γ射线液位计在石油化工装置中的应用

摘要：加氢反应器是加氢装置中的关键设备, 对于反应器内的相关反应参数, 如温度, 液位等需要进行实时监控, 避免由于反应异常导致装置停车。由于加氢反应器具有高压的特点,**新型γ射线液位计由于其非接触式的特点, 非常适合用于加氢反应器的液位测量, γ射线液位计检测器检测到液位信号, 上传给微处理器, 对液位信号进行数据处理, 并输出符合实际的液位值。应用表明, γ射线液位计能够对加氢反应器的液位进行实时监控, 优化工艺操作, 确保反应器及生产装置的安全稳定运行。

 

物位测量是石油化工装置中一类重要参数测量, 物位测量包括介质的料位、液位、界位的测量, 一般测量装置设备或反应容器内的介质高度。石油化工装置大多数工艺介质为液态, 因此, 物位测量应用***多的是介质的液位测量。

液位测量仪表按测量原理划分, 有直读式、浮力式、光学式、电气式、差压式、声波式、辐射式等, 不同的液位测量仪表有不同的适用场合。对于高温、高压容器, 或设备内介质具有强腐蚀、剧毒、易结晶等特性, 常规的液位测量仪表并不适用, 而辐射式液位测量仪表可以解决这类苛刻工况的测量要求。

放射性同位素在其衰变过程中可以放出一种特殊的、带有一定能量的粒子或射线, 这种现象称为放射性或核辐射。根据放射性同位素的特点, 在石化行业中设计成一类辐射式液位计, 其中, γ射线液位计应用***为广泛。

本篇论文讨论的就是具有高压工况的液位测量, 在某些树脂加氢装置中, 加氢反应器的压力高达18.0MPa, 对于如此高的反应压力, 采用γ射线液位计是***优选择, 不需要在高压设备上开设仪表接口, 避免接口泄露危险, 同时又可以完成对液位的实时监测。

γ射线液位计基本原理是利用放射源产生的γ射线, 在穿过被测容器及容器内的介质时, 射线会被不同高度液体所吸收, 因射线具有规律性的衰减特性, 因此, 只要测得因被吸收而衰减的射线强度, 就测得了相应的液位[1]。

γ射线液位计基本测量原理, 是利用γ射线具有穿透物质, 并在物质中减弱的特性, 对液位进行检测。射线衰减规律遵从下式[1]:

M=M0 Ke-μρh

式中K=e-μ1ρ1d1为设备结构系数

M0:放射源的发射剂量

M:射线穿过设备壁和液体介质到达检测器的剩余射线剂量

μ1, μ:分别为设备及液位介质的吸收系数

d1, h:分别为设备壁厚及液位高度

ρ1, ρ:分别为设备材质及被测介质的密度

依据射线的衰减规律计算公式, 当确定设备结构系数K及已知被测介质的吸收系数μ及密度ρ, 用固定剂量M0的射线穿透被测介质, 只需测得衰减后的射线剂量M, 便可计算出液位高度h。其中, 衰减后的射线强度M由检测器检测, 送至微处理器, 转换成脉冲信号, 经脉冲经过放大、整形后、线性补偿处理, ***终输出4~20m A信号到显示单元。典型原理如图1所示:

图1 γ射线料位计测量原理   

 

γ射线液位计主要由放射源、检测器、主机部分 (信号处理单元) 三部分组成。

放射性同位素中, 一般选用钴铯-137 (Cs) 或-60 (Co) 作为放射源。放射源的形式根据被测容器实际情况, 可以设置成点源、棒源或多点源。放射源的选择则需要综合考虑, 铯-137 (Cs) 穿透介质能力弱于-60 (Co) , 被测介质密度较低、测量范围较小时可选用, 钴-60 (Co) 穿透介质能力强, 被测介质密度较高、测量范围较大时可选用。

出于放射源的防护要求, 需要将放射源放入铅容器中, 同时, 铅容器一般带有锁闭装置, 在装置停工, 不需要测量液位时, 可以将放射源暂时关闭。

检测器主要用于检测射线, 放射源穿透设备及介质后, 剩余剂量的放射线将到达检查器, 并由检测器接收, 产生光信号进而转化为电信号, 上传至主机进行数据处理。

放射线照射到接收器闪烁晶体上, 会产生光子, 光子的能量被光电倍增管上光阴级材料中的电子吸收, 电子获得光子的能量, 会逃离光阴级材料[2]。光电倍增管将电子能量进行放大, 并上传至前置电路数据处理。

目前主要的闪烁晶体主要分PVT、Na I、光纤等[3]。

根据不同的放射源和检测器的配置形态, γ射线液位计的常用配置有如下图2几种:

笔者在某树脂加氢装置中采用的配置与图2中常用配置稍有区别, 由于设计的树脂加氢反应器设备直径较小, 一个放射源无法满足测

量量程要求, 因此采用了两个放射源, 保证在整个量程范围内保证精度和线性。配置如图3所示:

图2 γ射线液位计放射源和检测器配置   

 

图3 放射源和检测器配置实际应用   

 

主机部分主要完成信号处理工作, , 一般由脉冲放大器、补偿电路、转换显示单元组成。

脉冲放大器对接收到的信号进行脉冲放大和整形处理。补偿电路分两个部分, 一部分补偿放射源随时间的强度衰减, 另一部分补偿测量线性。

笔者在装置设计中选用的是德国伯托产品, 主机设计紧凑, 可以安装在机柜间DCS机柜内, LB440主机CPU采用32位处理器, 运算精度高、性能高、操作简单, 具有主机电路连续自动检测, 标定数据存储在内置的闪存中, 无需电池保护标定数据[4]。

为实现输出信号与液位变化成线性关系, 通常有两种处理方法, 一种是将棒状源做成非线性结构来实现输出信号的线性化, 另外一种是通过线性补偿单元来实现输入与输出信号的线性化。笔者在装置设计中选用液位计主机补偿单元对液位信号进行线性补偿, 由于如上图3中放射源采用了两个来扩大测量范围, 因此补偿后的线性如图4

图4 液位测量值补偿线性化   

 

γ射线液位计中的放射源主要释放γ射线, 对于人体可造成一定的辐射伤害, 实际使用中, 需要对辐射相关知识有所了解, 并严格遵照相关辐射源使用标准。

超过一定剂量的γ射线辐射, 对人体的可能造成伤害有:细胞损伤、DNA损伤、急慢性放射性疾病、皮肤眼睛体性腺等[5]。然而, 在环保总局对γ射线的危害分类中, γ射线料位计中使用的放射源一般为IV类、V类放射源[6], 对人体的伤害不大, 平时工作中只要采取必要的防护措施基本无需担心。

不同的放射源, 有其固定半衰期及仪表使用寿命, 当仪表出现测量误差较大, 同时达到放射源半衰期, 应考虑更换放射源。更换下来的放射源应同当地环保部门联系并进行妥善处理, 不得当作一般废旧物资随意处理[7]。

从投入使用的树脂加氢装置操作运行情况来看, 在项目设计中应用γ射线液位计对加氢反应器液位进行实时监控, 并设置相应报警联锁功能, 可实现反应器的动态安全平稳运行, 为装置的平稳生产运行提供有力保障。