нерегулируемых потока: в нагнетательный и гибкий трубопроводы, что приводит к неэффективной работе известного насоса. Постоянная выдача в нагнетательный трубопровод не позволяет осуществлять выдачу только после образования во впадине суспензии необходимой концентрации, а также сокращает объем жидкости, направляемый по гибкому трубопроводу на размыв осадка.
Неуправляемым хаотичным движением гибкого трубопровода под действием реактивной силы вытекающей струи затруднительно создать впадину в осадке, необходимую для многократного использования оборотной жидкости из нее. Кроме того, такое движение гибкого трубопровода также не позволит поддерживать твердую фазу в суспензии во взвешенном состоянии по всему объему впадины. Помимо этого, в большинстве емкостей присутствуют различные препятствия для перемещения гибкого трубопровода, как-то охлаждающие змеевики, датчики контрольно-измерительных приборов и др., что делает практически невозможным применение указанного насоса в таких емкостях.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является пульсационный клапанный погружной насос, включающий корпус, сообщающийся с нижними соплами посредством трубы и камеры нижних сопел, внутри которой размещен вал, снабженный заслонкой и соединенный через подвижный подшипниковый узел, зубчатую шестерню и зубчатую рейку с приводами поворота и изменения глубины погружения сопел, пульсопровод, впускной шаровой клапан с ограничителем подъема шара, нагнетательный трубопровод с выпускным шаровым клапаном и систему управления (см. патент РФ №2249269, МПК 7 G21 9/28, F04F 1/02).
Известное устройство позволяет при закрытии запорного клапана на нагнетательном трубопроводе и открытом положении заслонки весь объем рабочей жидкости, вытесняемый из корпуса, подавать в камеру нижних сопел и далее на нижние сопла, а при открытом запорном клапане на нагнетательном трубопроводе и закрытом положении заслонки - в нагнетательный трубопровод, осуществляя последовательно растворение и суспензирование осадка, а затем выдачу суспензии из емкости.
К недостаткам известного насоса относится то, что растворение и суспензирование осадка, а также выдача суспензии из емкости может осуществляться только по отдельности. После проведения растворения и суспензирования осадка приводом изменения глубины погружения сопел, заслонка перекрывает вход в камеру нижних сопел и насос переключается на работу в режиме выдачи из емкости. Указанный режим работы известного насоса эффективен при растворении реагентами осадка в емкости и выдаче раствора на переработку.
Однако, при получении в емкости в результате размыва осадка быстроотстаивающихся суспензий осуществить известным насосом выдачу частиц твердой фазы с суспензией из емкости затруднительно вследствие того, что при работе насоса в режиме выдачи твердая фаза в суспензии не поддерживается во взвешенном состоянии. В результате оседания частиц твердой фазы ее концентрация в выдаваемой из емкости суспензии будет постоянно снижаться. В результате снижается и эффективность выведения из емкости нерастворимой твердой фазы.
Осуществление выдачи известным насосом быстроотстаивающихся суспензий потребует или частого переключения насоса с режима размыва осадка на режим выдачи и обратно, или установки в емкость дополнительного устройства, поддерживающего нерастворимую твердую фазу во взвешенном состоянии. При частых переключениях насоса с режима размыва осадка на режим выдачи и обратно увеличиваются продолжительности пауз в подачах суспензии в трубопровод выдачи, что может привести к оседанию твердой фазы в трубопроводе выдачи и его закупорке.
Таким образом, для эффективной выдачи твердой фазы с суспензией из емкости существует необходимость поддержания частиц твердой фазы в быстроотстаивающихся суспензиях во взвешенном состоянии при работе насоса в режиме выдачи из емкости.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей насоса, позволяющих наряду с растворением осадка и выдачей раствора также осуществлять и выдачу быстроотстаивающейся твердой фазы с суспензией за счет отведения части жидкости на поддержание твердой фазы во взвешенном состоянии при выдаче суспензии из емкости.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в регулировании соотношения между объемами жидкости, подаваемыми одновременно в камеру нижних сопел и нагнетательный трубопровод.
Указанный технический результат достигается тем, что в пульсационном клапанном погружном насосе, включающем корпус, сообщающийся с нижними соплами посредством трубы и камеры нижних сопел, снабженной узлами уплотнения и седлом и внутри которой размещен вал, снабженный заслонкой и соединенный через подвижный подшипниковый узел и зубчатую шестерню с приводами поворота и изменения глубины погружения сопел, пульсопровод, впускной шаровой клапан с ограничителем подъема шара, нагнетательный трубопровод с выпускным шаровым клапаном и систему управления, особенностью является то, что заслонка выполнена в виде конуса, по малому диаметру присоединенного к валу, а по большему диаметру к полой части вала с соплами, на большем диаметре конуса выполнен бурт, взаимодействующий с седлом камеры при верхнем положении вала.
В частном случае исполнения малый диаметр конуса равен диаметру вала, больший диаметр конуса меньше внутреннего диаметра седла, а максимальная длина конуса равна половине хода штока привода изменения глубины погружения сопел.
В другом частном случае в качестве привода поворота используется пневматический поворотный привод с углом поворота вала 180°.
Выполнение заслонки в виде конуса, по малому диаметру присоединенного к валу, а по большему диаметру к полой части вала с соплами, позволяет при перемещении конуса изменять проходное сечение отверстия между конусом и седлом и его пропускную способность и, тем самым, регулировать соотношение между объемами жидкости, подаваемыми одновременно в камеру нижних сопел и нагнетательный трубопровод.
Выполнение на большем диаметре конуса бурта, взаимодействующего с седлом камеры при верхнем положении вала, позволяет полностью перекрывать подачу жидкости из корпуса в камеру нижних сопел и сохранить возможность подачи всего вытесняемого из корпуса объема жидкости в нагнетательный трубопровод. Это позволяет сохранить производительность насоса при выдаче растворенного осадка и долго отстаивающихся суспензий.
Выполнение конуса, малый диаметр которого равен диаметру вала, позволяет при нижнем положении конуса сохранить проходное сечение отверстия между валом и седлом камеры нижних сопел и, при закрытии запорного клапана на нагнетательном трубопроводе, подавать весь вытесняемый из корпуса объем жидкости в камеру нижних сопел и, тем самым, обеспечить сохранение эффективности работы предлагаемого насоса в режиме размыва и растворения осадка.
Выполнение конуса длиной, равной половине хода штока у привода изменения глубины погружения сопел, позволяет при перемещении конуса на половину хода штока плавно изменять проходное сечение отверстия между конусом и седлом и его пропускную способность и обеспечить необходимое регулирование соотношения между объемами жидкости, подаваемыми в камеру нижних сопел и нагнетательный трубопровод, обеспечивая, тем самым, отведение минимально достаточного объема жидкости на поддержание твердой фазы во взвешенном состоянии, в зависимости от скорости ее оседания. Кроме того, дальнейшее перемещение вала на оставшийся ход штока позволяет по мере размыва приближать сопла к нижним слоям размываемого осадка.
Использование в качестве привода поворота пневматического поворотного привода с углом поворота вала 180° позволяет не только заменить реечную передачу цилиндрической зубчатой передачей, упростив тем самым конструкцию привода поворота, но и сократить количество сопел до двух, увеличив, тем самым, расход жидкости через них и дальность действия вытекающих из сопел струй.
На фиг.1 изображен предлагаемый насос в разрезе.
На фиг.2 - верхняя часть насоса в разрезе при верхнем положении конуса.
На фиг.3 - дополнительная камера насоса в разрезе при верхнем положении конуса.
На фиг.4 - дополнительная камера насоса в разрезе при среднем положении конуса.
На фиг.5 - дополнительная камера насоса в разрезе при отведении части жидкости на поддержание твердой фазы во взвешенном состоянии.
Предлагаемый насос содержит (см. фиг.1) корпус 1, соединенный нижней выдачной трубой 2 с дополнительной камерой 3. В нижней части корпуса 1 смонтирован впускной шаровой клапан 4.
К корпусу 1 присоединен нагнетательный трубопровод 5 с выпускным шаровым клапаном 6 и запорным клапаном 7, а также пульсопровод 8, соединенный с клапанным воздухораспределителем 9. Клапанный воздухораспределитель 9 содержит два клапана 10 и 11, соединенные с трубопроводом сжатого воздуха 12 и эжектором 13. Через дополнительную камеру 3 проходит вал 14, к нижней полой части 15 которого присоединены сопла 16. В верхней части вал 14 проходит через монтажный фланец 17 и присоединен (см. фиг.2) через подвижный подшипниковый узел 18 к штоку привода 19 изменения глубины погружения сопел 16. В верхней части вал 14 установлен на шлицевом соединении 20 внутри шестерни 21, установленной в подшипниковом узле 22 и находящейся в зацеплении с шестерней 23, установленной на валу привода 24 поворота сопел 16. В качестве привода 19 изменения глубины погружения сопел 16 на предприятии используется пневмоцилиндр с позиционером C92PDB-100-200, а в качестве привода 24 поворота сопел 16 - пневматический поворотный привод ECDRA1BW100-180 с углом поворота вала 180° фирмы SMC (Япония). Все составные части насоса монтируются на монтажном фланце 17, устанавливаемом на фланце проходки 25 в емкость-хранилище 26.
Дополнительная камера 3 (см. фиг.3) снабжена седлом 27 и узлами уплотнения 28 и 29, изготовленными из антифрикционных материалов и служащими также в качестве подшипников скольжения для частей вала 14, размещенных внутри дополнительной камеры 3. Вал 14 снабжен конусом 30, присоединенным по малому диаметру к валу 14, а по большему диаметру - к нижней полой части 15 вала 14, сообщающейся с двумя нижними соплами 16. На большем диаметре конуса 30 выполнен бурт 31, взаимодействующий с седлом 27 при верхнем положении вала 14 (см. фиг.3). В нижней полой части 15 выполнены отверстия 32, соединяющие ее с дополнительной камерой 3.
Предлагаемый насос предназначен для размыва и растворения осадка, суспензирования нерастворимой твердой фазы и выдачи растворов и суспензий из емкостей-хранилищ радиоактивных отходов и работает следующим образом.
Как правило, осадок в емкостях-хранилищах находится под слоем маточного раствора (декантата), который и используется в качестве рабочей жидкости при работе предлагаемого насоса.
Глубина погружения насоса в емкость выбирается таким образом, чтобы впускной шаровой клапан 4 был погружен в рабочую жидкость, а нижние сопла 16 были расположены вблизи осадка. Сначала насос запускается в работу в режиме растворения и суспензирования для размыва осадка вокруг себя в радиусе 4-5 м. При этом режиме запорный клапан 7 на нагнетательном трубопроводе 5 закрыт, а конус 30 опускается в среднее положение (см. фиг.4) на половину хода штока привода 19. При этом в седле 27 конус 30 располагается своим малым диаметром, обеспечивая максимальное проходное сечение отверстия между валом и седлом.
С помощью компьютерной системы управления задаются продолжительности открытия и закрытия клапанов 10 и 11 воздухораспределителя 9, соединенных с трубопроводом сжатого воздуха 12 и эжектором 13 соответственно. При открытии клапана 11 в корпус 1 подается разрежение от эжектора 13 и за счет разности гидростатического давления внутри и вне корпуса 1 впускной шаровой клапан 4 открывается и рабочая жидкость поступает в корпус 1. После заполнения корпуса 1 рабочей жидкостью клапан 11 закрывается, открывается клапан 10, соединяющий корпус 1 через пульсопровод 8 с трубопроводом 12 сжатого воздуха, под действием давления которого происходит вытеснение рабочей жидкости в нижнюю выдачную трубу 2 и соединенную с ней камеру 3. Далее рабочая жидкость через отверстия 32 поступает в полую нижнюю часть 15 и через сопла 16 выбрасывается в емкость 26, растворяя и размывая осадок. По истечении заданной продолжительности вытеснения клапан 10 закрывается и вновь открывается клапан 11, через который сначала отработанный воздух отдувается через эжектор 13, а затем вновь в корпус 1 подается от него разрежение. Процесс заполнения корпуса 1 жидкостью и ее вытеснения на сопла 16 периодически повторяется. В процессе размыва осадка приводом 24 при помощи шестерен 23 и 21 и шлицевого соединения 20 осуществляется поворот вала 14 с соплами 16 в пределах угла поворота пневматического поворотного привода 180° на заданный требуемый угол. Таким образом, два сопла обеспечивают размыв осадка в угле 360°.
По мере размыва, с помощью привода 19 подвижной подшипниковый узел 18 вместе с подвешенным на нем валом 14 может опускаться внутри шестерни 21 по шлицевому соединению 20 на оставшуюся половину хода штока привода 19, приближая сопла 16 к нижним слоям осадка. Уплотнения 28 и 29 препятствуют значительным протечкам рабочей жидкости в емкость 26, минуя сопла 16.
После того, как плотность раствора и(или) суспензии достигает предельных значений, допускающих их транспортировку по трубопроводу к месту переработки, насос переключается на режим выдачи раствора и(или) суспензии из емкости 26.
При выдаче растворов из емкости 26 приводом 19 подвижной подшипниковый узел 18 и подвешенный на нем вал 14 переводятся в крайнее верхнее положение (см. фиг.3), при этом бурт 31 конуса 30 прижимается к седлу 27 и перекрывает доступ рабочей жидкости из корпуса 1 в дополнительную камеру 3. Запорный клапан 7 на нагнетательном трубопроводе 5 открывается. Заполнение корпуса 1 рабочей жидкостью и ее вытеснение в режиме выдачи раствора из емкости 26 производятся аналогично режиму растворения и суспензирования осадка, но вытесняемый из корпуса 1 раствор по нагнетательному трубопроводу 5 с выпускным шаровым клапаном 6 поступает через открытый запорный клапан 7 в магистральный трубопровод и далее на переработку.
При проведении стендовых испытаний предлагаемого насоса определяется соотношение между объемами жидкости, подаваемыми в камеру 3 нижних сопел 16 и нагнетательный трубопровод 5 в зависимости от положения конуса 30 относительно седла 27, которое определяется следующим образом.
Так как в качестве привода 19 используется пневмоцилиндр с позиционером, то положение штока пневмоцилиндра и связанного с ним конуса 30 может задаваться позиционером, управляемым системой управления. При различных положениях конуса 30 относительно седла 27 измеряется объем жидкости, вытесняемой по нагнетательному трубопроводу 5, а объем жидкости, подаваемой на сопла 16, определяется как разность между полным объемом вытесняемой из корпуса 1 жидкости при ее выдаче и измеренным объемом.
При выдаче быстроотстаивающихся суспензий из емкости 26 запорный клапан 7 на нагнетательном трубопроводе 5 открывается. Шток привода 19 со связанными с ним подвижным подшипниковым узлом 18, валом 14 и конусом 30 переводятся в определенное при испытаниях положение, при котором проходное кольцевое сечение между конусом 30 и седлом 27 будет обеспечивать постоянное отведение нужного объема жидкости на сопла 16 для поддержания твердой фазы во взвешенном состоянии (см. фиг.5).
При этом вытесняемый из корпуса 1 объем жидкости делится на два потока в требуемом соотношении, один из которых поступает в нагнетательный трубопровод 5, а второй - по нижней выдачной трубе 2 в камеру 3 и далее через проходное кольцевое сечение между конусом 30 и седлом 27 на сопла 16.
При выдаче суспензии осуществляется постоянный поворот вала 14 с соплами 16 в пределах угла поворота привода 24, который составляет 180°, при этом два сопла 16 обеспечивают подаваемой на них частью вытесняемой из корпуса 1 жидкости перемешивание суспензии во впадине и поддержание твердой фазы в ней во взвешенном состоянии по всему периметру впадины в угле 360°.
Измеряя методом отбора проб содержание твердой фазы в выдаваемой из емкости 26 суспензии и ее скорость осаждения, соотношение между объемами жидкости, подаваемыми на нижние сопла 16 и нагнетательный трубопровод 5, может изменяться перемещением конуса 30 в седле 27. В зависимости от скорости осаждения твердой фазы также может осуществляться и периодическая подача части жидкости на сопла 16 через определенные промежутки времени, когда большая часть твердой фазы еще не достигает дна впадины в осадке. В этом случае конус 30 из определенного при испытаниях положения, обеспечивающего отведение нужного объема жидкости на сопла 16, переводится в верхнее положение, закрывая подачу части жидкости на сопла 16 в течение нескольких циклов вытеснения жидкости из корпуса 1 только в нагнетательный трубопровод 5. После установленного количества циклов конус 30 возвращается в определенное при испытаниях положение, обеспечивающее отведение нужного объема жидкости на сопла 16 для поддержания твердой фазы во взвешенном состоянии и струи, вытекающие из сопел 16, переводят твердую фазу во взвешенное состояние.