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(zhì)的料位、液位、界位的測量, 一般測量裝置設(shè)備或反應(yīng)容器內(nèi)的介質(zhì)高度。石油化工裝置大多數(shù)工藝介質(zhì)為液態(tài), 因此, 物位測量應(yīng)用***多的是介質(zhì)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(xué)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(shè)備內(nèi)介質(zhì)具有強(qiáng)腐蝕、劇毒、易結(jié)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(shè)計成一類輻射式液位計, 其中, γ射線液位計應(yīng)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(yīng)器的壓力高達(dá)18.0MPa, 對于如此高的反應(yīng)壓力, 采用γ射線液位計是***優(yōu)選擇, 不需要在高壓設(shè)備上開設(shè)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(zhì)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(qiáng)度, 就測得了相應(yīng)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(zhì), 并在物質(zhì)中減弱的特性, 對液位進(jìn)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(shè)備結(jié)構(gòu)系數(shù)

M0:放射源的發(fā)射劑量

M:射線穿過設(shè)備壁和液體介質(zhì)到達(dá)檢測器的剩余射線劑量

μ1, μ:分別為設(shè)備及液位介質(zhì)的吸收系數(shù)

d1, h:分別為設(shè)備壁厚及液位高度

ρ1, ρ:分別為設(shè)備材質(zhì)及被測介質(zhì)的密度

依據(jù)射線的衰減規(guī)律計算公式, 當(dāng)確定設(shè)備結(jié)構(gòu)系數(shù)K及已知被測介質(zhì)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(zhì), 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(qiáng)度M由檢測器檢測, 送至微處理器, 轉(zhuǎn)換成脈沖信號, 經(jīng)脈沖經(jīng)過放大、整形后、線性補(bǔ)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(jī)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(shè)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(zhì)能力弱于-60 (Co) , 被測介質(zhì)密度較低、測量范圍較小時可選用, 鈷-60 (Co) 穿透介質(zhì)能力強(qiáng), 被測介質(zhì)密度較高、測量范圍較大時可選用。

出于放射源的防護(hù)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(guān)閉。

檢測器主要用于檢測射線, 放射源穿透設(shè)備及介質(zhì)后, 剩余劑量的放射線將到達(dá)檢查器, 并由檢測器接收, 產(chǎn)生光信號進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電信號, 上傳至主機(jī)進(jìn)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(jìn)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(shè)計的樹脂加氫反應(yīng)器設(shè)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(jī)部分主要完成信號處理工作, , 一般由脈沖放大器、補(bǔ)償電路、轉(zhuǎn)換顯示單元組成。

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

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

為實現(xiàn)輸出信號與液位變化成線性關(guān)系, 通常有兩種處理方法, 一種是將棒狀源做成非線性結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)輸出信號的線性化, 另外一種是通過線性補(bǔ)償單元來實現(xiàn)輸入與輸出信號的線性化。筆者在裝置設(shè)計中選用液位計主機(jī)補(bǔ)償單元對液位信號進(jìn)行線性補(bǔ)償, 由于如上圖3中放射源采用了兩個來擴(kuò)大測量范圍, 因此補(bǔ)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(guān)知識有所了解, 并嚴(yán)格遵照相關(guān)輻射源使用標(biāo)準(zhǔn)。

超過一定劑量的γ射線輻射, 對人體的可能造成傷害有:細(xì)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(hù)措施基本無需擔(dān)心。

不同的放射源, 有其固定半衰期及儀表使用壽命, 當(dāng)儀表出現(xiàn)測量誤差較大, 同時達(dá)到放射源半衰期, 應(yīng)考慮更換放射源。更換下來的放射源應(yīng)同當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門聯(lián)系并進(jìn)行妥善處理, 不得當(dāng)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(yùn)行情況來看, 在項目設(shè)計中應(yīng)用γ射線液位計對加氫反應(yīng)器液位進(jìn)行實時監(jiān)控, 并設(shè)置相應(yīng)報警聯(lián)鎖功能, 可實現(xiàn)反應(yīng)器的動態(tài)安全平穩(wěn)運(yùn)行, 為裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)運(yùn)行提供有力保障。