放射性料位计在聚丙烯装置中的应用

2015-01-13魏庆韪

化工自动化及仪表 2015年6期

蔡丹魏庆韪

(中国五环工程有限公司,武汉 430023)

随着工业技术的发展，化工生产过程越来越复杂化、多样化，在高温、高压、易爆的工况下对粘附性大、腐蚀性大、毒性大、颗粒状和粉粒状物料的料面测量已经成为普遍难题。某聚丙烯装置的产品接收罐C-5013上就需要进行料位测量，但工艺生产过程中物料存在气、粉末和粉尘三相，上部为N2并漂浮着少量碳氢化合物和聚丙烯粉尘；下部为聚丙烯粉末，且设备壁容易挂料。因此常规的接触式测量仪表难以满足较高的现场测量精度要求，使得产品接收罐的料位测量成为难题，只能使用非接触式测量仪表[1]。为此笔者通过对放射性料位计选型、配置和安装应用情况进行研究，希望对类似工况的料位测量仪表的选型提供参考。

放射性料位计由放射源、检测器和二次仪表组成(图1)。放射性料位计是利用放射源产生的γ射线，穿过被测容器和容器中的介质时，射线被不同高度的介质所吸收，当测得了因被吸收而衰减的射线强度时就可得到相应的料位[2]。

图1 放射性料位计组成

检测器测到的射线强度I为：

I=I0e-μρd

(1)

式中d——容器直径,m；

I0——发出的射线强度,mCi；

ρ——介质密度,kg/m3；

μ——吸收系数,m2/kg。

从式(1)可以看出，针对某一特定的介质，介质密度和吸收系数是常量，射线强度I只与容器直径d有关。再根据放射源的放射角度可计算出单个点放射源射线所照射到的料位高度L1，即：

L1=(d+2d1+d2+d3)tagα

(2)

式中d1——壁厚,mm；

d2——放射源至容器外壁的距离,mm；

d3——检测器至容器外壁的距离,mm；

α——射束角,(°)。

大多情况下，放射源和检测器分别安装在容器的两侧。有时容器的直径和介质吸收系数过大，需要使用很大剂量的放射源，而放射源剂量过大会对人身安全造成隐患，这种情况下可把放射源置于容器的中央，检测器置于容器的一侧，这样可以达到减少放射源剂量的目的。此时单个放射源射线所照射到的料位高度L2(单位mm)为：

L2=(d2+d3)tagα

(3)

上述是料位连续测量的计算，当为料位位式测量时，需要报警点的料位是定值。而ρ若是变化的，料位位式测量实际上是通过所测得的密度值来判断开关量的输出的。

2 放射性料位计的选型

2.1 放射源的选择

2.1.1放射源种类的选择

放射源按其密封状况分为密封放射源和非密封放射源。密封放射源密封在包壳或紧密覆盖层里，工业生产中应用的料位计使用的都是密封放射源。常用的密封放射源(后续提到的放射源均指密封放射源)有137Cs和60Co，两者的主要区别是：第一，137Cs放出的射线能量只有0.661MeV一种，而60Co放出的射线能量有1.170MeV和1.330MeV两种；第二，相对铜和钢板这两种射线源穿透本领差别不大，但相对铅，137Cs易被屏蔽，50mm厚的铅可将137Cs的剂量降低200倍，而60Co只能降低12倍，因此采用137Cs作为放射源更安全；第三，137Cs的熔点为2 070℃，60Co的熔点为1 495℃；第四，137Cs半衰期为30年，60Co半衰期为5.3年。相较60Co来说137Cs使用寿命更长，源罐重量轻3～5倍，方便了仪器的拆装和保护。

2.1.2放射源剂量的选择

放射源剂量的选择主要从两方面考虑：检测器所能检测到的放射源射线剂量的范围；在一定距离内人体所吸收到的放射源射线剂量是否满足相关国家标准规范。不同厂家不同种类的检测器会有所不同，关于放射源对人体的相对安全剂量，GBZ 125-2009《含密封源仪表的卫生防护标准》中有明确要求，具体见表1[3]。

表1 一定距离内放射源剂量要求 μSv·h-1

2.1.3放射源形状的选择

放射源可分为(多)点放射源和(多)棒放射源。点放射源相对强度较小，测量范围较小，价格较便宜，而棒放射源测量范围较大，需线性补偿，价格较贵[4]。对于料位位式测量，通常采用点放射源；而对于料位连续测量，可根据所需测量的料位范围和放射源的射束角来计算并确定放射源。需要注意的是，当采用多点放射源或多棒放射源时，各放射源的射程上有叠加区域，这部分区域需要进行线性补偿。

2.1.4放射源射束角和个数的选择

对于料位位式测量，点放射源射束角比较小，不同放射性料位计生产厂家不同，大都在5～15°之间。对于料位连续测量，不同厂家也有所不同，大多数厂家的点放射源有30、40、45、60°可以选择。当射束角为45°时，射线范围构成了一个等腰直角三角形，料位连续测量时放射源的个数n1为：

n1=(L4-L3)/Lii=1,2

(4)

式中L3——最低料位,mm；

L4——最高料位,mm；

Li——单个放射源射线所照射到的料位高度,mm。

如某项目中d=2 500mm、d1=10mm、d2=50mm、d3=50mm、L3=0mm、L4=4 382mm，放射源与检测器安装在容器的两侧，将上述数值代入式(1)、(2)、(4)中可求得点放射源个数n1=1.67，圆整后n1=2，即需要两个点放射源。

2.2 检测器的选择

2.2.1检测器种类的选择

检测器的种类有电离式型、盖革计数管型和闪烁晶体加光电倍增管型(以下简称闪烁晶体)3种。近年来，Ohmart生产了一种新型产品——柔性光纤，此类产品目前应用并不十分广泛，效果有待进一步考证。笔者结合4家放射性料位计的厂家样本，总结出各类检测器特点(表2)。

2.2.2检测器形状的选择

检测器的形状可分为(多)点检测器和(多)棒检测器。在实际应用中，检测器形状与放射源形状通常需要搭配考虑。对于料位位式测量，通常采用点放射源加点接收器；对于料位连续测量，有点源加棒探测器、棒源加点探测器和棒源加棒探测器3种不同的配置方案，而配置方案的选择主要取决于测量容器的几何形状、测量目的、周围

表2 各类检测器特点

条件、防护安全等级、设备所在空间和资金投入。

2.2.3检测器根数的选择

不同厂家检测器的长度不同，由表2可知，棒检测器最长3m，闪烁晶体检测器最长2m。当棒检测器的物理连接没有重叠部分时，对于料位连续测量，棒检测器的数量n2为：

n2=(L4-L3)/Ln

(5)

式中Ln——棒检测器的长度,mm。

2.3 二次仪表的选择

二次仪表由脉冲放大器、补偿电路、转换显示单元和电源部分组成。二次仪表将检测器接收到的脉冲信号转换为4～20mA标准信号并输出至控制室。目前大多数厂家将二次仪表与检测器集成为一体，当检测器为多棒检测器时，每根棒检测器可配一个二次仪表，最后由最上面或最下面的棒检测器的二次仪表将各二次仪表的信号叠加起来输出至控制室；所有的棒检测器也可共配一个二次仪表，由这个共用的二次仪表将信号输出至控制室。

2.4 放射性料位计的配置方案

某项目聚丙烯装置的产品接收罐C-5013上有两处测量料位，一处是料位连续测量LE/LX/LT-5013-1，另一处是料位位式测量LE/LX/LT-5013-2，通过LE/LX/LT-5013-1来判断C-5013的下料速度从而控制旋转给料阀的给料速度，通过LE/LX/LT-5013-2来判断C-5013在下料中是否出现故障和堵塞。这两处料位计的配置如图2、3所示，配置方案见表3。

当检测器为多棒检测器时，棒检测器的射程范围会有叠加区域，需对这部分区域进行线性补偿。某放射性料位计厂家经过线性补偿后，LE/LX/LT-5013-1的液位-计数率曲线如图4所示。曲线稍许凹陷的部分即是射程范围有叠加的料位范围，若不进行线性补偿，此段料位范围的曲线会凹陷得更深。

图2 LE/LX/LT-5013-1配置

图3 LE/LX/LT-5013-2配置

测量位号放射源种类放射源剂量放射源形状放射源射束角和源数检测器种类检测器形状和数量二次仪表5013-1137Cs5mCi点状源45°,2个闪烁晶体棒检测器,2个与检测器一体,1个5013-2137Cs30mCi点状源10°,1个闪烁晶体点检测器,1个与检测器一体,1个

图4 LE/LX/LT-5013-1的液位-计数率曲线

3 放射性料位计的安装

在确定了放射性料位计的设计选型后，需要提供放射性料位计的支架安装条件。由于在计算放射源个数时，需要知道放射源和检测器离设备外壁的距离、设备壁厚、设备直径以及放射源和检测器的安装高度，这些信息从支架安装详图和设备图中可以获得，因此应将设备上的支架安装详图和设备图发给放射性料位计厂家。放射性料位计在安装时需注意以下事项[5]：

a. 检测器安装维护由专业人员实施，安装中的安全防护措施应符合国家标准的有关规定。常规仪表维护人员和工艺外操人员绝不允许维护，在现场必须有明显的警戒标志。

b. 由于检测器是露天安装，需要加防护罩，以避免太阳光的直接照射，防止仪表因环境温度过高而影响检测器正常工作。

c. 由于检测器接收的是放射性信号，因此要求在装有放射性料位计的装置进行调试和运行时，周围不能进行探伤等发出电磁干扰的工作，否则放射性料位计不能正常工作，从而发出假信号而影响装置运行。

4 放射性料位计的校验

为了保证测量准确，在装置开车前均要对放射性料位计进行原始标定。首先在设备安装完毕和放射源安装后，检查射线是否超过国家标准和设计标准；之后在常温、常压和容器内没有介质的情况下，将放射源关闭，二次仪表上显示的脉冲数作为背景值；在上述条件下打开放射源，二次仪表上显示的脉冲数作为最大值，背景值和最大值可作为校验的参考值。一般在所要求的工艺条件下，当放射源开启且罐满时，测得的脉冲值与背景值相近，可以表示为放射源开启时罐满值不小于背景值；而在所要求的工艺条件下，当放射源开启且罐未满时，测得的脉冲值与背景值相近，可以表示为放射源开启时罐满值不大于最大值。在没有条件实校时，通常把背景值对应的料位值作为量程，而把最大值对应的料位值作为零点。在没有条件实校时，通常也可以用水作为介质进行校验，通过水的密度和实际介质密度的关系进行换算，再通过实际使用时现场标定，从而得出准确的测量结果。