放射性料位計(jì)在HT-L粉煤加壓氣化項(xiàng)目中的應(yīng)用①

郭宏遠(yuǎn)

(航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司)

放射性料位計(jì)在HT-L粉煤加壓氣化項(xiàng)目中的應(yīng)用①

郭宏遠(yuǎn)

(航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司)

在闡述了放射性料位計(jì)的基本原理和結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上，根據(jù)HT-L粉煤加壓氣化項(xiàng)目的實(shí)際需求，并結(jié)合物位計(jì)的選型原則，詳細(xì)介紹了放射性料位計(jì)在粉煤加壓氣化項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用，包括測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)安裝和使用過(guò)程中需注意的事項(xiàng)，對(duì)后續(xù)項(xiàng)目同類儀表的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

放射性料位計(jì) 粉煤加壓氣化 粉煤鎖斗 粉煤給料罐

航天爐HT-L粉煤加壓氣化工藝技術(shù)，是將原料煤粉經(jīng)過(guò)磨碎干燥后，加壓輸送至航天氣化爐內(nèi)，與氧氣、蒸汽反應(yīng)生成有效成分為氫氣與一氧化碳的粗合成氣的過(guò)程。在整個(gè)項(xiàng)目中，粉煤料位的監(jiān)控是HT-L裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)與安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，因此需要選擇合適的料位計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。料位測(cè)量?jī)x表的種類繁多，大致分為接觸式與非接觸式。現(xiàn)階段常用的接觸式料位計(jì)有浮子式料位計(jì)、磁致伸縮式料位計(jì)及電容式料位計(jì)等，典型的非接觸式料位計(jì)有放射性料位計(jì)、超聲波液位計(jì)及雷達(dá)液位計(jì)等。因?yàn)樗鶞y(cè)介質(zhì)——粉煤為易掛料的粉粒狀物料，常規(guī)的接觸式料位計(jì)難以滿足測(cè)量精度的要求，且容易發(fā)生故障；而在非接觸式料位測(cè)量?jī)x表中，由于容器內(nèi)同時(shí)充有CO2，造成一部分煤粉細(xì)微顆粒漂浮在容器的上方，從而對(duì)雷達(dá)和超聲波發(fā)生的信號(hào)造成干擾，降低了儀表測(cè)量的精度。而放射性料位計(jì)放射源的輻射不受被測(cè)物料化學(xué)性質(zhì)、溫度、壓力及粘度等物理性質(zhì)的影響，穩(wěn)定性較好，并且后期不需要經(jīng)常維護(hù)，因此目前在煤氣化項(xiàng)目中被廣泛應(yīng)用于粉煤物料的料位監(jiān)測(cè)。

1 放射性料位計(jì)

1.1 基本原理

放射性料位計(jì)通過(guò)射線來(lái)測(cè)量料位，是利用同位素放射原理通過(guò)檢測(cè)射線衰減的程度來(lái)進(jìn)行料位的測(cè)量，又稱作核輻射料位計(jì)[1,2]。

放射性同位素能放射出α、β和γ射線，當(dāng)射線自放射源射出后，穿過(guò)被測(cè)容器壁和內(nèi)部的被測(cè)物料到達(dá)探測(cè)器時(shí)，射線被不同厚度的物料吸收而產(chǎn)生衰減，通過(guò)檢測(cè)減弱后的射線強(qiáng)度可以間接得出被測(cè)物料料位的變化。當(dāng)放射源與被測(cè)物料確定后，穿過(guò)物料的射線強(qiáng)度與物料的密度或厚度成反比，計(jì)算公式如下：

I=I0e-μρd

(1)

式中d——被測(cè)物料的厚度，m ；

I——探測(cè)器檢測(cè)到的射線強(qiáng)度，Bq；

I0——初始射線強(qiáng)度，Bq；

μ——吸收系數(shù)，m2/kg；

ρ——被測(cè)物料的密度，kg/m3。

其中μ與放射源的類型有關(guān)，對(duì)于給定的放射源為常數(shù)。當(dāng)所測(cè)物料密度不變時(shí)，I僅與介質(zhì)的厚度d有關(guān)[2]。測(cè)量位置確定后，根據(jù)檢測(cè)到的射線強(qiáng)度的大小，可以得出料位的高低。

1.2 基本構(gòu)成

放射性料位計(jì)由放射源(包括放射源防護(hù)容器)、探測(cè)器和二次儀表構(gòu)成[3]。放射源與探測(cè)器一般分別安裝在被測(cè)設(shè)備的兩側(cè)，二次表根據(jù)具體需求安裝在現(xiàn)場(chǎng)或主控室[4]，其構(gòu)成如圖1所示。

放射源固定在防護(hù)容器內(nèi)，防護(hù)容器具有開(kāi)關(guān)鎖閉功能。當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，射線可以從狹窄的預(yù)留縫中射出，穿過(guò)容器和物料后被檢測(cè)器接收，檢測(cè)器將接收到的信號(hào)傳給二次儀表。二次儀表將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的料位顯示，并以4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)或開(kāi)關(guān)報(bào)警信號(hào)輸出至控制室。二次儀表由脈沖放大器、補(bǔ)償電路、轉(zhuǎn)換顯示單元和電源部分組成[4]。脈沖放大器起脈沖放大和整形作用。補(bǔ)償電路分兩個(gè)部分，分別用于補(bǔ)償測(cè)量線性與放射源隨時(shí)間的強(qiáng)度衰減。目前大多數(shù)廠家已將二次儀表與探測(cè)器集成為一體[3]。

2 粉煤輸送工藝和設(shè)備

粉煤加壓和輸送單元是HT-L粉煤加壓氣化工藝的重要環(huán)節(jié)之一，煤粉輸送系統(tǒng)主要由粉煤貯罐(V-1601)、粉煤鎖斗(V-1602)、粉煤給料罐(V-1603)組成，具體流程如圖2所示。原料煤在研磨干燥完成后儲(chǔ)存在常壓粉煤貯罐內(nèi)，通過(guò)粉煤鎖斗常壓進(jìn)料，加壓連通粉煤給料罐放料，循環(huán)運(yùn)行[5]。

圖2 HT-L粉煤輸送流程

粉煤貯罐內(nèi)的粉煤依靠自身重力作用落入粉煤鎖斗，當(dāng)鎖斗內(nèi)的粉煤到達(dá)設(shè)定的料位時(shí)，就切斷與粉煤貯罐和所有低常壓裝置的聯(lián)系，進(jìn)行充壓，所以必須為粉煤鎖斗設(shè)置一個(gè)高料位開(kāi)關(guān)(16LS-X106)；當(dāng)鎖斗的壓力升高到與粉煤給料罐基本一致時(shí)，連通鎖斗與給料罐之間的壓力平衡管線進(jìn)行壓力平衡，粉煤再次依靠自身重力從鎖斗落入給料罐，當(dāng)粉煤鎖斗達(dá)到設(shè)定的低料位(16LS-X103)后，關(guān)閉粉煤鎖斗底部的切斷閥，切斷它與高壓設(shè)備的聯(lián)系，粉煤鎖斗開(kāi)始泄壓至常壓，然后再打開(kāi)粉煤鎖斗上部的進(jìn)料閥，接收下一批煤粉。當(dāng)粉煤鎖斗再次充裝升壓完畢，且粉煤給料罐的料位降低到可以再接收新一批粉煤時(shí)，再依次打開(kāi)連通二者的切斷閥[4]，所以必須對(duì)粉煤給料罐設(shè)置低料位段的連續(xù)測(cè)量(16LS-X105)。同時(shí)為保證到達(dá)氣化爐煤粉流量的穩(wěn)定，必須保證粉煤給料罐的料位在最低限位(16LS-X104)以上。

粉煤鎖斗(V-1602)直徑4m，高約12m，最大工作壓力5.3MPa，設(shè)計(jì)壓力5.7MPa，工作溫度0～110℃，介質(zhì)為粉煤+CO2，設(shè)計(jì)溫度130℃，保溫層厚80mm。根據(jù)實(shí)際工藝要求，需要對(duì)粉煤鎖斗(V-1602)的上段設(shè)置一個(gè)高料位開(kāi)關(guān)(16LS-X106)，下段設(shè)置一個(gè)低料位開(kāi)關(guān)(16LS-X103)，其檢測(cè)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 粉煤鎖斗(V-1602)料位檢測(cè)點(diǎn)示意圖

粉煤給料罐(V-1603)直徑5.5m，高約12m，最大工作壓力5.3MPa，設(shè)計(jì)壓力5.7MPa，最高工作溫度110℃，設(shè)計(jì)溫度130℃，保溫層厚80mm。實(shí)際工藝要求粉煤給料罐(V-1603)的料位在±1 000mm之間可調(diào)，則設(shè)置一個(gè)范圍為2 000mm的料位連續(xù)測(cè)量(16LS-X105)，并設(shè)置一個(gè)低低料位開(kāi)關(guān)報(bào)警(16LS-X104)，其檢測(cè)點(diǎn)如圖4所示。

圖4 粉煤給料罐(V-1603)料位檢測(cè)點(diǎn)示意圖

3 放射性料位計(jì)的選用

3.1 測(cè)量配置

放射性料位計(jì)的放射源與探測(cè)器均可以按照不同的測(cè)量要求做成點(diǎn)型、棒型，共有4種不同的搭配方式：點(diǎn)源/點(diǎn)探測(cè)器、點(diǎn)源/棒探測(cè)器、棒源/點(diǎn)探測(cè)器、棒源/棒探測(cè)器[4]。點(diǎn)放射源相比較于棒放射源，因?yàn)槠鋭┝颗c強(qiáng)度相對(duì)較小，所以價(jià)格較低，更易于維護(hù)，且安全性更有保障。因此目前

在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用點(diǎn)放射源，很少使用棒放射源。對(duì)于料位的位式測(cè)量，即料位開(kāi)關(guān)，通常采用點(diǎn)源/點(diǎn)探測(cè)器；對(duì)于料位的連續(xù)測(cè)量，通常采用點(diǎn)源/棒探測(cè)器[4]。

為取得良好的測(cè)量效果，必須根據(jù)料位的高度、設(shè)備壁厚、保溫層厚度、設(shè)備尺寸、設(shè)備形狀及介質(zhì)類別等不同工藝環(huán)境，采用不同的放射源/探測(cè)器的配置方法。在HT-L項(xiàng)目中，料位開(kāi)關(guān)16LS-X103、16LS-X104、16LS-X106均采用點(diǎn)源/點(diǎn)探測(cè)器的測(cè)量配置，對(duì)料位的連續(xù)測(cè)量16LS-X105采用點(diǎn)源/棒探測(cè)器方式。

3.2 放射源的選擇

在放射性同位素放射出的α、β、γ3種射線中，γ射線的穿透力最強(qiáng)。放射性料位計(jì)一般采用γ射線[3]，放射源主要有兩種：Cs-137和Co-60。這兩種放射源的主要比較見(jiàn)表1。Cs-137產(chǎn)生的γ射線能量為0.66MeV，能量較小，穿透力較弱，易于屏蔽，可用于容器壁厚較小、低密度、量程小的工況，半衰期為30年，使用壽命較長(zhǎng)，能滿足長(zhǎng)周期使用的料位檢測(cè)。Co-60的γ射線能量有1.17 MeV和1.33 MeV兩種，穿透力較強(qiáng)，半衰期為5.3a，常用于設(shè)備壁厚較大和距離較長(zhǎng)的物位測(cè)量。

表1 常用放射源性能比較

按照放射源對(duì)人體健康和環(huán)境的潛在危害程度，從高到低分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5類。對(duì)于Ⅲ類放射源，由于業(yè)主在辦理安全許可證時(shí)難度較高，需要周期特別長(zhǎng)，花費(fèi)的成本也比較高，所以在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中盡量使用Ⅳ、Ⅴ類放射源。常用的Cs-137與Co-60放射源活度要求見(jiàn)表2。

表2 常用放射源的活度要求

在HT-L粉煤加壓氣化項(xiàng)目中，粉煤鎖斗的直徑為4m，料位開(kāi)關(guān)16LS-X103、16LS-X106采用Cs-137作為放射源。由于粉煤給料罐的直徑較長(zhǎng)，為5.5m，所以對(duì)16LS-X104、16LT-X105采用Co-60作為放射源。并且，這兩種放射源的活度均需滿足Ⅳ類源的要求。

3.3 放射源出射角度

對(duì)于放射性料位開(kāi)關(guān)，要求的點(diǎn)輻射源出射角度比較小，目前主流的放射性料位計(jì)生產(chǎn)廠家都設(shè)定在5、8、10、15°范圍可選。料位開(kāi)關(guān)16LS-X103、16LS-X106、16LS-X104選擇最小檔5°即可。對(duì)于料位的連續(xù)測(cè)量，則需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定出射角度的大小。根據(jù)實(shí)際工況，放射源安裝在測(cè)量范圍的中點(diǎn)，出射角度應(yīng)為：

(2)

式中d——設(shè)備直徑；

Lmax——最高料位；

Lmin——最低料位；

δ——設(shè)備壁厚與保溫層厚度總和。

通過(guò)計(jì)算得出16LT-X105的放射源出射角度應(yīng)為±11°，即22°，根據(jù)廠家提供的點(diǎn)放射源出射角度30、40、45、60°，選擇30°檔，即上下±15°。

3.4 放射源防護(hù)罐

由于射線對(duì)人體與環(huán)境具有放射危害，放射源必須被密封在防護(hù)罐中[3]。防護(hù)罐應(yīng)有開(kāi)關(guān)閘門，閘門在開(kāi)關(guān)兩位置均可加鎖，出廠時(shí)須處于關(guān)閉狀態(tài)且已上鎖。開(kāi)鎖后拉出至限定位置即開(kāi)啟了放射源，工作期間開(kāi)啟狀態(tài)加鎖，應(yīng)配有遠(yuǎn)程控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可遠(yuǎn)程控制放射源罐的開(kāi)關(guān)，并提供開(kāi)、關(guān)信號(hào)輸出線接口。目前γ射線最常用的防護(hù)罐是鉛罐，其外形尺寸和開(kāi)孔大小需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求、測(cè)量配置、安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、活度要求和現(xiàn)場(chǎng)的安裝條件確定[3]。

3.5 探測(cè)器

探測(cè)器用于檢測(cè)穿過(guò)被測(cè)介質(zhì)后的射線，并

轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出至變送器。探測(cè)器根據(jù)敏感體分為蓋革(Geiger Muller)計(jì)數(shù)管型、電離室型、閃爍晶體型和柔性光纖型探測(cè)器[2]。蓋革計(jì)數(shù)管和電離室探測(cè)器均屬于氣體探測(cè)器，容易受溫度的影響，必要時(shí)需要加溫度補(bǔ)償，探測(cè)效率較低，使用較少。閃爍晶體屬于固體探測(cè)器，靈敏度好、計(jì)數(shù)率高、探測(cè)效率高、抗干擾能力強(qiáng)，是目前最常用的探測(cè)器[3]。

當(dāng)前主要的閃爍晶體有碘化鈉(NaI)晶體、有機(jī)塑料(PVT)晶體以及柔性光纖等。碘化鈉(NaI)晶體屬于無(wú)機(jī)閃爍體，探測(cè)效率高，但單位體積的價(jià)格很高，尺寸一般做得比較小，主要用于料位開(kāi)關(guān)或點(diǎn)式探測(cè)器測(cè)量料位的測(cè)量系統(tǒng)。有機(jī)塑料(PVT)晶體屬于有機(jī)塑料閃爍晶體，可以測(cè)量最長(zhǎng)3m左右的料位，如果用級(jí)聯(lián)探測(cè)器，長(zhǎng)度就會(huì)更長(zhǎng)，可用于料位的連續(xù)測(cè)量。光纖也屬于有機(jī)閃爍晶體，比較柔軟，可以適用于外形尺寸復(fù)雜的容器料位測(cè)量。

在HT-L項(xiàng)目中，放射性料位計(jì)均選用閃爍晶體探測(cè)器，料位開(kāi)關(guān)選用碘化鈉晶體(NaI)，而對(duì)料位的連續(xù)測(cè)量選用PVT晶體。

綜上所述，粉煤鎖斗(V-1602)與粉煤給料罐(V-1603)4個(gè)放射性料位計(jì)的選型見(jiàn)表3，測(cè)量系統(tǒng)配置分別如圖5、6所示。

表3 放射性料位計(jì)選型

圖5 粉煤鎖斗(V-1602)放射性料位計(jì)測(cè)量系統(tǒng)

圖6 粉煤給料罐(V-1603)放射性料位計(jì)測(cè)量系統(tǒng)

4 注意事項(xiàng)

隨著儀表技術(shù)的不斷發(fā)展，放射性料位計(jì)在使用時(shí)已經(jīng)日趨安全，但是由于其輻射性，所以在設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中必須注意以下幾點(diǎn)：

a. 當(dāng)放射性料位計(jì)的選型、配置都設(shè)計(jì)完畢，需要向生產(chǎn)廠商提供被測(cè)設(shè)備詳圖、料位計(jì)的支架安裝圖以及現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，以便于精確計(jì)算所需要的放射源數(shù)量。

b. 必須進(jìn)行人體防護(hù)，放射源對(duì)人體的相對(duì)安全劑量在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GBZ 125 2009《含密封源儀表的衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》中有明確要求。HT-L粉煤加壓氣化項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)為二級(jí)場(chǎng)所，在設(shè)計(jì)詢價(jià)文件時(shí)應(yīng)注明供貨商必須嚴(yán)格遵守國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算所需要的放射源劑量，并規(guī)定廠商提供的放射性料位計(jì)必須進(jìn)行放射防護(hù)與安全驗(yàn)收檢驗(yàn)，提供必需的人體防護(hù)和便攜式輻射檢測(cè)儀，并提供安裝、調(diào)試、操作、維護(hù)及輻射安全防護(hù)等培訓(xùn)。

c. 放射性料位計(jì)必須由取得相關(guān)資格證書(shū)的專業(yè)人員實(shí)施安裝維護(hù)，并且此專業(yè)人員必須熟悉現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、源容器的結(jié)構(gòu)，掌握放射防護(hù)技能。

d. 安裝與維護(hù)中的安全防護(hù)措施必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。

e. 在放射性料位計(jì)安裝、調(diào)試、校驗(yàn)、運(yùn)行的過(guò)程中，要避免周圍出現(xiàn)電磁干擾信號(hào)，如探傷作業(yè)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

放射性料位計(jì)作為一種非接觸式料位測(cè)量?jī)x表，適用于測(cè)量煤粉料位等特殊工況，在煤氣化項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。在進(jìn)行放射性料位計(jì)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮測(cè)量要求、設(shè)備、工藝參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)安裝與施工條件以及對(duì)周圍環(huán)境的影響，盡量選用較少劑量的放射源，以達(dá)到良好的屏蔽防護(hù)效果。并要求放射性料位計(jì)使用方(即項(xiàng)目業(yè)主)嚴(yán)格遵守國(guó)家有關(guān)規(guī)定，在實(shí)施項(xiàng)目之前，辦理必要的安全許可證并通過(guò)環(huán)境影響報(bào)告的審批。在項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中，嚴(yán)格遵守安全衛(wèi)生防護(hù)的規(guī)定，以保障操作人員健康，裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行。

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郭宏遠(yuǎn)(1984-)，工程師，從事煤化工自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作，18611085056@163.com。

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1000-3932(2017)03-0304-05

2016-09-04，

2017-01-04)