鈾礦堆浸配酸和噴淋過程自動控制系統(tǒng)研究

關(guān) 鍵，楊翀鈺，謝 理，侯 江

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

中國鈾礦堆浸配酸和噴淋工藝過程控制仍以現(xiàn)場人工手動控制為主，亟待實現(xiàn)自動化。在傳統(tǒng)配酸過程中，工人通常根據(jù)設(shè)定酸度、監(jiān)測酸度和個人經(jīng)驗，使用92.5%～98.0%的工業(yè)濃硫酸配制稀硫酸淋浸劑。因配酸過程系統(tǒng)慣性大、反饋時間長，所以需要操作人員反復(fù)測量pH，調(diào)整加酸量并攪拌混合。傳統(tǒng)配酸過程不僅配制時間長；而且淋浸劑的酸度、精確度也難以達到要求，也存在攪拌池蒸發(fā)產(chǎn)生的酸霧污染環(huán)境和影響生產(chǎn)人員健康的隱患。

在傳統(tǒng)噴淋過程中，一般采用定時器計時。鈾礦石浸出過程的噴淋周期長達數(shù)月之久，定時器在超長周期環(huán)境下會重復(fù)復(fù)位，產(chǎn)生巨大的累積誤差，進而造成巨大的淋浸劑浪費。

為此，提出采用管道靜態(tài)混合器代替?zhèn)鹘y(tǒng)配酸過程的攪拌池和攪拌器進行配酸，并利用自控系統(tǒng)CPU脈沖計時方式，解決定時器在長周期中累積誤差大的問題。

1 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

自動控制系統(tǒng)可分為配酸過程自動控制和堆浸過程自動控制，自動化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，圖中：H1～H4代表液位計；V1～V4代表閥門；F1～F5代表流量計；AH代表酸度測定儀；P1代表泵。

圖1 自動化系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.1 配酸過程自動控制系統(tǒng)

配酸要求：配酸濃度有3種，高、中、低濃度淋浸劑中的硫酸質(zhì)量濃度分別為50、20～30和7～8 g/L；淋浸劑需要混合均勻；3種淋浸劑的噴淋流量和噴淋時間不同。

根據(jù)以上要求，采用管道靜態(tài)混合器(圖2)為配酸裝置，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的攪拌池和攪拌器配酸組合。在管道靜態(tài)混合器的內(nèi)部設(shè)置促進混合的元件，如葉片等[1]，流經(jīng)管道靜態(tài)混合器的流體，依靠自身動力，流過設(shè)置在流道中的靜止插件得到混合[2]。與攪拌器等動態(tài)混合器相比，管道靜態(tài)混合器具有流程簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、投資少、安裝維修簡單等特點。

圖2 管道靜態(tài)混合器實物

在配制池的進水口安裝管道靜態(tài)混合器，管道靜態(tài)混合器的主管與尾液(礦井水、串堆液)管道連接；支管為加藥管，與濃硫酸管道連接。管道靜態(tài)混合器可以保證硫酸和水混合均勻，配制濃度均勻的淋浸劑，可節(jié)省攪拌池的建設(shè)成本；同時可避免酸霧對設(shè)備、環(huán)境的影響，進而實現(xiàn)淋浸劑的連續(xù)高效配制。管道靜態(tài)混合器的應(yīng)用克服了傳統(tǒng)配酸過程響應(yīng)慢、精度無法控制等問題，縮短了系統(tǒng)反饋時間，為實現(xiàn)配酸過程的自動化控制提供了必要條件。

淋浸劑配制過程自動控制系統(tǒng)主要包括：管道靜態(tài)混合器；濃硫酸儲槽；濃硫酸液位計H1；開關(guān)閥V1、V2；氣動調(diào)節(jié)閥V3；吸附尾液流量計F1；水(礦井水、自來水)流量計F2；濃硫酸流量計F3；酸度測定儀AH。根據(jù)工藝要求，當(dāng)作為稀釋劑的吸附尾液量不夠時，需開啟閥V2，補充新水。在計算機上設(shè)置控制酸度值，由酸度計、PLC和調(diào)節(jié)閥V3調(diào)節(jié)濃硫酸加入量，實現(xiàn)定酸度PID自動調(diào)節(jié)，為堆浸提供需要的淋浸劑。通過泵P1，將配制好的淋浸劑送到淋浸劑高位槽。

1.2 噴淋過程自動控制系統(tǒng)

根據(jù)水冶廠提供的生產(chǎn)工藝要求，噴淋過程自動化控制程序采用PID恒流量控制方法，通過設(shè)置控制閾值，對噴淋流量進行自動調(diào)節(jié)。噴淋強度的主要控制參數(shù)為酸度、時間和流量。以高酸噴淋工藝控制系統(tǒng)為例，控制流程如圖3所示。

圖3 高酸噴淋工藝控制流程圖

堆浸的1個完整噴淋周期約為200 d，包括高酸噴淋時間、噴淋間隔時間、低酸噴淋時間、翻堆時間、串堆噴淋時間和清液噴淋時間。原有噴淋過程使用的西門子S7-300/400PLC，支持多種計時器，最長定時時間為9 990 s[3]，對于長周期控制一般采用循環(huán)定時法。該方法的缺點是在計時器(計數(shù)器)循環(huán)啟動過程中會產(chǎn)生毫秒級的延遲，并形成逐漸增大的累積誤差。在超長周期控制中，該累積誤差最終會嚴(yán)重影響噴淋過程的控制精度，造成淋浸劑的浪費。本設(shè)計采用計算CPU脈沖的方式，提高長周期控制的精度。利用西門子PLC功能函數(shù)，令PLC的CPU每天在固定時間發(fā)送一個脈沖，依托CPU晶振的高精度特性，通過記錄該脈沖，實現(xiàn)以天為單位的精準(zhǔn)計時，計時中斷程序如圖4所示。

圖4 計時中斷程序

在上位機預(yù)先設(shè)定各個噴淋工藝參數(shù)，啟動程序后，整個噴淋過程無需人工控制；PLC按照控制周期定時觸發(fā)各工藝段自動控制程序，完成噴淋流量和噴淋時間的自動調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)整個堆浸噴淋過程的自動控制。

噴淋過程的自動控制系統(tǒng)主要包括：淋浸劑流量計F4；氣動調(diào)節(jié)閥V4；流量開關(guān)；淋浸劑高位槽；PLC；計算機。根據(jù)工藝要求，設(shè)定噴淋酸度、時間和流量，待流量開關(guān)給出信號后，系統(tǒng)會實現(xiàn)穩(wěn)流噴淋控制；采集淋浸劑流量參數(shù)F4，并分別計算噴淋總時間、噴淋時間、噴淋間隔時間，進而調(diào)節(jié)氣動閥V4來控制噴淋過程。

2 現(xiàn)場試驗

該控制系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用后，通過組態(tài)軟件在線實時監(jiān)控配酸過程，控制曲線如圖5所示，酸度反饋值與設(shè)定值誤差低于±5%，系統(tǒng)長時間運行穩(wěn)定。

以堆場為試驗對象，自動控制配酸和人工攪拌配酸的試驗數(shù)據(jù)見表1，可以看出自控系統(tǒng)的配酸調(diào)節(jié)精度優(yōu)于人工攪拌配酸。自動配酸的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差：當(dāng)配酸目標(biāo)質(zhì)量濃度為50.0 g/L時，σ50=1.14%；當(dāng)目標(biāo)質(zhì)量濃度為30.0 g/L時，σ30=1.26%；當(dāng)目標(biāo)質(zhì)量濃度為20.0 g/L時，σ20=1.57%；當(dāng)目標(biāo)質(zhì)量濃度為10.0 g/L時，σ10=1.87%；當(dāng)目標(biāo)質(zhì)量濃度為5.0 g/L時，σ5=3.04%。自動化配酸系統(tǒng)和人工攪拌配酸相比，配制精度更高，酸度可調(diào)節(jié)范圍達到預(yù)期技術(shù)指標(biāo)(5.0～50.0 g/L)，控制誤差低于±5%，完全滿足工藝要求。

圖5 自控系統(tǒng)配酸過程畫面

表1 自動控制配酸和人工攪拌配酸試驗數(shù)據(jù)對比 g/L

現(xiàn)場試驗表明，配酸自動控制系統(tǒng)采用管道靜態(tài)混合器代替配液池及攪拌工序，實現(xiàn)了淋浸劑在管道中的均勻混合，配合先進的模糊算法保證了酸度自動調(diào)節(jié)的精度。該技術(shù)實現(xiàn)了堆浸淋浸劑的快速連續(xù)配制，配酸時間可縮短80%，酸度可調(diào)節(jié)范圍達到預(yù)期技術(shù)指標(biāo)，完全滿足工藝要求。配酸自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了淋浸劑配制過程的無人值守，大幅減少了運維成本，降低了堆浸淋浸劑配酸工藝生產(chǎn)線的建設(shè)成本，避免了酸霧的產(chǎn)生和排放，提升了工藝環(huán)保水平。

3 結(jié)論

1)將管道靜態(tài)混合器應(yīng)用于酸法堆浸采鈾工程，實現(xiàn)了淋浸劑的隨用隨配，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝過程，大幅減少了配酸時間，降低了硬巖鈾礦山建設(shè)成本。

2)以自控系統(tǒng)CPU脈沖為計時信號的超長噴淋周期控制方法，解決了原控制系統(tǒng)長周期累積誤差大的問題，實現(xiàn)了堆浸配酸和噴淋的全過程自動化控制，實現(xiàn)定酸、定時、定量精準(zhǔn)控制，提高了堆浸采鈾工藝的生產(chǎn)精度。

3)自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了淋浸劑的連續(xù)、均勻、快速配制，初步實現(xiàn)了堆浸采鈾工藝過程的無人值守，提升了礦山自動化水平和本質(zhì)安全度。