放射性料位计在HT-L粉煤加压气化项目中的应用①

郭宏远

(航天长征化学工程股份有限公司)

放射性料位计在HT-L粉煤加压气化项目中的应用①

郭宏远

(航天长征化学工程股份有限公司)

在阐述了放射性料位计的基本原理和结构组成的基础上，根据HT-L粉煤加压气化项目的实际需求，并结合物位计的选型原则，详细介绍了放射性料位计在粉煤加压气化项目中的实际应用，包括测量系统的设置、现场安装和使用过程中需注意的事项，对后续项目同类仪表的设计有一定的指导意义。

放射性料位计 粉煤加压气化 粉煤锁斗 粉煤给料罐

航天炉HT-L粉煤加压气化工艺技术，是将原料煤粉经过磨碎干燥后，加压输送至航天气化炉内，与氧气、蒸汽反应生成有效成分为氢气与一氧化碳的粗合成气的过程。在整个项目中，粉煤料位的监控是HT-L装置自动控制系统与安全生产的关键，因此需要选择合适的料位计进行监测。料位测量仪表的种类繁多，大致分为接触式与非接触式。现阶段常用的接触式料位计有浮子式料位计、磁致伸缩式料位计及电容式料位计等，典型的非接触式料位计有放射性料位计、超声波液位计及雷达液位计等。因为所测介质——粉煤为易挂料的粉粒状物料，常规的接触式料位计难以满足测量精度的要求，且容易发生故障；而在非接触式料位测量仪表中，由于容器内同时充有CO2，造成一部分煤粉细微颗粒漂浮在容器的上方，从而对雷达和超声波发生的信号造成干扰，降低了仪表测量的精度。而放射性料位计放射源的辐射不受被测物料化学性质、温度、压力及粘度等物理性质的影响，稳定性较好，并且后期不需要经常维护，因此目前在煤气化项目中被广泛应用于粉煤物料的料位监测。

1 放射性料位计

1.1 基本原理

放射性料位计通过射线来测量料位，是利用同位素放射原理通过检测射线衰减的程度来进行料位的测量，又称作核辐射料位计[1,2]。

放射性同位素能放射出α、β和γ射线，当射线自放射源射出后，穿过被测容器壁和内部的被测物料到达探测器时，射线被不同厚度的物料吸收而产生衰减，通过检测减弱后的射线强度可以间接得出被测物料料位的变化。当放射源与被测物料确定后，穿过物料的射线强度与物料的密度或厚度成反比，计算公式如下：

I=I0e-μρd

(1)

式中d——被测物料的厚度，m ；

I——探测器检测到的射线强度，Bq；

I0——初始射线强度，Bq；

μ——吸收系数，m2/kg；

ρ——被测物料的密度，kg/m3。

其中μ与放射源的类型有关，对于给定的放射源为常数。当所测物料密度不变时，I仅与介质的厚度d有关[2]。测量位置确定后，根据检测到的射线强度的大小，可以得出料位的高低。

1.2 基本构成

放射性料位计由放射源(包括放射源防护容器)、探测器和二次仪表构成[3]。放射源与探测器一般分别安装在被测设备的两侧，二次表根据具体需求安装在现场或主控室[4]，其构成如图1所示。

放射源固定在防护容器内，防护容器具有开关锁闭功能。当开关打开时，射线可以从狭窄的预留缝中射出，穿过容器和物料后被检测器接收，检测器将接收到的信号传给二次仪表。二次仪表将此信号转换成相对应的料位显示，并以4～20mA标准信号或开关报警信号输出至控制室。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[4]。脉冲放大器起脉冲放大和整形作用。补偿电路分两个部分，分别用于补偿测量线性与放射源随时间的强度衰减。目前大多数厂家已将二次仪表与探测器集成为一体[3]。

2 粉煤输送工艺和设备

粉煤加压和输送单元是HT-L粉煤加压气化工艺的重要环节之一，煤粉输送系统主要由粉煤贮罐(V-1601)、粉煤锁斗(V-1602)、粉煤给料罐(V-1603)组成，具体流程如图2所示。原料煤在研磨干燥完成后储存在常压粉煤贮罐内，通过粉煤锁斗常压进料，加压连通粉煤给料罐放料，循环运行[5]。

图2 HT-L粉煤输送流程

粉煤贮罐内的粉煤依靠自身重力作用落入粉煤锁斗，当锁斗内的粉煤到达设定的料位时，就切断与粉煤贮罐和所有低常压装置的联系，进行充压，所以必须为粉煤锁斗设置一个高料位开关(16LS-X106)；当锁斗的压力升高到与粉煤给料罐基本一致时，连通锁斗与给料罐之间的压力平衡管线进行压力平衡，粉煤再次依靠自身重力从锁斗落入给料罐，当粉煤锁斗达到设定的低料位(16LS-X103)后，关闭粉煤锁斗底部的切断阀，切断它与高压设备的联系，粉煤锁斗开始泄压至常压，然后再打开粉煤锁斗上部的进料阀，接收下一批煤粉。当粉煤锁斗再次充装升压完毕，且粉煤给料罐的料位降低到可以再接收新一批粉煤时，再依次打开连通二者的切断阀[4]，所以必须对粉煤给料罐设置低料位段的连续测量(16LS-X105)。同时为保证到达气化炉煤粉流量的稳定，必须保证粉煤给料罐的料位在最低限位(16LS-X104)以上。

粉煤锁斗(V-1602)直径4m，高约12m，最大工作压力5.3MPa，设计压力5.7MPa，工作温度0～110℃，介质为粉煤+CO2，设计温度130℃，保温层厚80mm。根据实际工艺要求，需要对粉煤锁斗(V-1602)的上段设置一个高料位开关(16LS-X106)，下段设置一个低料位开关(16LS-X103)，其检测点如图3所示。

图3 粉煤锁斗(V-1602)料位检测点示意图

粉煤给料罐(V-1603)直径5.5m，高约12m，最大工作压力5.3MPa，设计压力5.7MPa，最高工作温度110℃，设计温度130℃，保温层厚80mm。实际工艺要求粉煤给料罐(V-1603)的料位在±1 000mm之间可调，则设置一个范围为2 000mm的料位连续测量(16LS-X105)，并设置一个低低料位开关报警(16LS-X104)，其检测点如图4所示。

图4 粉煤给料罐(V-1603)料位检测点示意图

3 放射性料位计的选用

3.1 测量配置

放射性料位计的放射源与探测器均可以按照不同的测量要求做成点型、棒型，共有4种不同的搭配方式：点源/点探测器、点源/棒探测器、棒源/点探测器、棒源/棒探测器[4]。点放射源相比较于棒放射源，因为其剂量与强度相对较小，所以价格较低，更易于维护，且安全性更有保障。因此目前

在实际应用中，通常采用点放射源，很少使用棒放射源。对于料位的位式测量，即料位开关，通常采用点源/点探测器；对于料位的连续测量，通常采用点源/棒探测器[4]。

为取得良好的测量效果，必须根据料位的高度、设备壁厚、保温层厚度、设备尺寸、设备形状及介质类别等不同工艺环境，采用不同的放射源/探测器的配置方法。在HT-L项目中，料位开关16LS-X103、16LS-X104、16LS-X106均采用点源/点探测器的测量配置，对料位的连续测量16LS-X105采用点源/棒探测器方式。

3.2 放射源的选择

在放射性同位素放射出的α、β、γ3种射线中，γ射线的穿透力最强。放射性料位计一般采用γ射线[3]，放射源主要有两种：Cs-137和Co-60。这两种放射源的主要比较见表1。Cs-137产生的γ射线能量为0.66MeV，能量较小，穿透力较弱，易于屏蔽，可用于容器壁厚较小、低密度、量程小的工况，半衰期为30年，使用寿命较长，能满足长周期使用的料位检测。Co-60的γ射线能量有1.17 MeV和1.33 MeV两种，穿透力较强，半衰期为5.3a，常用于设备壁厚较大和距离较长的物位测量。

表1 常用放射源性能比较

按照放射源对人体健康和环境的潜在危害程度，从高到低分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5类。对于Ⅲ类放射源，由于业主在办理安全许可证时难度较高，需要周期特别长，花费的成本也比较高，所以在项目设计中尽量使用Ⅳ、Ⅴ类放射源。常用的Cs-137与Co-60放射源活度要求见表2。

表2 常用放射源的活度要求

在HT-L粉煤加压气化项目中，粉煤锁斗的直径为4m，料位开关16LS-X103、16LS-X106采用Cs-137作为放射源。由于粉煤给料罐的直径较长，为5.5m，所以对16LS-X104、16LT-X105采用Co-60作为放射源。并且，这两种放射源的活度均需满足Ⅳ类源的要求。

3.3 放射源出射角度

对于放射性料位开关，要求的点辐射源出射角度比较小，目前主流的放射性料位计生产厂家都设定在5、8、10、15°范围可选。料位开关16LS-X103、16LS-X106、16LS-X104选择最小档5°即可。对于料位的连续测量，则需要通过计算来确定出射角度的大小。根据实际工况，放射源安装在测量范围的中点，出射角度应为：

(2)

式中d——设备直径；

Lmax——最高料位；

Lmin——最低料位；

δ——设备壁厚与保温层厚度总和。

通过计算得出16LT-X105的放射源出射角度应为±11°，即22°，根据厂家提供的点放射源出射角度30、40、45、60°，选择30°档，即上下±15°。

3.4 放射源防护罐

由于射线对人体与环境具有放射危害，放射源必须被密封在防护罐中[3]。防护罐应有开关闸门，闸门在开关两位置均可加锁，出厂时须处于关闭状态且已上锁。开锁后拉出至限定位置即开启了放射源，工作期间开启状态加锁，应配有远程控制执行机构，可远程控制放射源罐的开关，并提供开、关信号输出线接口。目前γ射线最常用的防护罐是铅罐，其外形尺寸和开孔大小需要根据设计要求、测量配置、安全防护标准、活度要求和现场的安装条件确定[3]。

3.5 探测器

探测器用于检测穿过被测介质后的射线，并

转换成电信号输出至变送器。探测器根据敏感体分为盖革(Geiger Muller)计数管型、电离室型、闪烁晶体型和柔性光纤型探测器[2]。盖革计数管和电离室探测器均属于气体探测器，容易受温度的影响，必要时需要加温度补偿，探测效率较低，使用较少。闪烁晶体属于固体探测器，灵敏度好、计数率高、探测效率高、抗干扰能力强，是目前最常用的探测器[3]。

当前主要的闪烁晶体有碘化钠(NaI)晶体、有机塑料(PVT)晶体以及柔性光纤等。碘化钠(NaI)晶体属于无机闪烁体，探测效率高，但单位体积的价格很高，尺寸一般做得比较小，主要用于料位开关或点式探测器测量料位的测量系统。有机塑料(PVT)晶体属于有机塑料闪烁晶体，可以测量最长3m左右的料位，如果用级联探测器，长度就会更长，可用于料位的连续测量。光纤也属于有机闪烁晶体，比较柔软，可以适用于外形尺寸复杂的容器料位测量。

在HT-L项目中，放射性料位计均选用闪烁晶体探测器，料位开关选用碘化钠晶体(NaI)，而对料位的连续测量选用PVT晶体。

综上所述，粉煤锁斗(V-1602)与粉煤给料罐(V-1603)4个放射性料位计的选型见表3，测量系统配置分别如图5、6所示。

表3 放射性料位计选型

图5 粉煤锁斗(V-1602)放射性料位计测量系统

图6 粉煤给料罐(V-1603)放射性料位计测量系统

4 注意事项

随着仪表技术的不断发展，放射性料位计在使用时已经日趋安全，但是由于其辐射性，所以在设计与实际应用过程中必须注意以下几点：

a. 当放射性料位计的选型、配置都设计完毕，需要向生产厂商提供被测设备详图、料位计的支架安装图以及现场防护标准，以便于精确计算所需要的放射源数量。

b. 必须进行人体防护，放射源对人体的相对安全剂量在国家标准规范GBZ 125 2009《含密封源仪表的卫生防护标准》中有明确要求。HT-L粉煤加压气化项目现场为二级场所，在设计询价文件时应注明供货商必须严格遵守国家标准计算所需要的放射源剂量，并规定厂商提供的放射性料位计必须进行放射防护与安全验收检验，提供必需的人体防护和便携式辐射检测仪，并提供安装、调试、操作、维护及辐射安全防护等培训。

c. 放射性料位计必须由取得相关资格证书的专业人员实施安装维护，并且此专业人员必须熟悉现场环境、源容器的结构，掌握放射防护技能。

d. 安装与维护中的安全防护措施必须符合国家标准的有关规定。

e. 在放射性料位计安装、调试、校验、运行的过程中，要避免周围出现电磁干扰信号，如探伤作业等。

5 结束语

放射性料位计作为一种非接触式料位测量仪表，适用于测量煤粉料位等特殊工况，在煤气化项目中得到了广泛应用。在进行放射性料位计测量系统设计时，应综合考虑测量要求、设备、工艺参数、现场安装与施工条件以及对周围环境的影响，尽量选用较少剂量的放射源，以达到良好的屏蔽防护效果。并要求放射性料位计使用方(即项目业主)严格遵守国家有关规定，在实施项目之前，办理必要的安全许可证并通过环境影响报告的审批。在项目运行过程中，严格遵守安全卫生防护的规定，以保障操作人员健康，装置安全平稳运行。

[1] 邰秀凤.放射性物位计在物位测量中的应用[J].石油化工自动化，2007，43(6)：66～68.

[2] 赵珂.放射性物位计在连续重整装置中的应用[J].石油化工自动化，2009，45(6)：66～71.

[3] 董进泉.放射性物位计在多晶硅流化床反应器中的应用[J].科技创新与应用，2013，(27)：28～29.

[4] 蔡丹,魏庆韪.放射性料位计在聚丙烯装置中的应用[J].化工自动化及仪表,2015,42(6)：696～699.

[5] 刘明亮,毛炜,张占元，等.航天粉煤气化装置锁斗加压系统的改进与优化[J].中氮肥,2014,(4)：42～45.

郭宏远(1984-)，工程师，从事煤化工自动化设计工作，18611085056@163.com。

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