放射性儀表在煉油裝置中的應(yīng)用

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(cè)量成為難題，常規(guī)儀表很難達(dá)到良好的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器分為電離室、GM計(jì)數(shù)管、閃爍晶體探測(cè)器和柔性光纖探測(cè)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(cè)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(cè)器是以光纖制成直徑為25mm的光纜作為探測(cè)體，技術(shù)上比電離室效率高，但是探測(cè)效率比閃爍晶體探測(cè)器低。目前市場(chǎng)上的主流探測(cè)器為高靈敏度的碘化鈉或塑料閃爍晶體探測(cè)器。探測(cè)器長(zhǎng)度一般為2m/根，當(dāng)測(cè)量范圍較長(zhǎng)、需多個(gè)探測(cè)器相連時(shí)，需要對(duì)每根探測(cè)器單獨(dú)供電。

圖2 閃爍晶體探測(cè)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(cè)器一起放置在現(xiàn)場(chǎng)。

2 測(cè)量原理

放射性物位儀表的測(cè)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(cè)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(duì)側(cè)的探測(cè)器把射線的放射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物位信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)變量的測(cè)量。

圖3 放射性物位儀表的測(cè)量原理

放射性儀表射線指數(shù)吸收如圖4所示，測(cè)量公式為：

I=I0e-μρd

式中d——厚度；

I——檢測(cè)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(cè)器轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)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(hào)至顯示器。當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出開關(guān)信號(hào)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(hào)與物位呈線性關(guān)系，可通過線性補(bǔ)償元件對(duì)輸出信號(hào)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(jiǎn)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(duì)比較簡(jiǎn)單，圖5為放射性儀表安裝簡(jiǎn)圖，主要說明放射源和探測(cè)器需要在被測(cè)容器的兩側(cè)對(duì)稱安裝，當(dāng)被測(cè)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(cè)器安裝支架詳圖。

圖5 放射性儀表安裝簡(jiǎn)圖

圖6 放射源安裝支架

圖7 探測(cè)器安裝支架

放射性儀表相對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)并指導(dǎo)安裝，避免提前到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，無專用放射源儲(chǔ)存庫存放。

d. 放射性儀表探測(cè)器接收的是放射性信號(hào)。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(hào)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(huì)在現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)單位存儲(chǔ)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(chǎng)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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量原理如圖8所示。

圖8 放射性液位計(jì)的基本測(cè)量原理

在對(duì)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(cè)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(duì)射線的干擾。

在進(jìn)行儀表選型時(shí)需要注意，如果測(cè)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(cè)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(cè)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(huì)完全穿過設(shè)備直至探測(cè)器，使測(cè)量輸出為線性曲線)。

在對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(jí)(對(duì)人員的活動(dòng)范圍不限制)，距離檢測(cè)設(shè)備邊界5cm處的劑量率均不大于2.50μSv/h；距離檢測(cè)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(duì)每一臺(tái)儀表進(jìn)行核算，以檢測(cè)其是否滿足規(guī)范對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)量難題，但是因其放射源發(fā)射的γ射線對(duì)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(dòng)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.