氣體質(zhì)量流量控制器在地浸采鈾中的應用

杜志明，王立民，廖文勝

(中核礦業(yè)科技集團有限公司，北京 101149)

CO2+O2地浸采鈾已成為保障中國天然鈾產(chǎn)能的主力工藝技術。根據(jù)地浸采鈾工藝要求，在配制溶浸液時，要向注液支管常年連續(xù)注入氧氣；但各個采區(qū)的注液支管數(shù)量多，流量、管道壓力均不相同且動態(tài)變化，這給氣體精確計量和穩(wěn)定控制帶來困難，使得不能精準滿足氧氣濃度配制的工藝要求。

針對該難題，美國專門研制了氧氣分加系統(tǒng)裝置，其優(yōu)點是能夠分別控制加入單個井中的氧氣量；但設備較復雜，僅在室內(nèi)實驗室開展試驗，并未實現(xiàn)工業(yè)化應用[1]。目前，國內(nèi)主要依靠人工控制調(diào)節(jié)方式，注液支管氧氣的加入已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模的工業(yè)化應用[2-3]。在現(xiàn)有的地浸采鈾氣體加注工藝中，氣體計量裝置主要采用玻璃(金屬)轉(zhuǎn)子流量計[4]82-83。轉(zhuǎn)子流量計的流量測量精度低，流量因介質(zhì)壓力和溫度的變化而難以穩(wěn)定計量，不能自動調(diào)整和遠程控制[5]，尤其對于低流量范圍內(nèi)的氣體難以精準控制，人工監(jiān)測和手動調(diào)節(jié)的誤差大、費時低效。因此，迫切需要研制計量精度高、可遠程控制的氣體計量系統(tǒng)，以解決氣體加入的精準計量和控制問題。

1 氣體流量控制的技術現(xiàn)狀與存在的問題

1.1 技術現(xiàn)狀

在現(xiàn)有的地浸采鈾氣體加入工藝中，在注液總管道上安裝了大流量的質(zhì)量計量裝置；在注液支管主要采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計，采用人工計量調(diào)節(jié)的控制方式。注氧管線系統(tǒng)包括從氣體站輸送氧氣的地表管道和注液孔的注液管線。氧氣從液氧貯罐經(jīng)汽化器汽化后，由管道輸送到集控室，然后分送到各個注孔，加氣管線通過連接裝置與注液孔注液管道連接。注液經(jīng)過水力切割式混氧裝置后形成水流噴射狀態(tài)，與加入的O2融合后，進入注液管道。

現(xiàn)有工序各個注孔支管溶浸液的配制操作工作量大，每個集控室控制幾十個注液孔，氣體加入調(diào)節(jié)控制首先要保證氧氣加入的合理性，氧氣溶解量與溫度、壓力關系公式[4]80：

(1)

式中：[O2]—氧氣溶解量，mg/L；P—當?shù)貙崪y大氣壓，Pa；P0—標準大氣壓，Pa；T—溫度，℃；k—實測常數(shù)，℃·(mg/L)。

溶浸液中溶解O2的濃度主要由礦層的靜水壓力決定(頂板至靜水位的水柱壓力)。現(xiàn)場需要根據(jù)工藝參數(shù)要求的注氧配制濃度和注液量的大小，計算出氧氣加入量，再通過查表換算出玻璃轉(zhuǎn)子應顯示的數(shù)值，然后人工旋轉(zhuǎn)注氧管道控制閥門調(diào)節(jié)到目標值。

根據(jù)鉆孔注液量的大小，通過浮子氣體流量計控制向鉆孔中加入的氧氣量。單鉆孔所需的氧氣加入量計算公式為[6]

(2)

式中：QS—氧氣測量時的流量，L/h；QN—氧氣標定狀態(tài)下的流量，L/h；ρN—氧氣在標定狀態(tài)下的密度，mg/L；PN—氧氣在標定狀態(tài)下的絕對壓力，Pa；TN—絕對溫度，K；ZS—被測氧氣在PS、TS時的壓縮系數(shù)；ρSN—測量時氧氣的密度，mg/L；PS—測量時的氧氣絕對壓力，Pa；TS—絕對溫度，K；ZSN—氧氣標定狀態(tài)下的壓縮系數(shù)。

試驗現(xiàn)場的浮子氣體流量計調(diào)節(jié)顯示的是注氧的流速(L/h)，各個單孔的注液能力不同，各個注孔中配制氧濃度的控制，由人工根據(jù)單孔的注液情況進行注氧濃度的現(xiàn)場調(diào)節(jié)。

1.2 存在的問題

1)氣體加入控制精準度低?，F(xiàn)場氧氣支管采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計作為單孔氧氣加入的計量設備，轉(zhuǎn)子流量計具有流量測量精度低(現(xiàn)場使用相對誤差約為8%)，尤其對于小于100 L/min低流量范圍內(nèi)的氣體加注，無法有效地計量控制。由于使用過程中浮子上下波動，現(xiàn)場依靠人工讀數(shù)、人工調(diào)節(jié)旋鈕造成的控制誤差大。

2)人工手動操作勞動量大。在地浸采鈾過程中，要求在配液溶液流量和注液管道壓力不斷變化的情況下，保證氣體能夠穩(wěn)定、精確配制加入到液體管道中?，F(xiàn)有的地浸采鈾行業(yè)中，一般需要在上百個注液支管中進行注氣計量和控制，數(shù)十個集中控制室距離幾公里不等，每個集控室中都每天需要人工根據(jù)注液量的大小對該類流量計進行實時調(diào)節(jié)，人工操作勞動強度大、費時低效，且極易產(chǎn)生記錄誤差。

3)氣體控制系統(tǒng)自控程度低。地浸采鈾的氣體加入控制系統(tǒng)龐大復雜，在某大型鈾礦床，累計布置700多個注液支管氣體轉(zhuǎn)子流量計，現(xiàn)有方式不能實現(xiàn)各個注液管道加氣的自動化、遠程化控制。

2 氣體流量計的比選

2.1 設備選型

氣體計量計按照計量原理的不同可分為質(zhì)量流量計、差壓式流量計、浮子流量計、渦輪流量計、渦街流量計、容積式流量計、超聲波流量計[7]。常見氣體流量計的主要特點見表1。

表1 常見氣體流量計分類及特性

在地浸采鈾現(xiàn)場，注液管道計量的使用條件復雜。當現(xiàn)場壓力變化0.1 MPa時，對體積流量計而言，其實際克分子流量將變化1倍；而質(zhì)量流量計僅變動0.14%F.S.，影響有限。質(zhì)量流量控制計在多個行業(yè)中有著重要的應用[7-9]，可供選擇的計量器具有熱式、科式質(zhì)量流量計。

鈾礦冶領域已應用了多種不同類型的氣體流量計，例如，部分天然鈾企業(yè)采用金屬管轉(zhuǎn)子流量計取得了較好的應用效果；但其量程大，只適合于安裝在主管道上進行較大氣體流量的計量，對于注液支管小流量氣體的測量精確度低，尚無自動化調(diào)節(jié)和控制手段。

結(jié)合表1對比分析，地浸采鈾井場集控室氧氣主管采用科式質(zhì)量流量計進行氣體計量，可在線顯示氧氣質(zhì)量流量(kg/h)；但科式流量計價格高且壓力范圍越小時測量難度越大，不適于氧氣支管計量。熱式氣體質(zhì)量流量計價格相對便宜，可通過軟件轉(zhuǎn)換測量出氣體質(zhì)量流量，不受溫度、壓力的影響。現(xiàn)場被測壓力管道中的液體組分變化小，符合熱式氣體質(zhì)量流量計的工作要求。試驗現(xiàn)場選擇了熱式氣體質(zhì)量流量計開展相關研究。

2.2 熱式氣體質(zhì)量流量計現(xiàn)場使用問題

1)現(xiàn)場各個注液孔的氣體或注液管道壓力一直處于動平衡的波動狀態(tài)，在此情況下，液體常常向注氣管道返流，造成氣體計量元件損壞；在進氣管路及儀表裝置中容易形成水垢，堵塞氣體管路，造成計量不準或設備無法使用。

2)現(xiàn)場試驗中，在管道加裝了各種類型的單向閥(止回閥)，但由于氣/液管道中的壓力波動、注氣管線對液體的虹吸作用，以及氣液結(jié)合部位易結(jié)垢的問題，單向閥易受腐蝕和表面結(jié)垢，從而失去對儀表的保護作用。

3 新型質(zhì)量流量控制系統(tǒng)的研制

針對熱式氣體質(zhì)量流量計在現(xiàn)場使用存在的問題，需要研制一種氣體精確計量、在線記錄控制參數(shù)的方法，并解決液體返流的技術難題，實現(xiàn)注液管道氣體配制工序的持續(xù)、高效、穩(wěn)定運行。

為了實現(xiàn)對每個支管氧氣注入量的計量控制，在通用型積算儀的基礎上，根據(jù)現(xiàn)場使用環(huán)境和工藝要求，對現(xiàn)有氧氣配制系統(tǒng)進行了設計改進。系統(tǒng)中增設了電磁調(diào)節(jié)閥，使氧氣注入量計量和控制可以接入自動化控制系統(tǒng)，并具有就地和遠程控制功能，以實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠程集中監(jiān)控。

流量積算儀由±15 V電源、5 V電源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片、瞬時流量和累積流量顯示器、按鍵和通訊部件等部分組成，將質(zhì)量流量控制器送來的流量檢測電壓(0～+5 V)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；再進行運算處理和累積后，將瞬時流量值送到四位LED數(shù)碼管顯示，顯示單位為：SCCM(標準毫升/分)和SLM(標準升/分)；或者SLM(標準升/分)和SKLM(標準千升/分)；同時將累積值送入8位LED數(shù)碼管顯示，顯示單位與瞬時流量的單位對應，分別為：SCC(標準毫升)和SL(標準升)。

系統(tǒng)增加485通訊模塊，將積算儀數(shù)據(jù)(包括在線實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、參數(shù)設置等)通過485總線方式傳輸至PLC控制系統(tǒng)。PLC采用標準的Modbus通訊協(xié)議采集傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)與儀表的雙向通訊；最后將數(shù)據(jù)以工業(yè)以太網(wǎng)的方式傳輸至遠程控制中心，通過換算程序?qū)⒘髁繑?shù)據(jù)實時顯示至電腦，并且在電腦端可直接設定氧氣加入量，通過PID實現(xiàn)閉環(huán)控制。

3.1 質(zhì)量流量控制系統(tǒng)的架構

質(zhì)量流量計主要由傳感器、流量放大電路及分流器通道組成。在質(zhì)量流量計的基礎上，由調(diào)節(jié)閥門和PID控制電路構成的質(zhì)量流量控制器，增加了流量顯示儀，可與PLC系統(tǒng)連接，實現(xiàn)流量設定、流量反饋、閥門控制等功能；增加中間容器和自動化遠程控制系統(tǒng)，構成該新型質(zhì)量流量控制器的整體架構，如圖1所示。

流量顯示儀上設置有三位半數(shù)字電壓表、設定電位器、穩(wěn)壓電源、外設、內(nèi)設轉(zhuǎn)換和三位閥控開關等部件。質(zhì)量流量控制器經(jīng)流量顯示儀與PLC連接，如圖2所示。

圖1 質(zhì)量流量控制器原理示意圖

圖2 質(zhì)量流量控制器與PLC連接示意圖

3.2 控制系統(tǒng)工作原理

根據(jù)毛細管傳熱溫差量熱法的原理，流量傳感器測量氣體的質(zhì)量流量時不需溫度壓力補償，就能將傳感器加熱電橋測到的流量信號，送到放大器放大處理。放大后的流量檢測電壓再與設定電壓進行比較分析，將差值信號放大后反饋控制調(diào)節(jié)閥門，由分流器閉環(huán)控制流過通道的流量，達到使之與設定的流量相等的調(diào)節(jié)目標。

當注液或注氣壓力產(chǎn)生波動時，液體可能向氣路產(chǎn)生返流，并通過裝置中的氣體出口截止閥和氣體出口管路進入中間容器。通過中間容器觀察液體液位，當液位接近中間容器的氣體出口管路時，關閉中間容器的氣管出口閥，打開排液閥排出液體。該系統(tǒng)可在線精確控制氣體流量，并記錄存儲相關數(shù)據(jù)，能夠有效地防止液體返流。

3.3 控制系統(tǒng)技術指標

該質(zhì)量流量控制器與顯示之間用專用電纜連接，主要性能指標參數(shù)見表2。

表2 氣體質(zhì)量流量控制系統(tǒng)性能指標

注：標準狀態(tài)規(guī)定：溫度273.15 K(0 ℃)、氣壓101325 Pa(1 atm)；F.S.(Full Scale)：滿量程值；單位SCCM(標準毫升/分)和“mL/min,0 ℃,1 atm”等同，單位SLM(標準升/分)和“L/min,0 ℃,1 atm”等同。

4 氣體質(zhì)量流量控制系統(tǒng)現(xiàn)場應用效果

利用4套新型氣體質(zhì)量流量控制系統(tǒng)，在2個地浸抽注單元開展了驗證試驗，先后對8個注液支管進行了氧氣加入試驗，現(xiàn)場連續(xù)運行取得了很好的效果。

4.1 計量準確，精度提升

電磁調(diào)節(jié)閥大幅度提高了控制精度，實現(xiàn)了小氣體流量在線實時控制。經(jīng)過130 d的連續(xù)運行，氣體站計量統(tǒng)計消耗的氧氣量為12.8 t，該自動化控制系統(tǒng)累計加氧量為11.9 t，誤差率為0.7%，準確度達到了±1%F.S.。氣體質(zhì)量流量控制系統(tǒng)相比浮子轉(zhuǎn)子流量計(現(xiàn)場人工實測值誤差8%)，計量精度得到了大幅度提升，有力地保障了地浸溶浸液的配制工作。

4.2 難題破解，運行穩(wěn)定

增設的返水緩沖容器，在氣、液壓力連續(xù)變化的復雜工作條件下，能夠保證氣體流量控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，沒有再發(fā)生注液返水導致元器件損壞的現(xiàn)象，解決了實際生產(chǎn)難題。

4.3 操作簡便，自動控制

通過將氣體計量與控制接入自動控制中心，建成了一套全自動氣體流量加入控制系統(tǒng)(圖3)。該新型控制系統(tǒng)重復性好，系統(tǒng)為軟啟動，氣體配制參數(shù)可就地和遠程同步實時顯示和存儲，保證了系統(tǒng)操作的靈活性，實現(xiàn)了遠程控制，操作響應快，減少了人工勞動強度，提升了礦山自動化水平。

圖3 全自動氣體質(zhì)量流量控制系統(tǒng)

5 結(jié)論

新型氣體質(zhì)量流量控制系統(tǒng)，成功解決了現(xiàn)場注液返水問題，提升了氧氣加入的計量精度，實現(xiàn)了小流量氣體計量控制的遠程化、自動化，在現(xiàn)場取得了較好的應用效果。研究成果已推廣應用到其他礦床，為提升地浸采鈾技術水平和數(shù)字化礦山建設提供了技術支撐。