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能的主力工藝技術。根據地浸采鈾工藝要求，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，僅在室內實驗室開展試驗，并未實現工業(yè)化應用[1]。目前，國內主要依靠人工控制調節(jié)方式，注液支管氧氣的加入已經實現了大規(guī)模的工業(yè)化應用[2-3]。在現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)轉子流量計[4]82-83。轉子流量計的流量測量精度低，流量因介質壓力和溫度的變化而難以穩(wěn)定計量，不能自動調整和遠程控制[5]，尤其對于低流量范圍內的氣體難以精準控制，人工監(jiān)測和手動調節(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狀與存在的問題

1.1 技術現狀

在現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量計量裝置；在注液支管主要采用玻璃轉子流量計，采用人工計量調節(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—當地實測大氣壓，Pa；P0—標準大氣壓，Pa；T—溫度，℃；k—實測常數，℃·(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)?，F場需要根據工藝參數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子應顯示的數值，然后人工旋轉注氧管道控制閥門調節(jié)到目標值。

根據鉆孔注液量的大小，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；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。

試驗現場的浮子氣體流量計調節(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，由人工根據單孔的注液情況進行注氧濃度的現場調節(jié)。

1.2 存在的問題

1)氣體加入控制精準度低。現場氧氣支管采用玻璃轉子流量計作為單孔氧氣加入的計量設備，轉子流量計具有流量測量精度低(現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，現場依靠人工讀數、人工調節(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注液量的大小對該類流量計進行實時調節(jié)，人工操作勞動強度大、費時低效，且極易產生記錄誤差。

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子流量計，現有方式不能實現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

在地浸采鈾現場，注液管道計量的使用條件復雜。當現場壓力變化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；而質量流量計僅變動0.14%F.S.，影響有限。質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，尚無自動化調節(jié)和控制手段。

結合表1對比分析，地浸采鈾井場集控室氧氣主管采用科式質量流量計進行氣體計量，可在線顯示氧氣質量流量(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。熱式氣體質量流量計價格相對便宜，可通過軟件轉換測量出氣體質量流量，不受溫度、壓力的影響。現場被測壓力管道中的液體組分變化小，符合熱式氣體質量流量計的工作要求。試驗現場選擇了熱式氣體質量流量計開展相關研究。

2.2 熱式氣體質量流量計現場使用問題

1)現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，以及氣液結合部位易結垢的問題，單向閥易受腐蝕和表面結垢，從而失去對儀表的保護作用。

3 新型質量流量控制系統(tǒng)的研制

針對熱式氣體質量流量計在現場使用存在的問題，需要研制一種氣體精確計量、在線記錄控制參數的方法，并解決液體返流的技術難題，實現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，根據現場使用環(huán)境和工藝要求，對現有氧氣配制系統(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，以實現現場數據的遠程集中監(jiān)控。

流量積算儀由±15 V電源、5 V電源、數據采集系統(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，將質量流量控制器送來的流量檢測電壓(0～+5 V)，經數據采集系統(tǒng)芯片轉換為數字信號；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，將積算儀數據(包括在線實時數據、歷史數據、參數設置等)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)議采集傳輸數據，實現了控制系統(tǒng)與儀表的雙向通訊；最后將數據以工業(yè)以太網的方式傳輸至遠程控制中心，通過換算程序將流量數據實時顯示至電腦，并且在電腦端可直接設定氧氣加入量，通過PID實現閉環(huán)控制。

3.1 質量流量控制系統(tǒng)的架構

質量流量計主要由傳感器、流量放大電路及分流器通道組成。在質量流量計的基礎上，由調節(jié)閥門和PID控制電路構成的質量流量控制器，增加了流量顯示儀，可與PLC系統(tǒng)連接，實現流量設定、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字電壓表、設定電位器、穩(wěn)壓電源、外設、內設轉換和三位閥控開關等部件。質量流量控制器經流量顯示儀與PLC連接，如圖2所示。

圖1 質量流量控制器原理示意圖

圖2 質量流量控制器與PLC連接示意圖

3.2 控制系統(tǒng)工作原理

根據毛細管傳熱溫差量熱法的原理，流量傳感器測量氣體的質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節(jié)目標。

當注液或注氣壓力產生波動時，液體可能向氣路產生返流，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，并記錄存儲相關數據，能夠有效地防止液體返流。

3.3 控制系統(tǒng)技術指標

該質量流量控制器與顯示之間用專用電纜連接，主要性能指標參數見表2。

表2 氣體質量流量控制系統(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 氣體質量流量控制系統(tǒng)現場應用效果

利用4套新型氣體質量流量控制系統(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

電磁調節(jié)閥大幅度提高了控制精度，實現了小氣體流量在線實時控制。經過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.。氣體質量流量控制系統(tǒng)相比浮子轉子流量計(現場人工實測值誤差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象，解決了實際生產難題。

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 全自動氣體質量流量控制系統(tǒng)

5 結論

新型氣體質量流量控制系統(tǒng)，成功解決了現場注液返水問題，提升了氧氣加入的計量精度，實現了小流量氣體計量控制的遠程化、自動化，在現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字化礦山建設提供了技術支撐。