周小娜 王雅鴻

(北京石油化工工程有限公司,北京 100107)

隨著石油加工技術(shù)的重質(zhì)化以及煤化工技術(shù)、連續(xù)重整技術(shù)的發(fā)展，一些苛刻工況(高溫、高壓及固體含量高等)下的物位測量成為難題，常規(guī)儀表很難達(dá)到良好的測量效果，因此放射性儀表(非接觸式儀表)成為解決苛刻工況下液位、料位測量的最好手段[1]。為此，筆者基于放射性儀表的特點(diǎn)，結(jié)合兩個(gè)實(shí)例總結(jié)了放射性儀表的安裝、使用注意事項(xiàng)和國家相關(guān)安全衛(wèi)生防護(hù)規(guī)定。

放射性物位儀表系統(tǒng)如圖1所示，主要由放射源、探測器和二次儀表(可選)組成。

圖1 放射性物位儀表系統(tǒng)組成

根據(jù)γ射線的種類，常見的放射源有60Co和137Cs，其半衰期分別為5.27a和30.18a，半減層(水)分別為110mm和155mm，在滿足工作需求的條件下首選137Cs。放射源按其結(jié)構(gòu)形式可以分為點(diǎn)源和棒源，并配用必須的鉛罐防護(hù)容器。

探測器分為電離室、GM計(jì)數(shù)管、閃爍晶體探測器和柔性光纖探測器。在電離室中射線使氣體電離，其缺點(diǎn)是輸出電流只有10-10A，抗干擾能力差。GM計(jì)數(shù)管的特點(diǎn)是體較小、成本低，但是效率也低。閃爍晶體探測器的基本組成如圖2所示，射線使閃爍體發(fā)光，光陰極將光子轉(zhuǎn)換成電子，電子被打拿極成倍增加，最終脈沖成形，放大輸出。柔性光纖探測器是以光纖制成直徑為25mm的光纜作為探測體，技術(shù)上比電離室效率高，但是探測效率比閃爍晶體探測器低。目前市場上的主流探測器為高靈敏度的碘化鈉或塑料閃爍晶體探測器。探測器長度一般為2m/根，當(dāng)測量范圍較長、需多個(gè)探測器相連時(shí)，需要對每根探測器單獨(dú)供電。

圖2 閃爍晶體探測器的基本組成

二次儀表由脈沖放大器、補(bǔ)償電路、轉(zhuǎn)換顯示單元和電源組成。一般放置在控制室的機(jī)柜里，方便維護(hù)人員進(jìn)行儀表維護(hù)。放射性物位儀表系統(tǒng)不采用二次儀表時(shí)，其變送單元與探測器一起放置在現(xiàn)場。

2 測量原理

放射性物位儀表的測量原理(圖3)：放射源發(fā)出γ射線，射線穿過容器和容器內(nèi)的被測介質(zhì)時(shí)被不同高度的介質(zhì)吸收，進(jìn)而導(dǎo)致射線的放射性衰減不同，利用安裝在放射源對側(cè)的探測器把射線的放射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物位信號，以實(shí)現(xiàn)變量的測量。

圖3 放射性物位儀表的測量原理

放射性儀表射線指數(shù)吸收如圖4所示，測量公式為：

I=I0e-μρd

式中d——厚度；

I——檢測到的射線強(qiáng)度；

I0——發(fā)出的射線強(qiáng)度；

ρ——密度；

μ——吸收系數(shù)。

圖4 放射性儀表射線指數(shù)吸收示意圖

射線強(qiáng)度I由探測器轉(zhuǎn)換成脈沖信號，該脈沖信號經(jīng)過脈沖放大和整形，再經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換盒線性補(bǔ)償處理后輸出4～20mA信號至顯示器。當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出開關(guān)信號時(shí)，儀表可作為物位報(bào)警開關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中，通常依據(jù)介質(zhì)密度、液位范圍、料位開度、容器形狀、壁厚及保溫棉厚度等選擇放射源的強(qiáng)度。另外，為了使輸出信號與物位呈線性關(guān)系，可通過線性補(bǔ)償元件對輸出信號進(jìn)行線性化。

3 放射性儀表的安裝與注意事項(xiàng)

不同放射性儀表供應(yīng)商提供的安裝方案有所不同，在此簡單介紹Berthold的安裝方案與注意事項(xiàng)。Berthold提供的安裝方案相對比較簡單，圖5為放射性儀表安裝簡圖，主要說明放射源和探測器需要在被測容器的兩側(cè)對稱安裝，當(dāng)被測容器壁較厚時(shí)，也可以采用容器內(nèi)置放射源或容器外置放射源同時(shí)在容器壁開洞的安裝方式。圖6、7分別為放射源安裝支架詳圖和探測器安裝支架詳圖。

圖5 放射性儀表安裝簡圖

圖6 放射源安裝支架

圖7 探測器安裝支架

放射性儀表相對常規(guī)儀表在設(shè)計(jì)、安裝和使用過程中需要注意以下事項(xiàng)：

a. 設(shè)計(jì)方簽訂技術(shù)協(xié)議前，要確認(rèn)放射性儀表廠家是否具備放射性同位素儀表的設(shè)計(jì)、加工、銷售、技術(shù)服務(wù)和維修的相關(guān)資質(zhì)。

b. 設(shè)計(jì)方簽訂技術(shù)協(xié)議后，要求放射性儀表廠家與儀表、設(shè)備、結(jié)構(gòu)及配管等專業(yè)進(jìn)行溝通，共同確認(rèn)安裝方案，避免現(xiàn)場出現(xiàn)安裝碰撞；同時(shí)要求放射性儀表廠家提供所有放射性儀表的安裝支架圖，設(shè)計(jì)方確認(rèn)后，由設(shè)備制造廠制造并安裝。

c. 現(xiàn)場施工時(shí)，需在設(shè)備、管道和常規(guī)儀表都安裝完成后，開車前一周通知放射性儀表廠家送貨到現(xiàn)場并指導(dǎo)安裝，避免提前到達(dá)現(xiàn)場后，無專用放射源儲存庫存放。

d. 放射性儀表探測器接收的是放射性信號。為了防止周圍探傷等工作的射線影響放射性儀表接收器的正常工作，從而發(fā)出假信號而影響裝置運(yùn)行并觸發(fā)裝置停車。因此，放射性儀表的器一般會在現(xiàn)場做個(gè)保護(hù)罩包起來。

e. 放射性儀表廠家要具備將廢棄的放射源返回原生產(chǎn)單位或送交有相應(yīng)資質(zhì)的放射性廢物集中存儲單位存儲的能力。

f. 使用方需到當(dāng)?shù)丨h(huán)保局申辦《輻射安全許可證》(放射性儀表廠家需提供技術(shù)支持)，放射源到現(xiàn)場后20天內(nèi)，到當(dāng)?shù)丨h(huán)保局辦理備案。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 放射性儀表在懸浮床加氫裂化裝置上的應(yīng)用

懸浮床加氫裂化裝置(VCC)是煤-油共煉試驗(yàn)示范項(xiàng)目的核心裝置，是在高溫、高壓下通過加氫反應(yīng)將油煤漿直接液化的連續(xù)生產(chǎn)裝置[2,3]。由于工藝介質(zhì)的特殊性，懸浮床加氫裂化裝置除一般的高壓加氫裝置所具有的高溫、高壓、臨氫及易燃易爆等特點(diǎn)外，還具有多相流及固體含量大等特點(diǎn)，因此對儀表的選型提出了更多特殊要求。

進(jìn)料緩沖罐是高壓進(jìn)料泵的緩沖容器，如果進(jìn)料緩沖罐液位過低，可能造成高壓進(jìn)料泵空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致泵損壞。由于高壓進(jìn)料泵是整個(gè)裝置的心臟，所以進(jìn)料緩沖罐的液位測量至關(guān)重要。進(jìn)料緩沖罐采用磁浮子液位計(jì)(就地儀表)、差壓變送器(遠(yuǎn)傳儀表)和放射性液位計(jì)這3種不同原理的液位儀表進(jìn)行測量。如果油煤漿把磁浮子液位計(jì)和差壓變送器堵了，放射性液位計(jì)作為最后一道保障依然可以達(dá)到測量液位的目的。

在懸浮床加氫裂化裝置中，放射性液位計(jì)的基本測量原理如圖8所示。

圖8 放射性液位計(jì)的基本測量原理

在對進(jìn)料緩沖罐的放射性儀表進(jìn)行選型時(shí)，設(shè)計(jì)方需提供數(shù)據(jù)給放射性儀表廠家，以供廠家計(jì)算該放射性儀表的放射源劑量和個(gè)數(shù)。在懸浮床加氫裂化裝置中，計(jì)算得到：5mCi137Cs放射源兩個(gè)，4m探測器一根。由于進(jìn)料緩沖罐內(nèi)裝有攪拌軸，所以相角plane s為200mm，目的是避開攪拌軸對射線的干擾。

在進(jìn)行儀表選型時(shí)需要注意，如果測量范圍大于設(shè)備內(nèi)徑，需要設(shè)置多個(gè)放射源，放射源個(gè)數(shù)的計(jì)算如下：

N=Mr/R

式中Mr——測量范圍；

N——放射源個(gè)數(shù)(N向上取整)；

R——設(shè)備內(nèi)徑。

4.2 放射性儀表在連續(xù)重整裝置上的應(yīng)用

連續(xù)重整裝置以石腦油為原料，通過臨氫催化反應(yīng)生產(chǎn)重整生成油，可作為高辛烷值汽油組分或芳烴原料，同時(shí)副產(chǎn)氫氣。

催化劑再生是連續(xù)重整的核心部分，一般采用美國UOP公司的連續(xù)重整工藝包[2,4]。閉鎖料斗是催化劑再生的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是將再生器再生完的催化劑運(yùn)輸?shù)街卣磻?yīng)器的還原區(qū)進(jìn)行還原，從而得到活化催化劑，并用于后續(xù)的重整反應(yīng)。因其設(shè)備的特殊性，測量精度要求較高，需使用60Co射線的棒放射源(因?yàn)榘舴派湓吹纳渚€會完全穿過設(shè)備直至探測器，使測量輸出為線性曲線)。

在對閉鎖料斗的放射性儀表進(jìn)行選型時(shí)，設(shè)計(jì)院需提供數(shù)據(jù)給放射性儀表廠家，以供廠家進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算可得：1.3mCi 610mm的60Co棒放射源一根，1m的探測器一根。

5 放射性儀表的安全衛(wèi)生防護(hù)

放射性儀表防護(hù)三要素為屏蔽、時(shí)間和距離。原則上，屏蔽越厚越好，時(shí)間盡可能短，人體和放射源保持的距離要遠(yuǎn)(射線對人的照射強(qiáng)度與人源之間距離平方的倒數(shù)成正比[5])。距離應(yīng)滿足GB 18871-2002對放射源放射量的要求，在距離和屏蔽狀態(tài)確定后，時(shí)間越短越好。半減層的概念即將放射源輻射強(qiáng)度減到一半時(shí)所需的物質(zhì)層厚度。不同放射源、不同材料半減層的厚度見表1。

表1 不同放射源、不同材料的半減層的厚度 mm

煉油行業(yè)一般要求輻射防護(hù)須符合GBZ 125-2009《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護(hù)要求》第一級(對人員的活動范圍不限制)，距離檢測設(shè)備邊界5cm處的劑量率均不大于2.50μSv/h；距離檢測設(shè)備邊界1m處的放射劑量率均不大于0.25μSv/h；當(dāng)容器為空狀態(tài)時(shí)，距放射源1m以內(nèi)其釋放應(yīng)小于0.25μSv/h。因此放射性儀表廠家需對每一臺儀表進(jìn)行核算，以檢測其是否滿足規(guī)范對放射衛(wèi)生防護(hù)的要求。

6 結(jié)束語

在煉油裝置中，差壓變送器等差壓式儀表和浮筒及磁浮子液位計(jì)等浮力式儀表依然是液位測量的可靠、實(shí)用手段，但是采用沖洗油+傳統(tǒng)儀表的方式存在儀表堵塞、失靈的風(fēng)險(xiǎn)，因此放射性儀表這種非接觸式儀表就成了高溫、高壓及固體含量大等苛刻工況下的首選測量手段。通過在懸浮床加氫裂化裝置和連續(xù)重整裝置上的應(yīng)用，放射性儀表解決了苛刻工況下的物位測量難題，但是因其放射源發(fā)射的γ射線對人體有危害，在設(shè)計(jì)、加工、銷售、運(yùn)輸和使用時(shí)，必須嚴(yán)格遵循國家法律法規(guī)的相關(guān)規(guī)定。

[1] 趙珂.放射性物位計(jì)在連續(xù)重整裝置中的應(yīng)用[J].石油化工自動化,2009,45(6):66～68.

[2] 侯祥麟.中國煉油技術(shù)[M].北京:中國石化出版社,2008.

[3] 韓崇仁.加氫裂化工藝與工程[M].北京:中國石化出版社,2006.

[4] 徐承恩.催化重整工藝與工程[M].北京:中國石化出版社,2009.

[5] 劉鳳.射線儀表的應(yīng)用安全與防護(hù)[J].中國儀器儀表,2010,(5):49～53.