基于壓力控制的離子交換樹脂提升智能控制系統(tǒng)

張彩萍，侯 江，伍憲玉，楊翀鈺，于長貴，侯 錄

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.新疆中核天山鈾業(yè)有限公司，新疆 伊寧 835000)

密實移動床離子交換提鈾工藝的研究始于20世紀(jì)90年代[1]，該工藝最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)是如何將樹脂從一個離子交換塔轉(zhuǎn)移到下一個塔。樹脂轉(zhuǎn)移方式主要有隔膜泵提升、揚(yáng)液器提升等，為了減少樹脂損失，提升過程采用計量罐作為樹脂轉(zhuǎn)移工具。轉(zhuǎn)移樹脂操作的控制方式經(jīng)歷了手動操作、半自動操作和目前鈾礦山水冶離子交換系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的自動控制3種方式，樹脂提升計量罐自動化操作如圖1所示。

這是目前鈾礦山水冶離子交換系統(tǒng)[2]廣泛應(yīng)用的自動控制裝置，系統(tǒng)采用電容式液位計檢測計量罐的物位值，通過液位值控制計量罐進(jìn)料和樹脂的提升與轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)檢測計量罐的實時液位值，當(dāng)交換塔排料量達(dá)到計量罐的物位上限時，停止計量罐進(jìn)料；當(dāng)樹脂轉(zhuǎn)移至計量罐的液位下限時，關(guān)閉氣源，結(jié)束計量罐樹脂提升過程。

新疆731地浸采鈾工程采用密實移動床離子交換水冶工藝，樹脂轉(zhuǎn)移設(shè)計采用計量罐自動控制方式。在工程試運(yùn)行期間，由于有機(jī)物積累或樹脂破碎導(dǎo)致計量罐物位計掛料嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)虛假的物位計量信號，使得離子交換系統(tǒng)無法正常自動運(yùn)行，嚴(yán)重地影響了地浸生產(chǎn)?；谏a(chǎn)實際工況，旨在研發(fā)一套離子交換樹脂壓力提升自動控制系統(tǒng)，防止樹脂提升管堵塞和樹脂跑冒，減少操作過程中樹脂損耗和氣源消耗，實現(xiàn)水冶廠離子交換系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠地自動運(yùn)行。

1 技術(shù)方案

新疆731水冶廠離子交換系統(tǒng)涉及10組離子交換塔及樹脂計量罐，順利提升與轉(zhuǎn)移計量罐內(nèi)的樹脂是離子交換系統(tǒng)連續(xù)自動運(yùn)行的基礎(chǔ)和保障。根據(jù)移動床離子交換系統(tǒng)工藝特點[3]，基于水冶廠離子交換系統(tǒng)生產(chǎn)狀況，采用計量罐壓力參數(shù)，控制離子交換系統(tǒng)計量罐樹脂提升與轉(zhuǎn)移[4]，完成離子交換系統(tǒng)中樹脂的自動轉(zhuǎn)移。

本技術(shù)方案具有的性能：1)自動檢測壓力、液位等儀表參數(shù)；2)通過檢測樹脂提升過程中計量罐內(nèi)壓力的變化，智能控制計量罐相應(yīng)閥門的動作，實現(xiàn)樹脂連續(xù)自動提升與安全轉(zhuǎn)移，確保水冶生產(chǎn)工藝正常運(yùn)行；3)自動監(jiān)控樹脂提升壓力，使其按預(yù)設(shè)壓力曲線進(jìn)行樹脂的提升與轉(zhuǎn)移，降低原材料損耗，確保離子交換系統(tǒng)穩(wěn)定可靠自動運(yùn)行。

樹脂提升系統(tǒng)由離子交換塔、計量罐、進(jìn)料閥、進(jìn)氣閥、排氣閥、壓力變送器、液位變送器和PLC系統(tǒng)組成。根據(jù)壓力控制離子交換樹脂提升工藝的要求，啟動離子交換系統(tǒng)后自動化控制系統(tǒng)實時監(jiān)測計量罐壓力反饋值，系統(tǒng)PLC軟件程序根據(jù)預(yù)設(shè)的壓力曲線智能控制相關(guān)閥門動作，動態(tài)調(diào)節(jié)計量罐壓力值，確保離子交換系統(tǒng)能夠在合適的壓力范圍內(nèi)安全、穩(wěn)定可靠地完成樹脂提升的自動控制。

2 基于壓力控制的樹脂提升流程設(shè)計

基于壓力控制的離子交換樹脂提升過程如圖2所示，以一組離子交換樹脂轉(zhuǎn)移流程為例，一個樹脂轉(zhuǎn)移過程涉及的自動閥門包括進(jìn)料閥(Vn2)、進(jìn)氣閥(Vn3)、排氣閥(Vn4)。

根據(jù)樹脂提升過程工藝要求，設(shè)計樹脂提升自動化控制流程，自動化控制流程包括樹脂提升啟動子流程和壓力控制子流程。

2.1 樹脂提升啟動子流程控制

系統(tǒng)啟動，開始樹脂提升啟動子流程控制，如圖3所示。打開前塔排放樹脂閥Vn2，通過料位計實時監(jiān)測計量罐料位，當(dāng)料位反饋值達(dá)到程序設(shè)定值時，開始樹脂提升啟動子流程。關(guān)閉交換塔進(jìn)料閥Vn2，關(guān)閉計量罐排氣閥Vn4，完成計量罐樹脂提升準(zhǔn)備工作，打開計量罐進(jìn)氣閥Vn3，系統(tǒng)啟動定時器并實時監(jiān)測計量罐壓力變化。設(shè)定時間內(nèi)壓力P達(dá)到預(yù)定值P1(P1設(shè)定范圍，可根據(jù)現(xiàn)場需要設(shè)定)，則判斷樹脂提升已正常啟動，可進(jìn)入下一步壓力控制子流程；若設(shè)定時間內(nèi)壓力P未達(dá)到設(shè)定值，則終止流程并發(fā)出報警信號提示操作人員干預(yù)處置。

2.2 樹脂提升壓力控制子流程

樹脂提升壓力控制子流程如圖4所示。

超壓保護(hù)和穩(wěn)壓控制是確保離子交換樹脂提升壓力控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動安全運(yùn)行的關(guān)鍵。提升壓力大，樹脂提升順暢；但樹脂顆粒摩擦力增大，樹脂破損越嚴(yán)重，會浪費(fèi)原料并給后期樹脂處理帶來困難。同時，提升壓力越大，對交換塔濾網(wǎng)沖擊就越大，濾網(wǎng)非正常損壞就越嚴(yán)重；過大的提升壓力還會使樹脂通過交換塔排氣孔飛出，造成原料浪費(fèi)，引起環(huán)境污染，破壞離子交換系統(tǒng)的物料平衡。實際運(yùn)行中，可能由于某種原因使得樹脂流通不暢，為使系統(tǒng)能夠自動地正常運(yùn)行，在樹脂提升過程中對系統(tǒng)進(jìn)行超壓保護(hù)控制，顯得極為必要。

在樹脂提升過程末期，樹脂輸送管路逐漸通暢，系統(tǒng)進(jìn)氣速度小于排氣速度，壓力P逐漸降低。當(dāng)P

3 控制軟件程序設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場工況和控制流程圖，在大量現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)分析，研發(fā)了數(shù)據(jù)采集與處理子程序、液位與壓力曲線設(shè)值子程序、壓力控制樹脂提升與轉(zhuǎn)移智能控制子程序。

3.1 下位PLC軟件控制程序

1)數(shù)據(jù)采集與處理子程序。PLC系統(tǒng)[5]采集壓力、液位等現(xiàn)場儀表及工藝過程控制參數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集與處理子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化與處理。

2)液位與壓力曲線設(shè)值子程序。該子程序進(jìn)行液位及壓力等儀表參數(shù)監(jiān)測，完成樹脂轉(zhuǎn)移體積設(shè)值、樹脂提升壓力范圍設(shè)定，確保離子交換系統(tǒng)樹脂提升與轉(zhuǎn)移符合工藝要求。

3)壓力控制樹脂提升與轉(zhuǎn)移控制子程序。該子程序包括樹脂提升管道故障檢測與樹脂轉(zhuǎn)移過程壓力控制2部分。樹脂提升管道故障檢測程序，在樹脂提升初期自動檢測計量罐內(nèi)的壓力，如果在規(guī)定時間內(nèi)壓力達(dá)不到設(shè)定值，系統(tǒng)將終止樹脂轉(zhuǎn)移，并通過報警提醒操作人員進(jìn)行故障檢查。樹脂轉(zhuǎn)移過程壓力控制程序，在樹脂提升過程中自動檢測計量罐壓力參數(shù)，采用超壓保護(hù)、低壓補(bǔ)壓的控制方式，智能調(diào)節(jié)樹脂提升壓力，確保樹脂提升與轉(zhuǎn)移過程按照預(yù)設(shè)的壓力曲線進(jìn)行，保持提升壓力處于工藝允許的范圍內(nèi)，確保樹脂提升與轉(zhuǎn)移的穩(wěn)定高效運(yùn)行。系統(tǒng)對余壓進(jìn)行檢測與控制，避免在計量罐樹脂提升后期因余壓控制不準(zhǔn)引起原材料損耗及環(huán)境污染。

3.2 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計

根據(jù)監(jiān)控要求開發(fā)上位計算機(jī)監(jiān)控畫面[6]，包括工藝流程總貌畫面、吸附、淋洗、轉(zhuǎn)型等分流程控制畫面、參數(shù)一覽畫面、參數(shù)設(shè)定畫面、歷史趨勢畫面和報警畫面等，可動態(tài)顯示現(xiàn)場工藝過程的運(yùn)行參數(shù)、工作狀況、故障報警等信息，并根據(jù)檢測參數(shù)實現(xiàn)壓力控制參數(shù)的計算機(jī)設(shè)定和控制。上位計算機(jī)監(jiān)控畫面的設(shè)計以淋洗工藝過程為例，如圖5所示。

4 應(yīng)用和效益

基于壓力控制的離子交換樹脂提升智能控制系統(tǒng)，在新疆731地浸采鈾工程鈾水冶生產(chǎn)中成功應(yīng)用。該系統(tǒng)通過智能控制樹脂計量罐的壓力，進(jìn)行離子交換系統(tǒng)樹脂的自動提升和轉(zhuǎn)移。自動提升和轉(zhuǎn)移過程中，按照預(yù)設(shè)壓力曲線保證提升壓力處在設(shè)定范圍內(nèi)，可有效地解決因壓力過小或過大引起的樹脂堵塞管道或樹脂磨損問題，既節(jié)約了壓縮空氣的使用量，降低了樹脂的損耗；又提高了生產(chǎn)效率，確保了水冶離子交換系統(tǒng)安全穩(wěn)定的自動運(yùn)行。該系統(tǒng)的應(yīng)用保證了整個水冶工藝的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

基于壓力控制的離子交換樹脂提升智能控制系統(tǒng)，通過控制壓力來調(diào)節(jié)樹脂的提升速度，降低了樹脂損耗，提升過程安全、可靠，轉(zhuǎn)移樹脂計量準(zhǔn)確。該系統(tǒng)的開發(fā)和成功應(yīng)用，實現(xiàn)了樹脂轉(zhuǎn)移自動控制，不受生產(chǎn)工況等變化的影響，避免了樹脂堵塞管道和冒槽問題，提高了生產(chǎn)效率，降低了氣源消耗，確保了離子交換系統(tǒng)安全穩(wěn)定自動運(yùn)行。該系統(tǒng)為離子交換系統(tǒng)樹脂提升自動控制開拓了新的控制方法和思路，在中國鈾水冶移動床離子交換系統(tǒng)樹脂提升自動控制中具有示范作用。