放射性仪表在加氢装置中的应用

王晓光,董飞宇,张健,刘炎鑫

(陕煤集团榆林化学有限责任公司,陕西 榆林 719000)

1 研究背景及意义

1.1 加氢装置概述

煤焦油悬浮床加氢装置以粉煤热解装置所产的热解焦油和外购部分兰炭焦油为装置原料来生产轻质油组分;经原料预处理单元后将煤焦油分为含酚油、供氢溶剂原料油和悬浮床加氢反应的新鲜原料。含酚油经过甲醇水溶液萃取后制得粗酚,供氢溶剂原料油经过供氢溶剂加氢装置加氢后返回至悬浮床加氢反应进料缓冲罐作为悬浮床加氢裂化反应进料。悬浮床加氢裂化装置的主要产品为粗酚、加氢中油、中间中油、沥青等。其装置主要包括煤焦油分馏单元、酚油提酚单元、催化剂油浆配制单元、氢气压缩单元、悬浮床加氢反应分离单元、悬浮床加氢产物分馏单元、沥青成型单元、公用工程等相关辅助工程部分。

在加氢反应过程中,发生的化学反应非常复杂。原料油浆经悬浮床加氢进料泵进一步升压至 23.1 MPa 后,经第一悬浮床反应器R401、第二悬浮床反应器R402、第三悬浮床反应器R403,从第三悬浮床反应器R403顶部流出后降至 409 ℃左右送至悬浮床热高压分离罐中。反应产物经分离罐分离后,其中热中分油、温中分油、冷低分油及闪蒸油气进入悬浮床加氢产物分馏单元进行分馏,经悬浮床加氢产物分馏单元得到的中油产品送至下一装置进行产品精制。其中悬浮床反应器是核心反应设备,反应器相关运行参数能否正常显示是整个工艺装置运行的关键。运行参数是否准确、稳定是反应器能否稳定运行的关键点。

1.2 装置特点

煤焦油中的含氧量高,氧是含量最高的杂原子,这些氧化物包括苯酚、呋喃酚、醚和羧酸等。因此煤焦油加氢脱氧反应,是焦油加氢氢解反应中数量最大的一类反应。在催化剂和氢气的作用下,通过加氢脱氧反应,各种含氧化合物转化为不含氧的烃类和 H2O。烃类留在产品中,而 H2O 从反应物中脱除。不同类型的氧化物其加氢脱氧(HDO)活性变化很大。各研究单位总结氧化物 HDO 活性时指出,醚类 HDO 相对容易,呋喃类最不活泼,酚类居上述二者之间,而醇和酮则是最易转化的。

加氢装置反应介质为煤焦油馏分、催化剂、H2、C1～C4、H2S、有机酸、酚、CO、CO2、HCl、Hg 等,为高温高压临氢、高温硫、H2S 及有机酸腐蚀和固体颗粒磨蚀。内部为液、固、气三相物质,工况较为复杂。反应器内部温度、压力、密度是监测系统是否运行正常的关键参数。反应器的工艺条件和介质决定了其密度、料位测量的特殊性,即高可靠性、高稳定性。

2 放射性仪表

常规仪表在检测复杂工况参数时,因工况复杂因素(含固、气液固三相等)干扰,造成检测波动较大,表现为其稳定性、可靠性较差。在加氢反应器工况下 ,使用常规仪表测量的准确性较差,稳定及准确性得不到保证,使用核仪表是其唯一选择。核仪表射线同物质相互作用,发生吸收、散射或将被测物电离、激发现象,咖玛射线(γ)穿过物料被吸收而减弱,通过探测器检测伽马射线(γ)的强度,再经过转换器处理,得出所要的参数。利用这种原理,可用来测定质量、厚度、密度、料位、水分、灰分等重要参数。根据这些现象、原理,研制出各种各样核检测仪表。在常规仪表测量稳定性、准确性不能满足工艺监测的情况下,使用核仪表是目前解决该问题的优选办法。

2.1 核仪表组成

核仪表系统主要由放射源(核源)、辐射探测器、信号转换器、显示器四部分组成。下图为核料位示意图例。所用的放射源根据检测对象不同而选用α源、β源、γ源。在加氢装置中主要应用为γ源,图1中选γ源。

图1 核料位测量示意图

2.2 工作原理

在工业应用中, 钴-60半衰期5.3 a,铯-137半衰期30.2 a,钴-60和铯-137同位素能发射出很强的γ射线,应用较为普遍。放射源辐射的活度通常以Bq(贝可)计量,一般常用的放射源活度范围,钴-60为3.7×107Bq(1 mCi)～3×1010Bq(810 mCi);铯-137为3.7×107Bq(1 mCi)～3.7×1010Bq(1 Ci)。接收器主要由闪烁体、光电倍增管、前置放大电路组成,安装在被测容器另一侧,射线由闪烁计数器吸收。射线越强,电流脉冲数越多。该脉冲信号即可直接经整形后,由计数器计数并显示,又可经积分电路变成与脉冲数成正比的积分电压,再经电流放大和电桥电路,最终得到与物位相关的电流输出。写成数学公式如下:

I=I0×e-μ×ρ×d

其中I0为射线穿过物质前的射线强度,I为穿过密度为ρ、路径为d的物料后的射线强度,μ为吸收系数,与放射源的类型有关,对于给定的放射源,μ可以认为是常数,利用上式,当被测物质密度ρ一定时,可测出被测物质物位(液位)的高度即被测物质的厚度d。若被穿透物质的厚度d固定时,便可测出被测物质的密度ρ。采用核辐射检测器检测穿透物质后的剩余γ射线, 将其转换为电量的变化,并通过电子电路的转换处理,就可测出被测物位(界位)或密度。

2.3 功能说明

本装置选用BERTHOLD放射性仪表,主要有核料位计、密度计。由于放射源自然随机衰变 ,射线仪表是一种基于统计概率的测量仪表。工艺要求的精度越高 ,时间响应越小 ;仪表或探测器就需要测得越多的有效计数率。需同时考虑计算射线穿过设备壁、保温层等物质后探测器接收到的计数率大小 ,同时考虑安全问题。

反应构架4层R-401/R-402/403反应器上分别安装一枚射源,反应构架8层R-401/R-402/403反应器上分别安装一枚射源,反应构架9层V-404上安装3枚射源,反应构架10层V-404上安装1枚射源;催化剂油浆制备构架4层V-202/V-205分别安装一枚射源,减压站V-405安装3枚射源,V-502下部安装一枚射源,T-501下部安装一枚射源,T-502下部安装一枚射源,共计18枚放射源。放射源铯-137(Cs-137、Ⅳ类),现场的射线剂量当量应符合GBZ 125—2009标准规定的1级防护要求及防火,并装在专用容器内,专用容器外壳材质为不锈钢。放射源隔离装置外表面要有电离辐射警告标志。放射源宜带有遥控气动源阀,可以选程启动关闭源闸。

考虑到源的衰变,检测变送器需有衰变补偿功能,棒状探测应采用塑料闪烁体,温度稳定性±0.5%。同时变送器的内存储器有写保护功能、信号传输应能满足现场最远距离要求。可通过HART信号远程对仪表进行组态和调试。

3 安装及维护

3.1 安装难道较大

加氢装置中选用透射性仪表(核仪表的一种),放射源与监测器分别装于被测物质的两边,入射射线穿透物质时被减弱,同时探测器检测出射射线的剂量。当反应器内无料时,出射射线的剂量较强,反之较弱,安装示意图如图2。

图2 安装示意图

在加氢装置反应构架4层R-401/R-402/403反应器上分别安装一枚射源,反应构架8层R-401/R-402/403反应器上分别安装一枚射源,反应构架9层V-404上安装3枚射源,反应构架10层V-404上安装1枚射源;催化剂油浆制备构架4层V-202/V-205分别安装一枚射源,减压站V-405安装3枚射源,V-502下部安装一枚射源,T-501下部安装一枚射源,T-502下部安装一枚射源,共计18枚放射源。源于检测器安装位置的选择。反应器的制造由设备生产厂家完成,核仪表的制造归属仪表生产厂家,反应器制造时对应的源及检测器安装接口设计由设计院提供。设备制造厂在接口制造时按设计院接口图要求确定,在具体实施时接口确定时严格按图施工,不能考虑到现场实际应用需求,导致一些问题的发生。诸如位置选择不录,接口选择在设备的焊缝处,导致后期测量准确度下降,不能满足现场实际监测需要;或源安装位置选择较为随意,没有考虑到现场实际空间位置,太高不利于维护或太低不便于防护安全。

3.2 标定工作

在放射源、检测器安装到位,上电正常。现场工艺条件具备后,可以进入调试阶段。调试前检查内容:检查射源及检测器安装是否规范;检查射源闸门的开关位置,锁具是否完好;检测射源1 m处剂量率值,检测表面5 cm处剂量率有无异常;检查检测器接线是否正确、端子是否牢固;检测器上电,测量供电电压是否正常;连接通讯设备,调整基础参数,固件升级,启用检测器。

标定内容:打开射源闸门,检测表面及周围剂量率变化;检测射源对面或侧面接收器安装位置处剂量率值是否正常;通过通讯设备查看检测器接收到的信号强度(脉冲数);关闭射源闸门,用通讯设备标定接收器背景(环境本底);打开源门,确认设备内无物料,待接收器检测数据稳定,进行冷态空标;空标成功后,再次关闭源门,待检测器数值稳定后,进行冷态满标;冷态标定成功后,待工艺条件具备后,进物料升压、升温后进行实物标定,去除干扰因素。此时,标定工作基本完成。

在此特别说明,核源闸门的启闭在手动自锁和气动执行机构两种操作模式。其模式的选择要充分考虑使用、防护的安全。如采用手动模式,源的启闭需要操作人员现场手动操作,对操作人员的操作技能、防护方面的知识储有一定要求,避免因操作不当,如自锁不到位等导致源的退出,影响工艺参数监测。在使用气动执行机构时,要充分考虑气源或驱动信号中断情况下的状态影响,是否在工艺操作可接受的范围之内,如工艺条件不允许中断,要考虑故障情况下的源的正常运行,如加装气源储气罐作为储能装备。

3.3 故障及分析

常见故障现像较常见表现为:通讯设备无法通讯;检测器输出信号异常;检测器报故障;检测器检测不到信号或信号很弱;源门开关卡顿或源无法推送至套管内。

引起故障的主要因素可以分以下几点:通讯设备故障;检测器供电异常;检测器回路故障;检测器传感器损坏;检测器固件版本低;检测器安装位置不当;射源源门机械故障;射源剂量不足或计算不当;射源安装位置或方向不当;套管制造缺陷;设备内有介质;设备制造规格尺寸与设计不符;设备内有金属废料;设备内有搅拌器、搅拌轴;设备内件规格尺寸与设计不符;设备内件安装方位不当。

4 核仪表的防护

4.1 放射源的分类

根据放射源对人体可能的伤害程度,将放射源分为5类:

Ⅰ类放射源属极危险源,没有任何防护情况下,接触这类危险源几分钟到1 h就可致人死亡。Ⅱ类放射源属高危险源,没有防护情况下,接触这类危险源几小时至几天可以致人死亡。Ⅲ类放射源属中危险源,没有防护情况下,接触这类危险源几小时就可对人造成永久性损伤,接触几天至几周也可致人死亡。此三类放射源为危险放射源。Ⅳ类放射源属低危险源,基本不会对人造成永久性损伤,但对长时间、近距离接触这些放射源的人可能造成可恢复的临时性损伤。

Ⅴ类放射源属极低危险源,不会对人造成永久性损伤,在我国被盗或失控的放射源多数属于Ⅳ类放射源或Ⅴ类放射源,在本加氢装置中采用的核放射源为Cs-137,铯-137的半衰期较长达30 a,为Ⅴ类放射源。

4.2 仪表防护

辐射防护是研究保护人类、环境免受或少受辐射危害的应用性学科,核放射性仪表在加氢装置的应用,优选放射源Cs-137,为Ⅴ类放射源,属于密封性放射源,其本不会对人造成永久性损伤。但在特殊情况下,对长时间,近距离接触这些放射源的人可能造成可恢复的临时性损伤。悬浮床加氢装置反应单元R-401/R-402/403反应器和热高压分离罐因工况特殊,采用了放射性仪表测量设备内固液混合物介质密度、物位。其中放射性元素为Cs-137,是能量相对较低的一种放射性物质,装置中使用的放射源均属于Ⅳ类源,最大活度为2 000 mCi,离源1 m处剂量率均小于2.5 μSv/h,对人员健康几乎无影响。

源的防护,放射源安装在装置反应器框架R-401/R-402/403设备源支架处,远离地面,但工艺巡检人员在源附近活动较为频繁。鉴于放射源的特殊性,源附近设备明显的电离辐射警示标识并标有源的型号、核素名称、活度、辐射类型、厂家、出厂日期等相关信息,同时严禁无关人员进入核区域;放射源在装置停运时,应关闭闸源;核源巡检人员参照核料位计安装场所辐射水平检测方法,用检定合格的监测仪(辐射仪)定时监测源表面5 cm处、1 m处的周围剂量当量率,每占均需测5次取平均值作为测量值。并做好相关记录;同时参照《职业性外照射个人监测规范》对相关职业人员进行个人剂量监测。

制定辐射源管理制度,明确辐射源的日常管理、存储、报废等工作流程。组织相关人员参加辐射安全培训、个人剂量监测和职业健康检查并建立专项档案。

5 总结

总之,随着传感器技术、通讯技术、计算机技术的发展,常规仪表在复杂工况中应用有望取代核辐射仪表,但在苛刻工况中,常规仪表在短时期内还不具备取代核仪表的条件。核仪表在较长的一段时间内,在化工装置中的应用还是不可替代的。所以核放射仪表在工业装置应用的各阶段,在设计、生产、安装、维护各阶段都要考虑核辐射仪表本身的特殊性,充分考虑到核仪表巡检、维护的便捷、检测数据的可靠,同时考虑防护的安全性及对环境的影响。