華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

放射性料位計(jì)在聚丙烯裝置中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張兆祥*何聯(lián)合
華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

介紹放射性料位計(jì)的工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成；根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用，提出了放射性料位計(jì)選型的要點(diǎn)；結(jié)合聚丙烯裝置中脫氣倉(cāng)料位限位檢測(cè)及氣鎖器料位連續(xù)測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用，說(shuō)明工程應(yīng)用中放射性料位計(jì)配置和計(jì)算。

放射性料位計(jì) 放射源 檢測(cè)器 選型 放射衛(wèi)生防護(hù)

聚丙烯塑料因其具有良好的耐熱性、耐腐蝕性、電絕緣性和密度低等特點(diǎn)，其應(yīng)用在近20年來(lái)得到迅速發(fā)展。在聚丙烯裝置中，料位是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，直接關(guān)系到裝置的安全運(yùn)行及生產(chǎn)性能；受聚丙烯工藝流程的溫度、壓力、粘度及容器結(jié)構(gòu)的影響，常規(guī)料位儀表難以實(shí)現(xiàn)有效的測(cè)量；自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范HG/T 20507-2014中7.3.5條規(guī)定，“對(duì)于高溫、高壓、黏附性大，腐蝕性大的塊狀、顆粒狀、粉粒狀物料的料位式測(cè)量和連續(xù)測(cè)量，在使用其他料位儀表難以滿足測(cè)量要求時(shí)，可選用核輻射式測(cè)量?jī)x表[1]”。放射性料位計(jì)作為一種有效的料位測(cè)量手段，可實(shí)現(xiàn)料位、密度及界面的測(cè)量，以其非接觸式測(cè)量、高靈敏度、高可靠性及多種解決方案等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于聚丙烯裝置料位測(cè)量。

1 測(cè)量原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 測(cè)量原理

基于放射源產(chǎn)生的γ射線穿透被測(cè)容器及容器中的介質(zhì)時(shí)，射線被不同高度的物料所吸收，故測(cè)得被吸收而衰減的射線強(qiáng)度，可計(jì)算出物料的料位，射線衰減呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系[2]：

R=R0Ke-μρd

(1)

K=e-μ1ρ1d1

式中，若發(fā)射源最大發(fā)射角α較小，d1可近似認(rèn)為容器2倍壁厚，K近似為設(shè)備結(jié)構(gòu)系數(shù)；R0為放射源的劑量，mCi；R為射線穿過(guò)容器壁和介質(zhì)到達(dá)檢測(cè)器的射線的劑量，mCi；μ1、μ分別為容器及介質(zhì)的吸收系數(shù)，(cm3/g)/cm，與放射源的類型有關(guān)，對(duì)于給定的放射源，μ1、μ可認(rèn)為是常數(shù)；d1、d分別為射線通過(guò)容器壁的路徑長(zhǎng)度及通過(guò)物料的路徑長(zhǎng)度，cm；ρ1、ρ分別為容器材質(zhì)密度及被測(cè)介質(zhì)的密度，g/cm3。

射線強(qiáng)度R由檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)脈沖放大，整形，再經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換和線性補(bǔ)償處理，輸出4-20mA疊加HART信號(hào)至控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指示控制，放射性料位計(jì)原理見(jiàn)圖1。

圖1 放射性料位計(jì)原理圖

當(dāng)放射源和被測(cè)介質(zhì)一定時(shí)，由公式(1)可知，當(dāng)料位上升并遮擋住射線時(shí)，檢測(cè)器測(cè)到的射線強(qiáng)度減小；反之，當(dāng)料位下降時(shí)，檢測(cè)器測(cè)到的射線強(qiáng)度增大，因此，根據(jù)檢測(cè)器得到的射線的強(qiáng)弱，可以得出料位的高度。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

放射性料位計(jì)由放射源、檢測(cè)器和二次儀表等三部分構(gòu)成，見(jiàn)圖1。

(1)放射源：工業(yè)過(guò)程控制放射源種類及特性見(jiàn)表1。

(2)檢測(cè)器：檢測(cè)器是放射源的接收器，其功能是接收γ射線強(qiáng)度信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通常有電離室型、GM(Geiger-Mueller)計(jì)數(shù)管型、柔性光纖型和閃爍晶體+光電倍增管型四種，其中閃爍晶體的檢測(cè)效率在20%～40%，計(jì)數(shù)率也較高，靈敏度高，穩(wěn)定性好，因此應(yīng)用較廣泛[4]。常用的閃爍晶體有碘化鈉(NaI)和塑料閃爍體(PVT)兩種，其中NaI屬于點(diǎn)檢測(cè)器；PVT屬于棒檢測(cè)器，長(zhǎng)度0.5～2m可調(diào)，均可用于料位測(cè)量。

表1 放射源種類及特性[3]

(3)二次儀表：主要由脈沖放大器、補(bǔ)償電路、轉(zhuǎn)換單元及電源組成。由于檢測(cè)器輸出的電脈沖信號(hào)較小，因而需要經(jīng)脈沖放大器放大和整形，并經(jīng)過(guò)補(bǔ)償電路補(bǔ)償測(cè)量線性及補(bǔ)償放射源隨時(shí)間的強(qiáng)度衰減，最終輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號(hào)。

2 設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1 放射性料位計(jì)選型

2.1.1 放射源。

放射源的強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)測(cè)量和安全要求進(jìn)行選擇，應(yīng)使射線通過(guò)被測(cè)對(duì)象后，在工作現(xiàn)場(chǎng)的射線劑量盡可能小。工作現(xiàn)場(chǎng)的射線劑量當(dāng)量應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護(hù)要求》GBZ 125的有關(guān)規(guī)定。

根據(jù)表1中放射源的特性，放射源的類型宜采用Cs137，并根據(jù)工程中實(shí)際情況，通過(guò)計(jì)算選擇合適的放射劑量；放射源應(yīng)置于源容器中，滿足相應(yīng)的安全要求，源容器應(yīng)配氣動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)，可遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)放射源，并提供開(kāi)/關(guān)限位信號(hào)至控制系統(tǒng)指示，且氣源故障時(shí)，源閘應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉[5]。

2.1.2 閃爍晶體

根據(jù)配置方案，若選擇點(diǎn)檢測(cè)器，閃爍晶體可選擇碘化鈉(NaI)；若選擇棒檢測(cè)器，閃爍晶體可選擇塑料閃爍體(PVT)。

2.1.3 料位測(cè)量配置方案

(1)料位限位測(cè)量通常有兩種配置方案：① 點(diǎn)源和棒檢測(cè)器；② 點(diǎn)源和點(diǎn)檢測(cè)器。

(2)料位連續(xù)測(cè)量通常有三種配置方案:① 點(diǎn)源和棒檢測(cè)器，通用的配置方案，性價(jià)比高，適用于各種工況；② 棒源和點(diǎn)檢測(cè)器, 棒源的放射源僅可選擇鈷60，半衰期較短，且價(jià)格較高；③ 棒源和棒檢測(cè)器，適用于測(cè)量范圍太大，而檢測(cè)器至放射源的距離較大的情況。

選擇何種配置方案應(yīng)根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的特性，容器的幾何形狀/材質(zhì)/壁厚、距離及測(cè)量目的等因素綜合考慮選擇[6]。

2.1.4 集成性

檢測(cè)器和二次儀表集成為一體。

2.1.5 其他要求

(1)測(cè)量?jī)x表應(yīng)有衰變補(bǔ)償，以避免由于輻射源衰變而引起的測(cè)量誤差，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性和減少校驗(yàn)次數(shù)。

(2) 輸出信號(hào)4-20mA疊加HART通訊協(xié)議，可利用HART手操器遠(yuǎn)程修改、測(cè)試，盡量避免接觸現(xiàn)場(chǎng)儀表。

(3)滿足相應(yīng)的安全完整性等級(jí)(SIL)。

(4) 滿足相應(yīng)的防爆等級(jí)和防護(hù)等級(jí)。

(5) 滿足響應(yīng)時(shí)間和精度的要求。

(6) 因物料密度在一定范圍內(nèi)不斷變化，因此可增加密度測(cè)量作為料位計(jì)密度參數(shù)的修正。

2.2 聚丙烯裝置中的應(yīng)用

聚丙烯工藝流程中，受樹(shù)脂粉末的特性(易附著到測(cè)量?jī)x表)和容器結(jié)構(gòu)的影響，常規(guī)料位儀表難以實(shí)現(xiàn)有效的測(cè)量；因此采用放射性料位計(jì)對(duì)反應(yīng)器、脫氣倉(cāng)、氣鎖器等設(shè)備進(jìn)行料位檢測(cè)和連續(xù)測(cè)量，根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的特性、量程、設(shè)備的幾何形狀選擇合理的配置方案，本文僅以脫氣倉(cāng)料位檢測(cè)和氣鎖器料位連續(xù)測(cè)量為例進(jìn)行說(shuō)明。

2.2.1 脫氣倉(cāng)料位檢測(cè)

在某聚丙烯裝置項(xiàng)目中，采用放射性料位計(jì)對(duì)脫氣倉(cāng)樹(shù)脂粉料料位進(jìn)行檢測(cè)，該聚丙烯裝置采用Dow公司的Unipol氣相法聚丙烯生產(chǎn)工藝技術(shù)，從反應(yīng)器來(lái)的聚合物進(jìn)入產(chǎn)品脫氣倉(cāng)，氮?dú)庾悦摎鈧}(cāng)底部逆流而上，脫除聚合物上吸附的部分烴類化合物；聚合物依靠重力從產(chǎn)品脫氣倉(cāng)進(jìn)入產(chǎn)品清洗器，到達(dá)清洗器底部的聚合物即達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量要求，脫氣倉(cāng)料位PID見(jiàn)圖2。在脫氣倉(cāng)控制方案中，料位檢測(cè)是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，料位檢測(cè)的準(zhǔn)確與否對(duì)后續(xù)聚丙烯產(chǎn)品質(zhì)量和擠壓機(jī)的安全運(yùn)行有很大的影響。設(shè)置1臺(tái)音叉料位計(jì)(LS-5009-1)和2臺(tái)放射性料位計(jì)(LS-5009-3A/B)對(duì)料位進(jìn)行檢測(cè)，LS-5009-1進(jìn)DCS實(shí)現(xiàn)報(bào)警聯(lián)鎖；LS-5009-3A/B進(jìn)SIS系統(tǒng)用于安全聯(lián)鎖，料位低低時(shí)，關(guān)閉脫氣倉(cāng)排料閥LV-5009-2，停旋轉(zhuǎn)給料器S-5015，停后續(xù)工段的擠壓機(jī)，保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

圖2 脫氣倉(cāng)料位PID

該料位控制方案配置1個(gè)點(diǎn)源(LX-5009-3)，2個(gè)棒檢測(cè)器(LT-5009-3A/B)，點(diǎn)源和檢測(cè)器布置在脫氣倉(cāng)中部距下切線上14.98m的位置，放射性料位計(jì)輸出4-20mA+HART信號(hào)，在SIS側(cè)設(shè)置低低料位報(bào)警值，表決邏輯為2選1，即任意1個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)到低低料位將引發(fā)安全聯(lián)鎖，料位計(jì)布置見(jiàn)圖3。料位-脈沖計(jì)數(shù)率曲線見(jiàn)圖4。

圖3 脫氣倉(cāng)料位檢測(cè)布置

圖4 料位-脈沖計(jì)數(shù)率曲線

從圖4可以看出，料位-脈沖計(jì)數(shù)率為1378，滿足料位限位要求。儀表外圍輻射劑量見(jiàn)表2。

表2 儀表外圍輻射劑量

2.2.2 氣鎖器料位連續(xù)測(cè)量

在某聚丙烯裝置項(xiàng)目中，反應(yīng)器的聚丙烯粉末通過(guò)壓差送至沉降器S-241A，聚合物粉末和未反應(yīng)單體在這里分離。粉末直接流入氣鎖器D-241A，當(dāng)氣鎖器裝滿時(shí)，粉末輸送程序停止，氣鎖器料位PID見(jiàn)圖5。

圖5 氣鎖器料位PID

在氣鎖器控制方案中，料位要求在設(shè)備4.5m范圍內(nèi)連續(xù)測(cè)量，并且料位低、低低信號(hào)去氣鎖器順序控制聯(lián)鎖；基于氣鎖器設(shè)備的特殊幾何形狀以及工藝要求，該料位配置方案設(shè)置6個(gè)點(diǎn)源 (s1-s6) ，選擇Cs137作為放射源，每個(gè)放射源最大發(fā)射角為45°，放射源置于源容器中，每個(gè)源容器配氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)控制，氣源故障時(shí)源閘關(guān)閉。配置3個(gè)棒檢測(cè)器(d1：1500mm；d2：2000mm ；d3：2000mm)，棒檢測(cè)器選擇塑料閃爍體(PVT)、一體化變送器，帶衰變補(bǔ)償功能，并采用級(jí)聯(lián)方式，覆蓋工藝要求的4500mm測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)料位連續(xù)測(cè)量，因聚丙烯粉末密度在一定范圍內(nèi)不斷變化，因此增加密度測(cè)量作為料位計(jì)密度參數(shù)的修正，輸出4～20mA疊加HART通訊協(xié)議至上位機(jī)進(jìn)行指示調(diào)節(jié)，點(diǎn)源和棒檢測(cè)器布置見(jiàn)圖6。

料位測(cè)量方案應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況及工藝要求選擇最優(yōu)配置方案及較小的放射源劑量，并滿足放射衛(wèi)生防護(hù)要求，經(jīng)計(jì)算得出，6個(gè)點(diǎn)源選擇活度分別為，s1：10 mCi；s2：8 mCi；s3：8 mCi；s4：6 mCi；s5：5 mCi；s6：5mCi；檢測(cè)器檢測(cè)到的脈沖計(jì)數(shù)率(cps)與料位關(guān)系見(jiàn)圖7。

圖6 氣鎖器料位測(cè)量配置圖示

圖7 料位-脈沖計(jì)數(shù)率曲線

從圖7可見(jiàn)，料位-脈沖計(jì)數(shù)率關(guān)系基本呈線性，料位4500mm范圍內(nèi)滿足0%～100%連續(xù)測(cè)量工藝要求。儀表外圍輻射劑量見(jiàn)表3。

從表2和表3可以看出，料位計(jì)附近輻射劑量完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護(hù)要求》GBZ 125的有關(guān)規(guī)定。且料位計(jì)的安裝位置應(yīng)盡量避開(kāi)人員通過(guò)、停留的地方，避開(kāi)平臺(tái)、爬梯、斜梯等，并在安裝位置1m處豎立警示牌，提醒相關(guān)人員注意遠(yuǎn)離該區(qū)域。

表3 儀表外圍輻射劑量

3 結(jié)語(yǔ)

放射性料位計(jì)在特殊工況中有其它常規(guī)料位儀表無(wú)法比擬的優(yōu)越性，在聚丙烯裝置粉料的測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用；在進(jìn)行儀表設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意相關(guān)的特殊要求，在保證測(cè)量的前提下，選用較小活度的放射源，并采取嚴(yán)格的防護(hù)措施，確保放射源附近輻射劑量符合國(guó)家安全防護(hù)的相關(guān)規(guī)定[7]。

1 HG/T 20507-2014 自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014：125-126.

2 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版)[M]..北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：143-147.

3 張秉海，王 智. 核料位計(jì)的工作原理及相關(guān)知識(shí)[J]. 石油化工自動(dòng)化，2007，43(05)：84-85.

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*張兆祥：工程師。2008年畢業(yè)于華北電力大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)。從事化工自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)。聯(lián)系電話：15829263680，

E-mail:zzx2190@chinahualueng.com。

2017-05-27)