全自动电容式物位计清洗装置的研制

周意如，夏良树，肖碧泉，张青林，苏永锋，巴合提亚

(1.南华大学，湖南 衡阳 421000；2.新疆中核天山铀业有限公司，新疆 伊宁 835000)

某铀矿采用密实移动床水冶工艺，离子交换树脂采用气力提升。将树脂排放至塔底对应计量罐，然后给计量罐通入压缩空气，使树脂经管线进入下一塔的塔顶。在各塔顶与计量罐均设置1个电容式物位计，计量树脂提升量。密实移动床具有生产效率与设备利用率高、占地面积小等优点；但频繁提升离子交换树脂，使得树脂磨损[1]，造成系统中的小粒径段树脂比例增加[2]。小粒径段树脂易挂在测量电极上，降低计量精度，影响水冶工艺运行。每次树脂提升过程，需经人工核实与调整提升量后，才能恢复正常运行，增加了作业人员的劳动量。对此问题，常用的解决措施是人工将物位计从不锈钢塔与计量罐内拆出，用清水将挂在测量电极上的小粒径段树脂清除，再重新投入使用。这样操作后，物位计短暂恢复正常，后续仍需频繁进行清洗作业。因此，迫切需设计一种全自动电容式物位计清洗装置，以有效解决物位计测量电极挂小粒径段树脂问题[3]，提高物位计计量精度，确保水冶工艺持续高效运行。

1 电容式物位计概述

1.1 构造及原理

电容式物位计由电容传感器与电路转换器构成。电容传感器由不锈钢电极外套和聚四氟乙烯绝缘管构成。电路转换器由信号处理电路与输出控制电路部分构成，信号处理电路由比较器与振荡器组成，输出控制电路由驱动器、继电器与二极管组成，具体构造如图1所示。

图1 电容式物位计构造示意图

电容式物位计计量非导电树脂时，由2根大小不同的不锈钢管，相互绝缘固定，构成同轴圆柱型电容器。当液位为零时，传感器本身两电极构成一电容，中间介质为空气，电容量计算公式为

(1)

式中：ΔCx—电容量；F；H—被测料位高度，m；D2—大电极直径，m；D1—小电极直径，m；ε—介电常数[4]，F/m。

由式(1)可知，ΔCx与H成正比，当小粒径段树脂挂在测量电极上，所计量物位值理论上增加，对应电容量增大，使树脂的提升量失准，影响工艺运行。

1.2 挂料对计量精度的影响

铀水冶工艺包含吸附、淋洗、转型工序，各离子交换塔与对应计量罐均安装1个电容式物位计。对比树脂提升过程中物位计的计量值与人工核实的实际值，发现物位计的计量值偏大，淋洗、转型工序离子交换塔及计量罐物位计的计量值与实际值如图2～5所示。

图2 淋洗树脂交换塔物位计的计量值与实际值

图3 转型树脂交换塔物位计的计量值与实际值

图4 淋洗树脂塔计量罐物位计的计量值与实际值

图5 转型树脂交换塔计量罐物位计的计量值与实际值

由图2～5可知，电容式物位计测量电极被小粒径段树脂挂住，使计量值比实际值偏大，其中淋洗塔物位计计量值比实际值平均偏大0.44 m，不利于水冶工艺持续高效运行。

2 全自动电容式物位计清洗装置的研制

电容式物位计经法兰分别与不锈钢塔顶、计量罐顶固定连接。树脂提升过程，小粒径段树脂挂在电容式物位计测量电极上，需对测量电极进行清洗，为此加工制作高效的“工”字型清洗法兰，与高压清洗机经清水管与气动阀连接。高压清洗机由变频器控制，变频器与离子交换工艺的工控机信号连接，实现远程自动控制，无需人工拆出物位计。操作工控机可使清水进入，将挂在测量电极表面上的小粒径树脂清除。

2.1 “工”字型清洗法兰的设计制作

电容式物位计与不锈钢塔顶以及计量罐顶均自带DN100 mm法兰片，经φ16 mm螺栓固定连接。在法兰片之间新增一个“工”字型法兰，该法兰由长200 mm的DN50 mm不锈钢管两端焊接厚为20 mm的DN100 mm法兰片构成，法兰片均匀布设4个φ16 mm的孔眼，用于螺栓固定连接。DN50 mm不锈钢管侧面正中心处布设φ20 mm的斜孔，用于焊接固定伸入钢管内的DN20 mm不锈钢清水管，清水管夹在物位计测量电极与法兰之间，均成45°角，清水管与气动阀连接，如图6～7所示。

图6 “工”字型清洗法兰主视图

图7 电容式物位计与“工”字型法兰连接示意图

2.2 清洗方式的选择

电容式物位计测量电极采用溶液喷射清洗，清洗压力控制在0.3 MPa以内，避免造成测量电极永久损坏，清洗时间控制在30 s左右。用电机带动柱塞泵产生一定压力的清水冲洗测量电极表面，清洗水量依据电容式物位计数量调整清洗机功率，清洗机的电机由变频器控制。变频器与水冶工控机信号连接，实现远程自动控制。

2.3 全自动清洗系统设计

将“工”字型法兰经螺栓固定在不锈钢塔顶与计量罐顶上，接着将电容式物位计与“工”字型法兰螺栓固定，最后将“工”字型法兰经清水管与高压清洗机连接。在清水管靠近法兰处设置气动阀，依据实际需要控制清水的进入量，气动阀与水冶工控机[5]信号连接，每次物位计清洗完毕，关停清洗机与气动阀，如图8所示。

图8 全自动电容式物位计清洗装置运行示意图

3 现场试验结果

原淋洗、转型塔计量罐电容式物位计的计量值与实际值偏差较大；将研制的电容式物位计自动清洗装置进行现场试验，获取数据，并进行分析，试验结果如图9～10所示。

从试验结果看出：全自动电容式物位计清洗装置现场试验后，淋洗塔物位计因挂小粒径段树脂导致的计量偏差值由原来的0.44 m下降至0.03 m；转型塔对应计量罐物位计计量偏差由原来的0.12 m下降至0.05 m。由此可见，所研制的物位计清洗装置运行效果较好，保证了电容式物位计计量的精准度，满足了铀水冶工艺密实移动床离子交换树脂提升量计量要求。

图9 应用后淋洗塔计量罐物位计的计量值与实际值

图10 应用后转型塔计量罐物位计的计量值与实际值

4 结论

全自动电容式物位计清洗装置解决了物位计测量电极挂小粒径段树脂问题，保证了物位计的计量精度。物位计清洗过程，由工控机控制，整个操作过程简单便捷。全自动电容式物位计清洗装置为密室移动床水冶工艺持续高效运行创造了良好的条件。