基于压力控制的离子交换树脂提升智能控制系统

张彩萍，侯 江，伍宪玉，杨翀钰，于长贵，侯 录

(1.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；2.新疆中核天山铀业有限公司，新疆 伊宁 835000)

密实移动床离子交换提铀工艺的研究始于20世纪90年代[1]，该工艺最关键的一个环节是如何将树脂从一个离子交换塔转移到下一个塔。树脂转移方式主要有隔膜泵提升、扬液器提升等，为了减少树脂损失，提升过程采用计量罐作为树脂转移工具。转移树脂操作的控制方式经历了手动操作、半自动操作和目前铀矿山水冶离子交换系统广泛应用的自动控制3种方式，树脂提升计量罐自动化操作如图1所示。

这是目前铀矿山水冶离子交换系统[2]广泛应用的自动控制装置，系统采用电容式液位计检测计量罐的物位值，通过液位值控制计量罐进料和树脂的提升与转移。系统检测计量罐的实时液位值，当交换塔排料量达到计量罐的物位上限时，停止计量罐进料；当树脂转移至计量罐的液位下限时，关闭气源，结束计量罐树脂提升过程。

新疆731地浸采铀工程采用密实移动床离子交换水冶工艺，树脂转移设计采用计量罐自动控制方式。在工程试运行期间，由于有机物积累或树脂破碎导致计量罐物位计挂料严重，经常出现虚假的物位计量信号，使得离子交换系统无法正常自动运行，严重地影响了地浸生产。基于生产实际工况，旨在研发一套离子交换树脂压力提升自动控制系统，防止树脂提升管堵塞和树脂跑冒，减少操作过程中树脂损耗和气源消耗，实现水冶厂离子交换系统安全、稳定、可靠地自动运行。

1 技术方案

新疆731水冶厂离子交换系统涉及10组离子交换塔及树脂计量罐，顺利提升与转移计量罐内的树脂是离子交换系统连续自动运行的基础和保障。根据移动床离子交换系统工艺特点[3]，基于水冶厂离子交换系统生产状况，采用计量罐压力参数，控制离子交换系统计量罐树脂提升与转移[4]，完成离子交换系统中树脂的自动转移。

本技术方案具有的性能：1)自动检测压力、液位等仪表参数；2)通过检测树脂提升过程中计量罐内压力的变化，智能控制计量罐相应阀门的动作，实现树脂连续自动提升与安全转移，确保水冶生产工艺正常运行；3)自动监控树脂提升压力，使其按预设压力曲线进行树脂的提升与转移，降低原材料损耗，确保离子交换系统稳定可靠自动运行。

树脂提升系统由离子交换塔、计量罐、进料阀、进气阀、排气阀、压力变送器、液位变送器和PLC系统组成。根据压力控制离子交换树脂提升工艺的要求，启动离子交换系统后自动化控制系统实时监测计量罐压力反馈值，系统PLC软件程序根据预设的压力曲线智能控制相关阀门动作，动态调节计量罐压力值，确保离子交换系统能够在合适的压力范围内安全、稳定可靠地完成树脂提升的自动控制。

2 基于压力控制的树脂提升流程设计

基于压力控制的离子交换树脂提升过程如图2所示，以一组离子交换树脂转移流程为例，一个树脂转移过程涉及的自动阀门包括进料阀(Vn2)、进气阀(Vn3)、排气阀(Vn4)。

根据树脂提升过程工艺要求，设计树脂提升自动化控制流程，自动化控制流程包括树脂提升启动子流程和压力控制子流程。

2.1 树脂提升启动子流程控制

系统启动，开始树脂提升启动子流程控制，如图3所示。打开前塔排放树脂阀Vn2，通过料位计实时监测计量罐料位，当料位反馈值达到程序设定值时，开始树脂提升启动子流程。关闭交换塔进料阀Vn2，关闭计量罐排气阀Vn4，完成计量罐树脂提升准备工作，打开计量罐进气阀Vn3，系统启动定时器并实时监测计量罐压力变化。设定时间内压力P达到预定值P1(P1设定范围，可根据现场需要设定)，则判断树脂提升已正常启动，可进入下一步压力控制子流程；若设定时间内压力P未达到设定值，则终止流程并发出报警信号提示操作人员干预处置。

2.2 树脂提升压力控制子流程

树脂提升压力控制子流程如图4所示。

超压保护和稳压控制是确保离子交换树脂提升压力控制系统实现自动安全运行的关键。提升压力大，树脂提升顺畅；但树脂颗粒摩擦力增大，树脂破损越严重，会浪费原料并给后期树脂处理带来困难。同时，提升压力越大，对交换塔滤网冲击就越大，滤网非正常损坏就越严重；过大的提升压力还会使树脂通过交换塔排气孔飞出，造成原料浪费，引起环境污染，破坏离子交换系统的物料平衡。实际运行中，可能由于某种原因使得树脂流通不畅，为使系统能够自动地正常运行，在树脂提升过程中对系统进行超压保护控制，显得极为必要。

在树脂提升过程末期，树脂输送管路逐渐通畅，系统进气速度小于排气速度，压力P逐渐降低。当P

3 控制软件程序设计

根据现场工况和控制流程图，在大量现场试验的基础上，通过数据分析，研发了数据采集与处理子程序、液位与压力曲线设值子程序、压力控制树脂提升与转移智能控制子程序。

3.1 下位PLC软件控制程序

1)数据采集与处理子程序。PLC系统[5]采集压力、液位等现场仪表及工艺过程控制参数，经数据采集与处理子程序，进行数据的转化与处理。

2)液位与压力曲线设值子程序。该子程序进行液位及压力等仪表参数监测，完成树脂转移体积设值、树脂提升压力范围设定，确保离子交换系统树脂提升与转移符合工艺要求。

3)压力控制树脂提升与转移控制子程序。该子程序包括树脂提升管道故障检测与树脂转移过程压力控制2部分。树脂提升管道故障检测程序，在树脂提升初期自动检测计量罐内的压力，如果在规定时间内压力达不到设定值，系统将终止树脂转移，并通过报警提醒操作人员进行故障检查。树脂转移过程压力控制程序，在树脂提升过程中自动检测计量罐压力参数，采用超压保护、低压补压的控制方式，智能调节树脂提升压力，确保树脂提升与转移过程按照预设的压力曲线进行，保持提升压力处于工艺允许的范围内，确保树脂提升与转移的稳定高效运行。系统对余压进行检测与控制，避免在计量罐树脂提升后期因余压控制不准引起原材料损耗及环境污染。

3.2 计算机监控系统程序设计

根据监控要求开发上位计算机监控画面[6]，包括工艺流程总貌画面、吸附、淋洗、转型等分流程控制画面、参数一览画面、参数设定画面、历史趋势画面和报警画面等，可动态显示现场工艺过程的运行参数、工作状况、故障报警等信息，并根据检测参数实现压力控制参数的计算机设定和控制。上位计算机监控画面的设计以淋洗工艺过程为例，如图5所示。

4 应用和效益

基于压力控制的离子交换树脂提升智能控制系统，在新疆731地浸采铀工程铀水冶生产中成功应用。该系统通过智能控制树脂计量罐的压力，进行离子交换系统树脂的自动提升和转移。自动提升和转移过程中，按照预设压力曲线保证提升压力处在设定范围内，可有效地解决因压力过小或过大引起的树脂堵塞管道或树脂磨损问题，既节约了压缩空气的使用量，降低了树脂的损耗；又提高了生产效率，确保了水冶离子交换系统安全稳定的自动运行。该系统的应用保证了整个水冶工艺的连续稳定运行，提高了生产效率。

5 结论

基于压力控制的离子交换树脂提升智能控制系统，通过控制压力来调节树脂的提升速度，降低了树脂损耗，提升过程安全、可靠，转移树脂计量准确。该系统的开发和成功应用，实现了树脂转移自动控制，不受生产工况等变化的影响，避免了树脂堵塞管道和冒槽问题，提高了生产效率，降低了气源消耗，确保了离子交换系统安全稳定自动运行。该系统为离子交换系统树脂提升自动控制开拓了新的控制方法和思路，在中国铀水冶移动床离子交换系统树脂提升自动控制中具有示范作用。