淺談加壓浸出釜排料閥的優化控制

祁鳳琴，胡進寶，溫曉瑛

（金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100）

目前國際上加壓酸浸技術以其浸出效率高，成本低，節能環保和原料適應性強的特點，已成為新的鎳鈷濕法冶金關鍵技術之一。鎳礦漿由加熱器加熱后送至加壓浸出釜（以下簡稱加壓釜），并同時通入氧氣、蒸汽和水，在高溫、高壓、腐蝕、易結晶、有泡沫和金屬固體顆粒的密閉容器里進行攪拌，充分反應后料液由排料閥排出。

加壓釜是高溫高壓密閉容器，排料閥在上述復雜工況下工作過程中，由于加壓釜本身的高溫高壓，排料閥前后壓差接近0.7MPa,以及料液特殊的粘性和強腐蝕性，極易導致閥門產生汽蝕、結晶、卡死、磨損等故障，因此排料閥的生命周期很短，一臺普通球閥的平均壽命20天左右，最短的只有5天。為解決此類問題，不僅僅從閥門結構選型本身著手，還應該結合控制方式。以下是對加壓釜排料閥在自動優化控制方面的一些思路[1]。

1 排料閥的選型

加壓釜排料介質為稀硫酸鎳礦漿（硫化銅、硫化鎳、赤鐵礦、二氧化硅等），含氧量較高，且由于浸出壓力，溫度，物料成分的變化，普通白鋼材質排料閥閥座易破損、填料函處結晶物多、閥門易卡死、閥體和閥球穿孔等問題，避免因為物料成分的變化和溫度、壓力等因素造閥門頻繁卡死、磨損等情況。

鈦材以其機械強度大、易加工、塑性好、有良好的抗腐蝕性能而著稱，廣泛應用于濕法冶煉工況中。根據多年的維護經驗和實驗，排料閥類型宜選用鈦材球閥,傳動類型為氣動，氣源選用氮氣，閥門內套利用陶瓷以防止沖刷和氣蝕，延長閥門使用壽命，能達到良好的應用和控制效果；同時由于釜內壓力較大，在閥門的上游側加裝節流元件，以減少對設備和管道的沖刷；一般情況下如果需要對鈦球閥作為調節閥，可以在閥門上加裝定位器，這樣即可以調節被控參數。

2 排料閥的傳統控制方式

如圖1所示：排料閥置于加壓釜后端，在加壓釜連續生產時，主要對加壓釜的液位進行自動實時控制，一般分為PID調節控制和兩位控制。在實際運作過程中，緊靠簡單PID調節方式不僅調節不穩定，還容易引起汽蝕、卡塞、偏心等問題。在DCS系統中，一般情況下PID調節功能塊的計算周期為1s,相當于閥門的閥位每1s就要變化一次，因為PID調節相對來說比較精密，這就會使閥門不停地在小開度下動作，由于物料成份復雜，閥門就會不停地處在磨損狀態，嚴重磨損會導致腔體表面有凹槽，不光滑，繼而引起閥門內部結晶、閥卡等一系列問題。

所謂的兩位控制，是指將排料閥與釜內液位進行聯鎖，到達高限時使排料閥全開（開關閥）或者開度為100%（調節閥），液位至低限時使排料閥全關（開關閥）或者開度為0%（調節閥），這樣可以解決閥門在小開度下產生磨損的情況，但是控制不夠精確，對工藝指標提升不利，并且由于排料閥前后壓差很大，閥球在很短的時間內開關，會因為遭受很大的沖擊而受損，嚴重影響閥門的使用壽命。

圖1 加壓釜工藝聯鎖圖

由于工藝原因，一般情況下加壓釜一個月左右需要檢修一次，為時4-8小時，檢修意味著需要停釜降溫降壓，加壓釜的正常工作溫度約160攝氏度，正常生產的釜內壓力約0.8兆帕，加壓釜內溫度、壓力降至常壓時，一旦排料閥內部有介質殘留，造成閥門腔體內部介質嚴重結晶，造成閥門卡死，無法正常開車，影響工藝生產計劃。

3 排料閥的優化控制方案

針對目前存在的問題，提出了以下解決方案：

（1）排料閥閥位的區間分段控制。假如按照工藝要求的加壓釜液位的上限為2.5m，下限為1.7m,將1.7m-2.5m這一范圍平均劃分為6個區間，即L1區：小于1.7m,L2區：1.7m-1.9m,L3區 ：1.9m-2.1m,L4區：1.9m-2.3m 區 ,L5區：2.3m-2.5m,L6區 ：大于2.5m,同時將閥門開度從0%-100%之間分別取為6個閥位，V1：0%，V2：20%，V3：40%，V4：60%，V5：80%，V6：100%，閥位與液位的邏輯關系如下：

表1 閥位與液位邏輯關系表

隨著加壓釜液位的變化，閥位會不斷變化，但是為了避免液位在臨界點上下浮動，導致閥位頻繁切換，在DCS程序中可以設置，根據工藝的變化，閥位的保持既定的時間周期，這樣既可以解決因為閥位小開度變化引起的閥門磨損，也能解決由于兩位控制造成的液位不夠精確的問題，關于控制區間的的分布，以及時間周期的設定，是可自定義的，不是一成不變的。

在這個控制方案中，最重要的是尋求閥門最有效的時間控制周期，最終實現閥門的時間周期與液位穩定控制的最佳平衡點，并能在保證閥門穩定工作和最佳壽命周期的前提下，實現液位最精準的控制，最大程度的提升加壓浸出工藝指標自控水平。

（2）針對排料閥的PID控制模式。前面已經敘述，由于PID精準控制會因為排料閥定位器位置每1秒都會因為加壓釜內液位的變化發生改變，這就會使得閥門每秒動作一次，頻繁的小開度對于物料成分復雜的加壓釜這種特種設備來說很不適應，排料閥的壽命極短，因此個人認為可以延長PID功能塊的運算周期，以最適宜的PID運算周期指導排料閥動作；但是有些DCS系統的PID運算周期無法改變，就可以通過在PID運算功能塊的觸發端加時間繼電器，利用既定的時長內定時觸發PID動作，這樣即可避免PID運算周期短引起的閥門磨損的情況。根據以往的維護經驗和實驗數據，這一運算周期以5-10min為宜。

（3）串級控制系統。以上兩種控制方式所達到的預期的控制效果是一致的。當然這種控制方式的實施還要根據加壓釜進料量的大小綜合進行考量，如果工藝條件允許的話，可以與加壓釜進料口進料量、加壓釜液位、排料閥形成串級回路控制，如圖2所示，并結合工藝指標以及工藝要求，達到生產效率最佳。

圖2 串級回路控制

圖1 中主調節器的設定值為工藝所需要穩定的液位值，因此主回路為定制控制系統；而由副調節器、排料閥、進料量、流量變送器構成的副回路是一個隨動控制系統，因為副調節器的設定值由主調節器的輸出提供，它雖主調節器的輸出的變化而變化，并根據副變量的測量值與給定值的偏差工作。由加壓釜進料量作為副變量參與控制，以盡量避免對主變量加壓釜液位的擾動，從而通過串級回路控制，穩定加壓釜料量、液位，提升加壓釜的控制質量和自動化水平。

4 檢修模式下的排料閥蒸汽吹掃控制

由于檢修時加壓釜降溫降壓，溫度突然降低會引起閥門結晶卡死，極易導致加壓釜無法如期開車。在排料管道上排料閥進料前端引入蒸汽分管道和蒸汽吹掃閥，在降溫卸料后，及時關閉排料閥前端截止閥并同時打開蒸汽吹掃閥，在檢修期間定時打開蒸汽吹掃閥門，保證閥門腔體內干凈，不殘留物料結晶物，防止閥門卡死。關于吹掃閥門的時間以及實現方式，可以利用DCS系統定時器進行自動控制，根據需求進行吹掃；關于蒸汽壓力以及蒸汽管道大小的設置，需要結合工藝，在不影響生產的前提下選擇合適的蒸汽汽源和管線；在正常生產時，蒸汽吹掃閥關閉，此時需要做好防護，以延長蒸汽吹掃閥的使用壽命。

5 結語

由于加壓釜屬于壓力容器，也屬于特種作業設備，因此在一般情況下，工藝控制方案的實施需要經過多次的推敲和論證，要想真正的付諸于實現，需要和工藝生產方經過多次的溝通和協調，并且充分考慮到改造可能會引起的各項工藝指標的變化，甚至可能會產生的各種安全隱患。以上方案是從理論角度探討，可能會忽略很多實際的因素，所以方案是否可行，還需要論證。