王曉光,董飛宇,張健,劉炎鑫

(陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司,陜西 榆林 719000)

1 研究背景及意義

1.1 加氫裝置概述

煤焦油懸浮床加氫裝置以粉煤熱解裝置所產(chǎn)的熱解焦油和外購部分蘭炭焦油為裝置原料來生產(chǎn)輕質(zhì)油組分;經(jīng)原料預(yù)處理單元后將煤焦油分為含酚油、供氫溶劑原料油和懸浮床加氫反應(yīng)的新鮮原料。含酚油經(jīng)過甲醇水溶液萃取后制得粗酚,供氫溶劑原料油經(jīng)過供氫溶劑加氫裝置加氫后返回至懸浮床加氫反應(yīng)進(jìn)料緩沖罐作為懸浮床加氫裂化反應(yīng)進(jìn)料。懸浮床加氫裂化裝置的主要產(chǎn)品為粗酚、加氫中油、中間中油、瀝青等。其裝置主要包括煤焦油分餾單元、酚油提酚單元、催化劑油漿配制單元、氫氣壓縮單元、懸浮床加氫反應(yīng)分離單元、懸浮床加氫產(chǎn)物分餾單元、瀝青成型單元、公用工程等相關(guān)輔助工程部分。

在加氫反應(yīng)過程中,發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜。原料油漿經(jīng)懸浮床加氫進(jìn)料泵進(jìn)一步升壓至 23.1 MPa 后,經(jīng)第一懸浮床反應(yīng)器R401、第二懸浮床反應(yīng)器R402、第三懸浮床反應(yīng)器R403,從第三懸浮床反應(yīng)器R403頂部流出后降至 409 ℃左右送至懸浮床熱高壓分離罐中。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)分離罐分離后,其中熱中分油、溫中分油、冷低分油及閃蒸油氣進(jìn)入懸浮床加氫產(chǎn)物分餾單元進(jìn)行分餾,經(jīng)懸浮床加氫產(chǎn)物分餾單元得到的中油產(chǎn)品送至下一裝置進(jìn)行產(chǎn)品精制。其中懸浮床反應(yīng)器是核心反應(yīng)設(shè)備,反應(yīng)器相關(guān)運(yùn)行參數(shù)能否正常顯示是整個(gè)工藝裝置運(yùn)行的關(guān)鍵。運(yùn)行參數(shù)是否準(zhǔn)確、穩(wěn)定是反應(yīng)器能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)。

1.2 裝置特點(diǎn)

煤焦油中的含氧量高,氧是含量最高的雜原子,這些氧化物包括苯酚、呋喃酚、醚和羧酸等。因此煤焦油加氫脫氧反應(yīng),是焦油加氫氫解反應(yīng)中數(shù)量最大的一類反應(yīng)。在催化劑和氫氣的作用下,通過加氫脫氧反應(yīng),各種含氧化合物轉(zhuǎn)化為不含氧的烴類和 H2O。烴類留在產(chǎn)品中,而 H2O 從反應(yīng)物中脫除。不同類型的氧化物其加氫脫氧(HDO)活性變化很大。各研究單位總結(jié)氧化物 HDO 活性時(shí)指出,醚類 HDO 相對(duì)容易,呋喃類最不活潑,酚類居上述二者之間,而醇和酮?jiǎng)t是最易轉(zhuǎn)化的。

加氫裝置反應(yīng)介質(zhì)為煤焦油餾分、催化劑、H2、C1～C4、H2S、有機(jī)酸、酚、CO、CO2、HCl、Hg 等,為高溫高壓臨氫、高溫硫、H2S 及有機(jī)酸腐蝕和固體顆粒磨蝕。內(nèi)部為液、固、氣三相物質(zhì),工況較為復(fù)雜。反應(yīng)器內(nèi)部溫度、壓力、密度是監(jiān)測系統(tǒng)是否運(yùn)行正常的關(guān)鍵參數(shù)。反應(yīng)器的工藝條件和介質(zhì)決定了其密度、料位測量的特殊性,即高可靠性、高穩(wěn)定性。

2 放射性儀表

常規(guī)儀表在檢測復(fù)雜工況參數(shù)時(shí),因工況復(fù)雜因素(含固、氣液固三相等)干擾,造成檢測波動(dòng)較大,表現(xiàn)為其穩(wěn)定性、可靠性較差。在加氫反應(yīng)器工況下 ,使用常規(guī)儀表測量的準(zhǔn)確性較差,穩(wěn)定及準(zhǔn)確性得不到保證,使用核儀表是其唯一選擇。核儀表射線同物質(zhì)相互作用,發(fā)生吸收、散射或?qū)⒈粶y物電離、激發(fā)現(xiàn)象,咖瑪射線(γ)穿過物料被吸收而減弱,通過探測器檢測伽馬射線(γ)的強(qiáng)度,再經(jīng)過轉(zhuǎn)換器處理,得出所要的參數(shù)。利用這種原理,可用來測定質(zhì)量、厚度、密度、料位、水分、灰分等重要參數(shù)。根據(jù)這些現(xiàn)象、原理,研制出各種各樣核檢測儀表。在常規(guī)儀表測量穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性不能滿足工藝監(jiān)測的情況下,使用核儀表是目前解決該問題的優(yōu)選辦法。

2.1 核儀表組成

核儀表系統(tǒng)主要由放射源(核源)、輻射探測器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、顯示器四部分組成。下圖為核料位示意圖例。所用的放射源根據(jù)檢測對(duì)象不同而選用α源、β源、γ源。在加氫裝置中主要應(yīng)用為γ源,圖1中選γ源。

圖1 核料位測量示意圖

2.2 工作原理

在工業(yè)應(yīng)用中, 鈷-60半衰期5.3 a,銫-137半衰期30.2 a,鈷-60和銫-137同位素能發(fā)射出很強(qiáng)的γ射線,應(yīng)用較為普遍。放射源輻射的活度通常以Bq(貝可)計(jì)量,一般常用的放射源活度范圍,鈷-60為3.7×107Bq(1 mCi)～3×1010Bq(810 mCi);銫-137為3.7×107Bq(1 mCi)～3.7×1010Bq(1 Ci)。接收器主要由閃爍體、光電倍增管、前置放大電路組成,安裝在被測容器另一側(cè),射線由閃爍計(jì)數(shù)器吸收。射線越強(qiáng),電流脈沖數(shù)越多。該脈沖信號(hào)即可直接經(jīng)整形后,由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并顯示,又可經(jīng)積分電路變成與脈沖數(shù)成正比的積分電壓,再經(jīng)電流放大和電橋電路,最終得到與物位相關(guān)的電流輸出。寫成數(shù)學(xué)公式如下:

I=I0×e-μ×ρ×d

其中I0為射線穿過物質(zhì)前的射線強(qiáng)度,I為穿過密度為ρ、路徑為d的物料后的射線強(qiáng)度,μ為吸收系數(shù),與放射源的類型有關(guān),對(duì)于給定的放射源,μ可以認(rèn)為是常數(shù),利用上式,當(dāng)被測物質(zhì)密度ρ一定時(shí),可測出被測物質(zhì)物位(液位)的高度即被測物質(zhì)的厚度d。若被穿透物質(zhì)的厚度d固定時(shí),便可測出被測物質(zhì)的密度ρ。采用核輻射檢測器檢測穿透物質(zhì)后的剩余γ射線, 將其轉(zhuǎn)換為電量的變化,并通過電子電路的轉(zhuǎn)換處理,就可測出被測物位(界位)或密度。

2.3 功能說明

本裝置選用BERTHOLD放射性儀表,主要有核料位計(jì)、密度計(jì)。由于放射源自然隨機(jī)衰變 ,射線儀表是一種基于統(tǒng)計(jì)概率的測量儀表。工藝要求的精度越高 ,時(shí)間響應(yīng)越小 ;儀表或探測器就需要測得越多的有效計(jì)數(shù)率。需同時(shí)考慮計(jì)算射線穿過設(shè)備壁、保溫層等物質(zhì)后探測器接收到的計(jì)數(shù)率大小 ,同時(shí)考慮安全問題。

反應(yīng)構(gòu)架4層R-401/R-402/403反應(yīng)器上分別安裝一枚射源,反應(yīng)構(gòu)架8層R-401/R-402/403反應(yīng)器上分別安裝一枚射源,反應(yīng)構(gòu)架9層V-404上安裝3枚射源,反應(yīng)構(gòu)架10層V-404上安裝1枚射源;催化劑油漿制備構(gòu)架4層V-202/V-205分別安裝一枚射源,減壓站V-405安裝3枚射源,V-502下部安裝一枚射源,T-501下部安裝一枚射源,T-502下部安裝一枚射源,共計(jì)18枚放射源。放射源銫-137(Cs-137、Ⅳ類),現(xiàn)場的射線劑量當(dāng)量應(yīng)符合GBZ 125—2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1級(jí)防護(hù)要求及防火,并裝在專用容器內(nèi),專用容器外殼材質(zhì)為不銹鋼。放射源隔離裝置外表面要有電離輻射警告標(biāo)志。放射源宜帶有遙控氣動(dòng)源閥,可以選程啟動(dòng)關(guān)閉源閘。

考慮到源的衰變,檢測變送器需有衰變補(bǔ)償功能,棒狀探測應(yīng)采用塑料閃爍體,溫度穩(wěn)定性±0.5%。同時(shí)變送器的內(nèi)存儲(chǔ)器有寫保護(hù)功能、信號(hào)傳輸應(yīng)能滿足現(xiàn)場最遠(yuǎn)距離要求?？赏ㄟ^HART信號(hào)遠(yuǎn)程對(duì)儀表進(jìn)行組態(tài)和調(diào)試。

3 安裝及維護(hù)

3.1 安裝難道較大

加氫裝置中選用透射性儀表(核儀表的一種),放射源與監(jiān)測器分別裝于被測物質(zhì)的兩邊,入射射線穿透物質(zhì)時(shí)被減弱,同時(shí)探測器檢測出射射線的劑量。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)無料時(shí),出射射線的劑量較強(qiáng),反之較弱,安裝示意圖如圖2。

圖2 安裝示意圖

在加氫裝置反應(yīng)構(gòu)架4層R-401/R-402/403反應(yīng)器上分別安裝一枚射源,反應(yīng)構(gòu)架8層R-401/R-402/403反應(yīng)器上分別安裝一枚射源,反應(yīng)構(gòu)架9層V-404上安裝3枚射源,反應(yīng)構(gòu)架10層V-404上安裝1枚射源;催化劑油漿制備構(gòu)架4層V-202/V-205分別安裝一枚射源,減壓站V-405安裝3枚射源,V-502下部安裝一枚射源,T-501下部安裝一枚射源,T-502下部安裝一枚射源,共計(jì)18枚放射源。源于檢測器安裝位置的選擇。反應(yīng)器的制造由設(shè)備生產(chǎn)廠家完成,核儀表的制造歸屬儀表生產(chǎn)廠家,反應(yīng)器制造時(shí)對(duì)應(yīng)的源及檢測器安裝接口設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)院提供。設(shè)備制造廠在接口制造時(shí)按設(shè)計(jì)院接口圖要求確定,在具體實(shí)施時(shí)接口確定時(shí)嚴(yán)格按圖施工,不能考慮到現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用需求,導(dǎo)致一些問題的發(fā)生。諸如位置選擇不錄,接口選擇在設(shè)備的焊縫處,導(dǎo)致后期測量準(zhǔn)確度下降,不能滿足現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測需要;或源安裝位置選擇較為隨意,沒有考慮到現(xiàn)場實(shí)際空間位置,太高不利于維護(hù)或太低不便于防護(hù)安全。

3.2 標(biāo)定工作

在放射源、檢測器安裝到位,上電正?！，F(xiàn)場工藝條件具備后,可以進(jìn)入調(diào)試階段。調(diào)試前檢查內(nèi)容:檢查射源及檢測器安裝是否規(guī)范;檢查射源閘門的開關(guān)位置,鎖具是否完好;檢測射源1 m處劑量率值,檢測表面5 cm處劑量率有無異常;檢查檢測器接線是否正確、端子是否牢固;檢測器上電,測量供電電壓是否正常;連接通訊設(shè)備,調(diào)整基礎(chǔ)參數(shù),固件升級(jí),啟用檢測器。

標(biāo)定內(nèi)容:打開射源閘門,檢測表面及周圍劑量率變化;檢測射源對(duì)面或側(cè)面接收器安裝位置處劑量率值是否正常;通過通訊設(shè)備查看檢測器接收到的信號(hào)強(qiáng)度(脈沖數(shù));關(guān)閉射源閘門,用通訊設(shè)備標(biāo)定接收器背景(環(huán)境本底);打開源門,確認(rèn)設(shè)備內(nèi)無物料,待接收器檢測數(shù)據(jù)穩(wěn)定,進(jìn)行冷態(tài)空標(biāo);空標(biāo)成功后,再次關(guān)閉源門,待檢測器數(shù)值穩(wěn)定后,進(jìn)行冷態(tài)滿標(biāo);冷態(tài)標(biāo)定成功后,待工藝條件具備后,進(jìn)物料升壓、升溫后進(jìn)行實(shí)物標(biāo)定,去除干擾因素。此時(shí),標(biāo)定工作基本完成。

在此特別說明,核源閘門的啟閉在手動(dòng)自鎖和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩種操作模式。其模式的選擇要充分考慮使用、防護(hù)的安全。如采用手動(dòng)模式,源的啟閉需要操作人員現(xiàn)場手動(dòng)操作,對(duì)操作人員的操作技能、防護(hù)方面的知識(shí)儲(chǔ)有一定要求,避免因操作不當(dāng),如自鎖不到位等導(dǎo)致源的退出,影響工藝參數(shù)監(jiān)測。在使用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí),要充分考慮氣源或驅(qū)動(dòng)信號(hào)中斷情況下的狀態(tài)影響,是否在工藝操作可接受的范圍之內(nèi),如工藝條件不允許中斷,要考慮故障情況下的源的正常運(yùn)行,如加裝氣源儲(chǔ)氣罐作為儲(chǔ)能裝備。

3.3 故障及分析

常見故障現(xiàn)像較常見表現(xiàn)為:通訊設(shè)備無法通訊;檢測器輸出信號(hào)異常;檢測器報(bào)故障;檢測器檢測不到信號(hào)或信號(hào)很弱;源門開關(guān)卡頓或源無法推送至套管內(nèi)。

引起故障的主要因素可以分以下幾點(diǎn):通訊設(shè)備故障;檢測器供電異常;檢測器回路故障;檢測器傳感器損壞;檢測器固件版本低;檢測器安裝位置不當(dāng);射源源門機(jī)械故障;射源劑量不足或計(jì)算不當(dāng);射源安裝位置或方向不當(dāng);套管制造缺陷;設(shè)備內(nèi)有介質(zhì);設(shè)備制造規(guī)格尺寸與設(shè)計(jì)不符;設(shè)備內(nèi)有金屬廢料;設(shè)備內(nèi)有攪拌器、攪拌軸;設(shè)備內(nèi)件規(guī)格尺寸與設(shè)計(jì)不符;設(shè)備內(nèi)件安裝方位不當(dāng)。

4 核儀表的防護(hù)

4.1 放射源的分類

根據(jù)放射源對(duì)人體可能的傷害程度,將放射源分為5類:

Ⅰ類放射源屬極危險(xiǎn)源,沒有任何防護(hù)情況下,接觸這類危險(xiǎn)源幾分鐘到1 h就可致人死亡。Ⅱ類放射源屬高危險(xiǎn)源,沒有防護(hù)情況下,接觸這類危險(xiǎn)源幾小時(shí)至幾天可以致人死亡。Ⅲ類放射源屬中危險(xiǎn)源,沒有防護(hù)情況下,接觸這類危險(xiǎn)源幾小時(shí)就可對(duì)人造成永久性損傷,接觸幾天至幾周也可致人死亡。此三類放射源為危險(xiǎn)放射源。Ⅳ類放射源屬低危險(xiǎn)源,基本不會(huì)對(duì)人造成永久性損傷,但對(duì)長時(shí)間、近距離接觸這些放射源的人可能造成可恢復(fù)的臨時(shí)性損傷。

Ⅴ類放射源屬極低危險(xiǎn)源,不會(huì)對(duì)人造成永久性損傷,在我國被盜或失控的放射源多數(shù)屬于Ⅳ類放射源或Ⅴ類放射源,在本加氫裝置中采用的核放射源為Cs-137,銫-137的半衰期較長達(dá)30 a,為Ⅴ類放射源。

4.2 儀表防護(hù)

輻射防護(hù)是研究保護(hù)人類、環(huán)境免受或少受輻射危害的應(yīng)用性學(xué)科,核放射性儀表在加氫裝置的應(yīng)用,優(yōu)選放射源Cs-137,為Ⅴ類放射源,屬于密封性放射源,其本不會(huì)對(duì)人造成永久性損傷。但在特殊情況下,對(duì)長時(shí)間,近距離接觸這些放射源的人可能造成可恢復(fù)的臨時(shí)性損傷。懸浮床加氫裝置反應(yīng)單元R-401/R-402/403反應(yīng)器和熱高壓分離罐因工況特殊,采用了放射性儀表測量設(shè)備內(nèi)固液混合物介質(zhì)密度、物位。其中放射性元素為Cs-137,是能量相對(duì)較低的一種放射性物質(zhì),裝置中使用的放射源均屬于Ⅳ類源,最大活度為2 000 mCi,離源1 m處劑量率均小于2.5 μSv/h,對(duì)人員健康幾乎無影響。

源的防護(hù),放射源安裝在裝置反應(yīng)器框架R-401/R-402/403設(shè)備源支架處,遠(yuǎn)離地面,但工藝巡檢人員在源附近活動(dòng)較為頻繁。鑒于放射源的特殊性,源附近設(shè)備明顯的電離輻射警示標(biāo)識(shí)并標(biāo)有源的型號(hào)、核素名稱、活度、輻射類型、廠家、出廠日期等相關(guān)信息,同時(shí)嚴(yán)禁無關(guān)人員進(jìn)入核區(qū)域;放射源在裝置停運(yùn)時(shí),應(yīng)關(guān)閉閘源;核源巡檢人員參照核料位計(jì)安裝場所輻射水平檢測方法,用檢定合格的監(jiān)測儀(輻射儀)定時(shí)監(jiān)測源表面5 cm處、1 m處的周圍劑量當(dāng)量率,每占均需測5次取平均值作為測量值。并做好相關(guān)記錄;同時(shí)參照《職業(yè)性外照射個(gè)人監(jiān)測規(guī)范》對(duì)相關(guān)職業(yè)人員進(jìn)行個(gè)人劑量監(jiān)測。

制定輻射源管理制度,明確輻射源的日常管理、存儲(chǔ)、報(bào)廢等工作流程。組織相關(guān)人員參加輻射安全培訓(xùn)、個(gè)人劑量監(jiān)測和職業(yè)健康檢查并建立專項(xiàng)檔案。

5 總結(jié)

總之,隨著傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,常規(guī)儀表在復(fù)雜工況中應(yīng)用有望取代核輻射儀表,但在苛刻工況中,常規(guī)儀表在短時(shí)期內(nèi)還不具備取代核儀表的條件。核儀表在較長的一段時(shí)間內(nèi),在化工裝置中的應(yīng)用還是不可替代的。所以核放射儀表在工業(yè)裝置應(yīng)用的各階段,在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、維護(hù)各階段都要考慮核輻射儀表本身的特殊性,充分考慮到核儀表巡檢、維護(hù)的便捷、檢測數(shù)據(jù)的可靠,同時(shí)考慮防護(hù)的安全性及對(duì)環(huán)境的影響。