物位測量是石油化工裝置中一類重要參數(shù)測量, 物位測量包括介質的料位、液位、界位的測量, 一般測量裝置設備或反應容器內(nèi)的介質高度。石油化工裝置大多數(shù)工藝介質為液態(tài), 因此, 物位測量應用***多的是介質的液位測量。

液位測量儀表按測量原理劃分, 有直讀式、浮力式、光學式、電氣式、差壓式、聲波式、輻射式等, 不同的液位測量儀表有不同的適用場合。對于高溫、高壓容器, 或設備內(nèi)介質具有強腐蝕、劇毒、易結晶等特性, 常規(guī)的液位測量儀表并不適用, 而輻射式液位測量儀表可以解決這類苛刻工況的測量要求。

放射性同位素在其衰變過程中可以放出一種特殊的、帶有一定能量的粒子或射線, 這種現(xiàn)象稱為放射性或核輻射。根據(jù)放射性同位素的特點, 在石化行業(yè)中設計成一類輻射式液位計, 其中, γ射線液位計應用***為廣泛。

本篇論文討論的就是具有高壓工況的液位測量, 在某些樹脂加氫裝置中, 加氫反應器的壓力高達18.0MPa, 對于如此高的反應壓力, 采用γ射線液位計是***優(yōu)選擇, 不需要在高壓設備上開設儀表接口, 避免接口泄露危險, 同時又可以完成對液位的實時監(jiān)測。

γ射線液位計基本原理是利用放射源產(chǎn)生的γ射線, 在穿過被測容器及容器內(nèi)的介質時, 射線會被不同高度液體所吸收, 因射線具有規(guī)律性的衰減特性, 因此, 只要測得因被吸收而衰減的射線強度, 就測得了相應的液位[1]。

γ射線液位計基本測量原理, 是利用γ射線具有穿透物質, 并在物質中減弱的特性, 對液位進行檢測。射線衰減規(guī)律遵從下式[1]:

M=M0 Ke-μρh

式中K=e-μ1ρ1d1為設備結構系數(shù)

M0:放射源的發(fā)射劑量

M:射線穿過設備壁和液體介質到達檢測器的剩余射線劑量

μ1, μ:分別為設備及液位介質的吸收系數(shù)

d1, h:分別為設備壁厚及液位高度

ρ1, ρ:分別為設備材質及被測介質的密度

依據(jù)射線的衰減規(guī)律計算公式, 當確定設備結構系數(shù)K及已知被測介質的吸收系數(shù)μ及密度ρ, 用固定劑量M0的射線穿透被測介質, 只需測得衰減后的射線劑量M, 便可計算出液位高度h。其中, 衰減后的射線強度M由檢測器檢測, 送至微處理器, 轉換成脈沖信號, 經(jīng)脈沖經(jīng)過放大、整形后、線性補償處理, ***終輸出4~20m A信號到顯示單元。典型原理如圖1所示:

γ射線液位計主要由放射源、檢測器、主機部分 (信號處理單元) 三部分組成。

放射性同位素中, 一般選用鈷銫-137 (Cs) 或-60 (Co) 作為放射源。放射源的形式根據(jù)被測容器實際情況, 可以設置成點源、棒源或多點源。放射源的選擇則需要綜合考慮, 銫-137 (Cs) 穿透介質能力弱于-60 (Co) , 被測介質密度較低、測量范圍較小時可選用, 鈷-60 (Co) 穿透介質能力強, 被測介質密度較高、測量范圍較大時可選用。

出于放射源的防護要求, 需要將放射源放入鉛容器中, 同時, 鉛容器一般帶有鎖閉裝置, 在裝置停工, 不需要測量液位時, 可以將放射源暫時關閉。

檢測器主要用于檢測射線, 放射源穿透設備及介質后, 剩余劑量的放射線將到達檢查器, 并由檢測器接收, 產(chǎn)生光信號進而轉化為電信號, 上傳至主機進行數(shù)據(jù)處理。

放射線照射到接收器閃爍晶體上, 會產(chǎn)生光子, 光子的能量被光電倍增管上光陰級材料中的電子吸收, 電子獲得光子的能量, 會逃離光陰級材料[2]。光電倍增管將電子能量進行放大, 并上傳至前置電路數(shù)據(jù)處理。

目前主要的閃爍晶體主要分PVT、Na I、光纖等[3]。

根據(jù)不同的放射源和檢測器的配置形態(tài), γ射線液位計的常用配置有如下圖2幾種:

筆者在某樹脂加氫裝置中采用的配置與圖2中常用配置稍有區(qū)別, 由于設計的樹脂加氫反應器設備直徑較小, 一個放射源無法滿足測

量量程要求, 因此采用了兩個放射源, 保證在整個量程范圍內(nèi)保證精度和線性。配置如圖3所示:

主機部分主要完成信號處理工作, , 一般由脈沖放大器、補償電路、轉換顯示單元組成。

脈沖放大器對接收到的信號進行脈沖放大和整形處理。補償電路分兩個部分, 一部分補償放射源隨時間的強度衰減, 另一部分補償測量線性。

筆者在裝置設計中選用的是德國伯托產(chǎn)品, 主機設計緊湊, 可以安裝在機柜間DCS機柜內(nèi), LB440主機CPU采用32位處理器, 運算精度高、性能高、操作簡單, 具有主機電路連續(xù)自動檢測, 標定數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)置的閃存中, 無需電池保護標定數(shù)據(jù)[4]。

為實現(xiàn)輸出信號與液位變化成線性關系, 通常有兩種處理方法, 一種是將棒狀源做成非線性結構來實現(xiàn)輸出信號的線性化, 另外一種是通過線性補償單元來實現(xiàn)輸入與輸出信號的線性化。筆者在裝置設計中選用液位計主機補償單元對液位信號進行線性補償, 由于如上圖3中放射源采用了兩個來擴大測量范圍, 因此補償后的線性如圖4

γ射線液位計中的放射源主要釋放γ射線, 對于人體可造成一定的輻射傷害, 實際使用中, 需要對輻射相關知識有所了解, 并嚴格遵照相關輻射源使用標準。

超過一定劑量的γ射線輻射, 對人體的可能造成傷害有:細胞損傷、DNA損傷、急慢性放射性疾病、皮膚眼睛體性腺等[5]。然而, 在環(huán)?？偩謱?gamma;射線的危害分類中, γ射線料位計中使用的放射源一般為IV類、V類放射源[6], 對人體的傷害不大, 平時工作中只要采取必要的防護措施基本無需擔心。

不同的放射源, 有其固定半衰期及儀表使用壽命, 當儀表出現(xiàn)測量誤差較大, 同時達到放射源半衰期, 應考慮更換放射源。更換下來的放射源應同當?shù)丨h(huán)保部門聯(lián)系并進行妥善處理, 不得當作一般廢舊物資隨意處理[7]。

從投入使用的樹脂加氫裝置操作運行情況來看, 在項目設計中應用γ射線液位計對加氫反應器液位進行實時監(jiān)控, 并設置相應報警聯(lián)鎖功能, 可實現(xiàn)反應器的動態(tài)安全平穩(wěn)運行, 為裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)運行提供有力保障。