质量流量控制器在空气升液系统中的作用及存在问题的解决
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【摘 要】通过对调试中空气升液系统存在问题的描述，分析问题之所在，并提出解决方案。
空气升液，即利用压缩空气的流体静力学原理，通过空气升液器将静止的液体提升到一定高度，而被提升的液体流量与压空流量成一定比例关系。当物料被提升到一定高度后，通过气液分离罐将气液分离，物料靠位差自流到要输送的设备，因受升液器扬程（即升液高度）的限制，空气提升通过恒液罐进行二级提升和三级提升。我们正是利用空气升液器的这种特性，通过质量流量控制器对空气流量进行测量和控制。在工程应用中，对一个特定的空气升液系统，在系统投用前，都用模拟物料对系统进行标定，绘制出空气流量与料液实际流量（体积流量）之间的对应关系曲线，作为工艺操作控制的依据。
空气升液系统用于溶剂萃取计量，一般都采用两级空气升液，以确保适宜的浸没率和计量的需要，第一级升液器用来将液体从料液贮槽提升到液面恒定的恒液位前置罐中，恒液位前置罐可以维持浸没率不变。当硬件和被输送料液都已确定的基础上，空气流量是最大的影响因素，本文通过对中试厂空气升液系统标定中存在问题的剖析，指出了影响空气升液系统标定的主要因素，明确了控制空气流量的关键设备――质量流量控制器存在的问题，标定还需注意仪表互换性，这虽不至于影响空气升液系统标定，但对将来仪表的更换会有较大影响，因此，提出了一些解决方法。
一、空气升液系统工作原理
空气升液系统工作原理见图1。空气升液系统是一种提升液体的装置，通过压空流量改变体系密度使升液器H1部分的静压改变，而随着提升空气流量的变化，H2中表观密度是变化的，当气体流量低于某值时，其表观密度中液体占主导地位，密度升高则升液量下降。而当气体流量大于该值时，表观密度中气体成分占了优势，液体的密度变化对表观密度影响不大，而H1的静压却上升，所以使升液量随密度的上升而增加。空气升液系统的工作曲线可以划分为四个段（图2）：Ⅰ段：当空气流量很小时，料液无法提升，升液量为零；Ⅱ段：空气流量增大升液量也随之增大，此段为最佳工作区间；Ⅲ段：空气量增大很多，但升液量几乎不再改变，这时的升液量已是系统的最高值；Ⅳ段：当空气流量超过一定范围时，升液量不但不增加，反而有所下降。从图中可以看出，空气流量与液体的升液量存在直接的关系，因此通过控制空气流量，间接控制液体的流量，以便达到工艺介质的液体输送。
质量流量控制器是空气升液系统中的关键仪器，用于测量、控制空气流量。
三、空气升液系统存在的主要问题
在水试、酸试单体调试过程中，一直存在空气升液标定流量相差较大以及相对偏差大的问题，而且这种偏差是普遍存在的。这种问题严重影响了调试工作的进行，为此我们进行了相关研究，从专业角度进行了剖析。
四、影响空气升液系统的主要因素
升液管径：当升液管径增大时，升液量也增加；
浸没率：浸没率为空气入口到供料槽内自由液面的垂直高度与空气入口到排液口垂直高度之比率，升液量总是随浸没率增加而增加；
液体温度：升液量随温度升高而增大，但前提条件是空气流量不超过最大液体流量所要求的数值，否则升液量便随液体温度增加而减少；
质量流量控制器：是空气升液器正常工作的关键，用来控制检测压空流量。
在调试中液体温度和浸没率不存在问题，但存在升液管径和质量流量控制器方面的问题，其中升液管径已根据工艺要求换成符合工艺要求管径的升液管；我们将着重解决质量流量控制器方面存在的问题。
五、影响空气升液器的质量流量控制系统问题
在现场实验中发现质量流量控制器存在以下问题：
（一）抗干扰性能差
现场使用对讲机对质量流量控制器的一次表影响较大，一般流量控制干扰会大到50%，甚至会到100%，以量程0SLM～10SLM质量流量控制器为例，在某一控制点对讲机讲话时气流量会突然增大（瞬间变到几或十几SLM），严重影响控制检测工作。
（二）质量流量控制器传输信号损失问题
由于我们采用了电压信号传输，而一次表到二次表距离又较远，因此就不可避免的存在信号损失问题。
（三）质量流量控制器本身问题
仪表本身重复性差；
准确度低（为±2%），而这个准确度是指全量程任意一点的，这样在小流量点势必相对误差大。
六、解决方案
（一）关于抗干扰性能较差问题
经过分析认为主要是接地、传输电缆和质量流量控制器本身屏蔽外壳不具备条件所致，针对以上分析我们采取了以下措施：
1.接地：经排查质量流量控制器和电路设计有接地，在主控室端子排也有接地，但由于主控室没有引进接地极，因此严格来说接地并没有做，为此我们引进了接地极，做好了接地连接。原则上主控室、现场哪一方接地均可，但有接地极的主控室接地效果更好，切不可两端同时接地，否则会产生由于两端电位不同而引起的电位差，起不到抗干扰作用。
2.屏蔽电缆：传输线需采用屏蔽电缆，并作屏蔽接地（一端接地），解决分布电容、高频信号干扰。实验表明电缆接头处也是一个干扰因素，为此我们在电缆接头处采取了屏蔽，消除了这一环节干扰。
3.质量流量控制器外壳屏蔽功能较差，由于采用非屏蔽材料，所以对现场设备和对讲机等产生的高频信号的抗干扰能力差，我们加铜网罩进行解决。
通过上述措施，当干扰源（对讲机）打开时，其测量波动在0.4SLM～0.5SLM之间；没有采取这些措施前，由于干扰所引起的波动会在几SLM到十几SLM之间（针对调节范围为0～10SLM的质量流量控制器）。
（二）关于质量流量控制器传输信号损失问题
由于仪表选型时，当时技术发展所限，选为电压信号传输，存在传输信号损失问题，且不利于抗干扰，希望采用4mA・DC～20mA・DC信号或者数字传输信号。经咨询，这样做需要在电路方面做较大改动，不易实现。因此我们并没对现用仪表做这方面的改动.
（三）关于仪表本身问题
由于仪表自身技术指标只能达到这个要求，无法改变。因此这一部分将连同信号传输问题换用新型质量流量控制器加以解决。通过工艺升液管的改换及仪表方面改进措施的实施，使得部分质量流量控制器能够满足空气升液器提升要求，但还有一部分精确流量控制点质量流量控制器还是不能满足要求。
七、剩余问题的解决
对于一部分不能满足工艺精确控制要求的质量流量控制器，我们引进了抗干扰能力较强，采用数字传输信号、精度高的新型质量流量控制器（美国ALICAT）来解决干扰问题、精度不高问题、传输信号问题，并从仪表性能方面验证解决问题的可能性。为此我们作了相关试验，从现场环境下实验取得的数据看，完全可以达到我们精确控制的要求。具体试验结果如下：
1AF空气升液系统经整改后升液管径由φ25mm×3mm改为φ14mm×2mm，在其他实验条件不变的情况下进行标定试验。北京七星华创生产的质量流量控制器型号为D07-7D/ZM，仪表量程为0SLM～5SLM，实验数据经分析结果如下：单组标定数据显示当压空流量为0.5SLM时，相对标准偏差最大达到20%，而相对标准偏差最小时也达到了5.4%，此时压空流量为2.5SLM；将所有数据统一处理后，当压空流量0.5SLM时，相对标准偏差最大达到14.7%，而其它压空流量时，相对标准偏差最小时也达到了5%以上；调节1AF料液为xxxkg/d流量时，压空流量设置在2.0SLM～2.5SLM之间，运行操作难以精确控制；将北京七星华创的质量流量控制器换成美国制造的ALICAT质量流量控制器，型号为MC-5SLPM-0，仪表量程为0SLM～3SLM，进行空气升液标定试验，试验结果如下：静态条件下单组标定数据显示当压空流量为1SLM～3SLM时，相对标准偏差最大达到1.61%；运行状态下，单组标定当压空流量为1SLM～3SLM时，相对标准偏差最大达到1%；而将所有数据统一处理后，当压空流量为0SLM～3SLM时，相对标准偏差最大达到2%；控制1AF料液为xxxkg/d流量时，压空流量设置在2.0SLM，可以精确控制1AF料液流量，相对标准偏差最大达到1.6%，满足工艺要求。
1AX空气升液系统的质量流量控制器型号为D07-9D/ZM，仪表量程为0SLM～20SLM，其它实验条件不变的情况下进行标定试验，实验数据经分析结果如下：单组标定数据显示当压空流量为10SLM时，相对标准偏差最大达到6.01%，而其它压空流量时，相对标准偏差最小时也达到了3%以上；将所有数据统一处理后，当压空流量为9SLM时，相对标准偏差最大达到5.69%，而在其它压空流量时，相对标准偏差最小时也达到了3%以上；调节1AX料液为xxxkg/d流量时，压空流量设置在9SLM～10SLM之间，运行操作难以精确控制。
将北京七星华创的质量流量控制器换成美国制造的ALICAT质量流量控制器，型号为MC-10SLPM-0，仪表量程为0SLM～10SLM，进行空气升液标定试验，试验结果如下：静态条件下单组标定数据显示当压空流量为4.5SLM时，相对标准偏差为5%，而在其它压空流量时，相对标准偏差为3%以内，产生以上现象的原因是当压空流量为4.5SLM时系统刚刚能提升上料液，此时属于不稳定区域；运行状态下，单组标定当压空流量为1SLM～10SLM时，相对标准偏差最大达到3%；而将所有数据统一处理后，当压空流量分别为4.5SLM、6.5SLM时，相对标准偏差为10%、5%，产生以上现象的原因除前面提到的因素外还与标定时间长短有关；而在其它压空流量范围，相对标准偏差均在3%以内；同时做气源压力影响的试验，在压空流量为10SLM时，气源压力为0.26MPa，相对标准偏差达到0.5%；气源压力为0.22MPa，相对标准偏差达到2%，将数据进行统一处理后，相对标准偏差达到1.4%；在控制1AX料液为xxxkg/d流量时，压空流量设置8.0SLM，可以精确控制某料液流量为122.3L/h，相对标准偏差最大达到2.2%，满足工艺要求。
综上所述，美国制造的ALICAT质量流量控制器性能满足空气升液系统的要求。
八、结论
实验表明，在中试厂仪表性能不稳定是产生标定误差较大的主要因素，通过换用高质量的质量流量计完全可以解决标定中存在的问题。在实际应用中，为了不影响调试工作和节约资金，我们对改换升液管、提高抗干扰能力即可达到要求的现有仪表将继续使用；而对于不能达到精确流量控制要求的，将通过更换质量流量控制器来达到工艺要求。
参考文献：
[1]J.T.朗著，杨云鸿译.核燃料后处理工程.北京：原子能出版社，1980
[2]D07-7D/ZM型质量流量控制器技术说明书
[3]蒋云清.乏燃料后处理’98.北京：核科学技术情报研究所，2000
[4]杨振顺.流量仪表的性能与选用.北京：中国计量出版社，1996