新型γ射线料位计在焦炭塔上的应用

2015-06-05王丹

石油化工自动化 2015年1期

关键词：放射源焦化焦炭

王丹

(武汉炼化工程设计有限公司，武汉 430070)

新型γ射线料位计在焦炭塔上的应用

王丹

(武汉炼化工程设计有限公司，武汉 430070)

焦炭塔是延迟焦化装置的关键设备，如果生焦高度控制不好，有可能导致安全事故和不必要的装置停车。采用新型γ射线料位计，将放射源与探测器分别安装在被测设备的两侧，当设备内物料上升或下降时，探测器所接受到的射线通量率随之减弱或增强，探测器将射线信号转换成脉冲信号传送至微处理机，再根据一定的数学模型计算出相应的料位高度，并作显示和模拟信号输出。应用表明：该γ射线料位计能够实时指导、优化工艺操作，确保了焦炭塔的安全稳定运行，提高了装置的处理能力，同时减少了消泡剂的使用。

γ射线料位计放射源焦炭塔延迟焦化

随着延迟焦化处理量日益增加，焦化装置关键设备焦炭塔安装料位计既能保证安全生产，又能提高设备使用效率，可缩短焦炭塔操作周期。

1 新型γ射线料位计

1.1 基本原理

新型γ射线料位计基于γ射线穿过物料时强度减弱的物理特性实现料位测量[1]，放射源采用Cs-137，一束γ射线穿过物料，其减弱规律为

Ix=I0·e-μρd-λt

式中：Ix——穿过物料后的射线强度；I0——穿过物料之前的射线强度；e——自然对数的底数；μ——介质对γ射线的线性吸收系数；ρ——被测介质密度；d——射线通过的物料路径；λ——衰减时间系数；t——时间。

放射源与探测器分别安装在被测设备的两侧，当设备内物料上升或下降时，探测器所接受到的射线通量率随之减弱或增强，探测器将射线信号转换成脉冲信号传送至微处理机，其根据一定的数学模型计算出相应的料位高度并作显示和模拟信号输出。

1.2 延迟焦化装置中的应用

γ射线料位计在国内多个延迟焦化装置上都有成功的应用，笔者按照一炉两塔结构对其配置进行简述，如图1所示。

每套料位计由1个放射源(及屏蔽铅罐)、探测器(每只量程2 m)以及转换器组成。每个塔安装1套料位计，量程6 m(可选8 m连续测量，由4只2 m探测器串联)。放射源安装在上切线下面4 m处，探测器安装在放射源对面，探测器最上端与放射源高度相同。放射源与探测器均与设备不接触，无开孔，无预埋。转换器置于现场控制柜，探测器与转换器之间由2芯屏蔽电缆连接，转换器供电220 V(AC)，输出与料位相对应的4～20 mA信号至DCS，在转换器上设定参数，无需在现场接触射线，仪表只需标定2个数据：零位计数与满度计数，简单方便。工作原理如图2所示。

射线自放射源屏蔽罐以45°左右成扇形射出，穿透两边壁厚后在空塔情况下，几乎均匀地照到探测器上。此时探测器输出的射线脉冲数最大，此参数定义为零位计数；随着塔内介质的不断上升，慢慢进入测量范围后，由下至上，射线逐步被阻挡吸收，高度达到探测器上端，探测器计数降至最小，此参数定义为满度计数，将2个数据输入转换器，根据料位计的计算模型，依探测器的射线脉数，转换器可以计数算出介质高度，然后输出相对应的4～20 mA信号至DCS。

2 应用案例

武汉石化延迟焦化装置焦碳塔料位测量经历了几个阶段：热电偶壁温测量；中子料位计(开关式)测量；γ射线料位计(开关式或连续式)测量。从20世纪90年代以后国外新建、扩建焦炭塔大多使用γ射线料位计测量料位。

1) 与传统γ射线料位计相比较，新型γ射线料位计具有以下优势：

a) 放射源由每塔3个改为每塔仅1个，放射源活度由国外的每个点至少500 mCi以上，可降至50 mCi，安全性能大幅提高。

图1 新型γ射线料位计配置示意

图2 新型γ射线料位计原理示意

b) 探测器由最早的电离室改为灵敏度更高的PVT闪烁探测器，质量降低至以前的1/10，便于安装，稳定性也更好。

2) 与中子料位计相比较，新型γ射线料位计具有以下优势：

a) 料位指示值是直接测量的结果，真实直观。可以方便动态观测消泡剂的实际使用效果，节省消泡剂的使用量，指导操作人员根据油品情况自由选择相应的停止进料位置。

b) 设备检修、仪表修理等无需拆源。因为Cs-137放射源屏蔽铅罐自带开关锁，只需将放射源屏蔽罐的开关置于“关”位，便于设备检修或拆卸探测器。

c) 放射源、探测器与焦炭塔体非接触。塔体无需开孔和预制件，不破坏保温层，根据工艺要求变更测量位置很方便。

d) 标定调试方便。只需“零位”与“满度”标定，“零位”标定在空塔时进行，“满度”标定值可用关闭放射源时探测器显示值代替，无需充水或注入渣油。

e) γ射线方向性好，无散射，有利于卫生防护工作。

武汉石化1号延迟焦化装置0.4 Mt/a始建于1997年，利用热电偶测量焦炭塔壁温，根据壁温判断塔内料位；1999年，装置扩能至0.6 Mt/a，变为两炉四塔，为确保安全生产，焦炭塔增加了加注消泡剂系统，并利用γ射线料位计进行点式测量(放射源为Co-60，其射线穿透能力强、射程远)，每塔采用2点测量，进行高料位和高高料位超限报警。

2007年新建2号延迟焦化装置1.2 Mt/a，焦炭塔的料位测量则是利用新型γ射线料位计连续测量(放射源为Cs-137，其半衰期长)，并用点式γ射线料位计进行高高料位超限报警。

武汉石化2号延迟焦化装置生产过程中，焦炭塔料位计料位测量在DCS上的趋势如图3所示。

图3 料位计料位测量在DCS上趋势示意

γ射线料位计安装在塔高19～27 m范围内，开始进料至A点前，泡沫在19 m以下尚未进入料位计的量程，所以输出为零；自A点后，泡沫前沿连续上升，至B点到料位计测量最高端，此时切换四通阀，该塔停止进料；C至E点为生焦阶段，至E点全部为焦炭，料位计指示降至相应最低点之后开始注水，后加大注水，料位指示快速增至最大，进出水达到平衡；H点开始除焦，料位开始下降，之后在J区域料位出现波动，缘由是除焦器及除焦水在塔内上下运动，阻挡了射线引起的指示波动；K点后面除焦结束，料位计归零。

由此，焦炭塔内生焦和除焦全过程能够通过料位计在DCS上的趋势图清晰准确地反映，可以有效防止塔顶沥青质泡沫夹带，避免造成焦炭塔顶至分馏塔油气管线和分馏塔底结焦或加热炉进料泵被焦粉堵塞。