華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065
放射性料位計在聚丙烯裝置中的設(shè)計及應(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
介紹放射性料位計的工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成;根據(jù)工程實際應(yīng)用,提出了放射性料位計選型的要點;結(jié)合聚丙烯裝置中脫氣倉料位限位檢測及氣鎖器料位連續(xù)測量的實際應(yīng)用,說明工程應(yīng)用中放射性料位計配置和計算。
放射性料位計 放射源 檢測器 選型 放射衛(wèi)生防護
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,其應(yīng)用在近20年來得到迅速發(fā)展。在聚丙烯裝置中,料位是一個關(guān)鍵的參數(shù),直接關(guān)系到裝置的安全運行及生產(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)料位儀表難以實現(xiàn)有效的測量;自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范HG/T 20507-2014中7.3.5條規(guī)定,“對于高溫、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量和連續(xù)測量,在使用其他料位儀表難以滿足測量要求時,可選用核輻射式測量儀表[1]”。放射性料位計作為一種有效的料位測量手段,可實現(xiàn)料位、密度及界面的測量,以其非接觸式測量、高靈敏度、高可靠性及多種解決方案等特點廣泛應(yīng)用于聚丙烯裝置料位測量。
1.1 測量原理
基于放射源產(chǎn)生的γ射線穿透被測容器及容器中的介質(zhì)時,射線被不同高度的物料所吸收,故測得被吸收而衰減的射線強度,可計算出物料的料位,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為射線穿過容器壁和介質(zhì)到達檢測器的射線的劑量,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),對于給定的放射源,μ1、μ可認為是常數(shù);d1、d分別為射線通過容器壁的路徑長度及通過物料的路徑長度,cm;ρ1、ρ分別為容器材質(zhì)密度及被測介質(zhì)的密度,g/cm3。
射線強度R由檢測器轉(zhuǎn)換成脈沖信號,該信號經(jīng)脈沖放大,整形,再經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換和線性補償處理,輸出4-20mA疊加HART信號至控制系統(tǒng)實現(xiàn)指示控制,放射性料位計原理見圖1。
圖1 放射性料位計原理圖
當(dāng)放射源和被測介質(zhì)一定時,由公式(1)可知,當(dāng)料位上升并遮擋住射線時,檢測器測到的射線強度減??;反之,當(dāng)料位下降時,檢測器測到的射線強度增大,因此,根據(jù)檢測器得到的射線的強弱,可以得出料位的高度。
1.2 系統(tǒng)構(gòu)成
放射性料位計由放射源、檢測器和二次儀表等三部分構(gòu)成,見圖1。
(1)放射源:工業(yè)過程控制放射源種類及特性見表1。
(2)檢測器:檢測器是放射源的接收器,其功能是接收γ射線強度信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號,通常有電離室型、GM(Geiger-Mueller)計數(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效率在20%~40%,計數(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屬于點檢測器;PVT屬于棒檢測器,長度0.5~2m可調(diào),均可用于料位測量。
表1 放射源種類及特性[3]
(3)二次儀表:主要由脈沖放大器、補償電路、轉(zhuǎn)換單元及電源組成。由于檢測器輸出的電脈沖信號較小,因而需要經(jīng)脈沖放大器放大和整形,并經(jīng)過補償電路補償測量線性及補償放射源隨時間的強度衰減,最終輸出標(biāo)準(zhǔn)4~20mA信號。
2.1 放射性料位計選型
2.1.1 放射源。
放射源的強度應(yīng)根據(jù)測量和安全要求進行選擇,應(yīng)使射線通過被測對象后,在工作現(xiàn)場的射線劑量盡可能小。工作現(xiàn)場的射線劑量當(dāng)量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護要求》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)工程中實際情況,通過計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)配氣動執(zhí)行結(jié)構(gòu),可遠程開/關(guān)放射源,并提供開/關(guān)限位信號至控制系統(tǒng)指示,且氣源故障時,源閘應(yīng)自動關(guān)閉[5]。
2.1.2 閃爍晶體
根據(jù)配置方案,若選擇點檢測器,閃爍晶體可選擇碘化鈉(NaI);若選擇棒檢測器,閃爍晶體可選擇塑料閃爍體(PVT)。
2.1.3 料位測量配置方案
(1)料位限位測量通常有兩種配置方案:① 點源和棒檢測器;② 點源和點檢測器。
(2)料位連續(xù)測量通常有三種配置方案:① 點源和棒檢測器,通用的配置方案,性價比高,適用于各種工況;② 棒源和點檢測器, 棒源的放射源僅可選擇鈷60,半衰期較短,且價格較高;③ 棒源和棒檢測器,適用于測量范圍太大,而檢測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)被測介質(zhì)的特性,容器的幾何形狀/材質(zhì)/壁厚、距離及測量目的等因素綜合考慮選擇[6]。
2.1.4 集成性
檢測器和二次儀表集成為一體。
2.1.5 其他要求
(1)測量儀表應(yīng)有衰變補償,以避免由于輻射源衰變而引起的測量誤差,提高運行的穩(wěn)定性和減少校驗次數(shù)。
(2) 輸出信號4-20mA疊加HART通訊協(xié)議,可利用HART手操器遠程修改、測試,盡量避免接觸現(xiàn)場儀表。
(3)滿足相應(yīng)的安全完整性等級(SIL)。
(4) 滿足相應(yīng)的防爆等級和防護等級。
(5) 滿足響應(yīng)時間和精度的要求。
(6) 因物料密度在一定范圍內(nèi)不斷變化,因此可增加密度測量作為料位計密度參數(shù)的修正。
2.2 聚丙烯裝置中的應(yīng)用
聚丙烯工藝流程中,受樹脂粉末的特性(易附著到測量儀表)和容器結(jié)構(gòu)的影響,常規(guī)料位儀表難以實現(xiàn)有效的測量;因此采用放射性料位計對反應(yīng)器、脫氣倉、氣鎖器等設(shè)備進行料位檢測和連續(xù)測量,根據(jù)被測介質(zhì)的特性、量程、設(shè)備的幾何形狀選擇合理的配置方案,本文僅以脫氣倉料位檢測和氣鎖器料位連續(xù)測量為例進行說明。
2.2.1 脫氣倉料位檢測
在某聚丙烯裝置項目中,采用放射性料位計對脫氣倉樹脂粉料料位進行檢測,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)器來的聚合物進入產(chǎn)品脫氣倉,氮氣自脫氣倉底部逆流而上,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)品脫氣倉進入產(chǎn)品清洗器,到達清洗器底部的聚合物即達到預(yù)期的質(zhì)量要求,脫氣倉料位PID見圖2。在脫氣倉控制方案中,料位檢測是一個至關(guān)重要的參數(shù),料位檢測的準(zhǔn)確與否對后續(xù)聚丙烯產(chǎn)品質(zhì)量和擠壓機的安全運行有很大的影響。設(shè)置1臺音叉料位計(LS-5009-1)和2臺放射性料位計(LS-5009-3A/B)對料位進行檢測,LS-5009-1進DCS實現(xiàn)報警聯(lián)鎖;LS-5009-3A/B進SIS系統(tǒng)用于安全聯(lián)鎖,料位低低時,關(guān)閉脫氣倉排料閥LV-5009-2,停旋轉(zhuǎn)給料器S-5015,停后續(xù)工段的擠壓機,保障系統(tǒng)的安全運行。
圖2 脫氣倉料位PID
該料位控制方案配置1個點源(LX-5009-3),2個棒檢測器(LT-5009-3A/B),點源和檢測器布置在脫氣倉中部距下切線上14.98m的位置,放射性料位計輸出4-20mA+HART信號,在SIS側(cè)設(shè)置低低料位報警值,表決邏輯為2選1,即任意1個檢測器檢測到低低料位將引發(fā)安全聯(lián)鎖,料位計布置見圖3。料位-脈沖計數(shù)率曲線見圖4。
圖3 脫氣倉料位檢測布置
圖4 料位-脈沖計數(shù)率曲線
從圖4可以看出,料位-脈沖計數(shù)率為1378,滿足料位限位要求。儀表外圍輻射劑量見表2。
表2 儀表外圍輻射劑量
2.2.2 氣鎖器料位連續(xù)測量
在某聚丙烯裝置項目中,反應(yīng)器的聚丙烯粉末通過壓差送至沉降器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,粉末輸送程序停止,氣鎖器料位PID見圖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)測量,并且料位低、低低信號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個點源 (s1-s6) ,選擇Cs137作為放射源,每個放射源最大發(fā)射角為45°,放射源置于源容器中,每個源容器配氣動執(zhí)行機構(gòu),實現(xiàn)遠程開/關(guān)控制,氣源故障時源閘關(guān)閉。配置3個棒檢測器(d1:1500mm;d2:2000mm ;d3:2000mm),棒檢測器選擇塑料閃爍體(PVT)、一體化變送器,帶衰變補償功能,并采用級聯(lián)方式,覆蓋工藝要求的4500mm測量范圍,實現(xiàn)料位連續(xù)測量,因聚丙烯粉末密度在一定范圍內(nèi)不斷變化,因此增加密度測量作為料位計密度參數(shù)的修正,輸出4~20mA疊加HART通訊協(xié)議至上位機進行指示調(diào)節(jié),點源和棒檢測器布置見圖6。
料位測量方案應(yīng)根據(jù)工程實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)生防護要求,經(jīng)計算得出,6個點源選擇活度分別為,s1:10 mCi;s2:8 mCi;s3:8 mCi;s4:6 mCi;s5:5 mCi;s6:5mCi;檢測器檢測到的脈沖計數(shù)率(cps)與料位關(guān)系見圖7。
圖6 氣鎖器料位測量配置圖示
圖7 料位-脈沖計數(shù)率曲線
從圖7可見,料位-脈沖計數(shù)率關(guān)系基本呈線性,料位4500mm范圍內(nèi)滿足0%~100%連續(xù)測量工藝要求。儀表外圍輻射劑量見表3。
從表2和表3可以看出,料位計附近輻射劑量完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護要求》GBZ 125的有關(guān)規(guī)定。且料位計的安裝位置應(yīng)盡量避開人員通過、停留的地方,避開平臺、爬梯、斜梯等,并在安裝位置1m處豎立警示牌,提醒相關(guān)人員注意遠離該區(qū)域。
表3 儀表外圍輻射劑量
放射性料位計在特殊工況中有其它常規(guī)料位儀表無法比擬的優(yōu)越性,在聚丙烯裝置粉料的測量中得到了廣泛的應(yīng)用;在進行儀表設(shè)計時,應(yīng)注意相關(guān)的特殊要求,在保證測量的前提下,選用較小活度的放射源,并采取嚴格的防護措施,確保放射源附近輻射劑量符合國家安全防護的相關(guān)規(guī)定[7]。
1 HG/T 20507-2014 自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范[S]. 北京:中國計劃出版社,2014:125-126.
2 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設(shè)計手冊(第三版)[M]..北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000:143-147.
3 張秉海,王 智. 核料位計的工作原理及相關(guān)知識[J]. 石油化工自動化,2007,43(05):84-85.
4 馬永成. 核料位計在聚丙烯反應(yīng)器中的應(yīng)用[J]. 石油化工自動化,2013,49(02):58-61.
5 GBZ 125-2009含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護要求[S]. 北京:標(biāo)準(zhǔn)化出版社,2010.
6 宋兆季. 核料位計在聚丙烯裝置中的應(yīng)用和改進[J]. 儀器儀表用戶,2011,18(05):52-55
7 徐 偉. 放射性料位計的使用及安全防護[J]. 醫(yī)藥工程設(shè)計,2004,25(03):37-39.
*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。聯(lián)系電話:15829263680,
E-mail:zzx2190@chinahualueng.com。
2017-05-27)