郭宏遠

(航天長征化學工程股份有限公司)

放射性料位計在HT-L粉煤加壓氣化項目中的應用①

郭宏遠

(航天長征化學工程股份有限公司)

在闡述了放射性料位計的基本原理和結(jié)構(gòu)組成的基礎上，根據(jù)HT-L粉煤加壓氣化項目的實際需求，并結(jié)合物位計的選型原則，詳細介紹了放射性料位計在粉煤加壓氣化項目中的實際應用，包括測量系統(tǒng)的設置、現(xiàn)場安裝和使用過程中需注意的事項，對后續(xù)項目同類儀表的設計有一定的指導意義。

放射性料位計 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)過磨碎干燥后，加壓輸送至航天氣化爐內(nèi)，與氧氣、蒸汽反應生成有效成分為氫氣與一氧化碳的粗合成氣的過程。在整個項目中，粉煤料位的監(jiān)控是HT-L裝置自動控制系統(tǒng)與安全生產(chǎn)的關鍵，因此需要選擇合適的料位計進行監(jiān)測。料位測量儀表的種類繁多，大致分為接觸式與非接觸式?，F(xiàn)階段常用的接觸式料位計有浮子式料位計、磁致伸縮式料位計及電容式料位計等，典型的非接觸式料位計有放射性料位計、超聲波液位計及雷達液位計等。因為所測介質(zhì)——粉煤為易掛料的粉粒狀物料，常規(guī)的接觸式料位計難以滿足測量精度的要求，且容易發(fā)生故障；而在非接觸式料位測量儀表中，由于容器內(nèi)同時充有CO2，造成一部分煤粉細微顆粒漂浮在容器的上方，從而對雷達和超聲波發(fā)生的信號造成干擾，降低了儀表測量的精度。而放射性料位計放射源的輻射不受被測物料化學性質(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，因此目前在煤氣化項目中被廣泛應用于粉煤物料的料位監(jiān)測。

1 放射性料位計

1.1 基本原理

放射性料位計通過射線來測量料位，是利用同位素放射原理通過檢測射線衰減的程度來進行料位的測量，又稱作核輻射料位計[1,2]。

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

I=I0e-μρd

(1)

式中d——被測物料的厚度，m ；

I——探測器檢測到的射線強度，Bq；

I0——初始射線強度，Bq；

μ——吸收系數(shù)，m2/kg；

ρ——被測物料的密度，kg/m3。

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

1.2 基本構(gòu)成

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

放射源固定在防護容器內(nèi)，防護容器具有開關鎖閉功能。當開關打開時，射線可以從狹窄的預留縫中射出，穿過容器和物料后被檢測器接收，檢測器將接收到的信號傳給二次儀表。二次儀表將此信號轉(zhuǎn)換成相對應的料位顯示，并以4～20mA標準信號或開關報警信號輸出至控制室。二次儀表由脈沖放大器、補償電路、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。補償電路分兩個部分，分別用于補償測量線性與放射源隨時間的強度衰減。目前大多數(shù)廠家已將二次儀表與探測器集成為一體[3]。

2 粉煤輸送工藝和設備

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存在常壓粉煤貯罐內(nèi)，通過粉煤鎖斗常壓進料，加壓連通粉煤給料罐放料，循環(huán)運行[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，當鎖斗內(nèi)的粉煤到達設定的料位時，就切斷與粉煤貯罐和所有低常壓裝置的聯(lián)系，進行充壓，所以必須為粉煤鎖斗設置一個高料位開關(16LS-X106)；當鎖斗的壓力升高到與粉煤給料罐基本一致時，連通鎖斗與給料罐之間的壓力平衡管線進行壓力平衡，粉煤再次依靠自身重力從鎖斗落入給料罐，當粉煤鎖斗達到設定的低料位(16LS-X103)后，關閉粉煤鎖斗底部的切斷閥，切斷它與高壓設備的聯(lián)系，粉煤鎖斗開始泄壓至常壓，然后再打開粉煤鎖斗上部的進料閥，接收下一批煤粉。當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，再依次打開連通二者的切斷閥[4]，所以必須對粉煤給料罐設置低料位段的連續(xù)測量(16LS-X105)。同時為保證到達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，設計壓力5.7MPa，工作溫度0～110℃，介質(zhì)為粉煤+CO2，設計溫度130℃，保溫層厚80mm。根據(jù)實際工藝要求，需要對粉煤鎖斗(V-1602)的上段設置一個高料位開關(16LS-X106)，下段設置一個低料位開關(16LS-X103)，其檢測點如圖3所示。

圖3 粉煤鎖斗(V-1602)料位檢測點示意圖

粉煤給料罐(V-1603)直徑5.5m，高約12m，最大工作壓力5.3MPa，設計壓力5.7MPa，最高工作溫度110℃，設計溫度130℃，保溫層厚80mm。實際工藝要求粉煤給料罐(V-1603)的料位在±1 000mm之間可調(diào)，則設置一個范圍為2 000mm的料位連續(xù)測量(16LS-X105)，并設置一個低低料位開關報警(16LS-X104)，其檢測點如圖4所示。

圖4 粉煤給料罐(V-1603)料位檢測點示意圖

3 放射性料位計的選用

3.1 測量配置

放射性料位計的放射源與探測器均可以按照不同的測量要求做成點型、棒型，共有4種不同的搭配方式：點源/點探測器、點源/棒探測器、棒源/點探測器、棒源/棒探測器[4]。點放射源相比較于棒放射源，因為其劑量與強度相對較小，所以價格較低，更易于維護，且安全性更有保障。因此目前

在實際應用中，通常采用點放射源，很少使用棒放射源。對于料位的位式測量，即料位開關，通常采用點源/點探測器；對于料位的連續(xù)測量，通常采用點源/棒探測器[4]。

為取得良好的測量效果，必須根據(jù)料位的高度、設備壁厚、保溫層厚度、設備尺寸、設備形狀及介質(zhì)類別等不同工藝環(huán)境，采用不同的放射源/探測器的配置方法。在HT-L項目中，料位開關16LS-X103、16LS-X104、16LS-X106均采用點源/點探測器的測量配置，對料位的連續(xù)測量16LS-X105采用點源/棒探測器方式。

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。放射性料位計一般采用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，能滿足長周期使用的料位檢測。Co-60的γ射線能量有1.17 MeV和1.33 MeV兩種，穿透力較強，半衰期為5.3a，常用于設備壁厚較大和距離較長的物位測量。

表1 常用放射源性能比較

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

表2 常用放射源的活度要求

在HT-L粉煤加壓氣化項目中，粉煤鎖斗的直徑為4m，料位開關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，為5.5m，所以對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

對于放射性料位開關，要求的點輻射源出射角度比較小，目前主流的放射性料位計生產(chǎn)廠家都設定在5、8、10、15°范圍可選。料位開關16LS-X103、16LS-X106、16LS-X104選擇最小檔5°即可。對于料位的連續(xù)測量，則需要通過計算來確定出射角度的大小。根據(jù)實際工況，放射源安裝在測量范圍的中點，出射角度應為：

(2)

式中d——設備直徑；

Lmax——最高料位；

Lmin——最低料位；

δ——設備壁厚與保溫層厚度總和。

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

3.4 放射源防護罐

由于射線對人體與環(huán)境具有放射危害，放射源必須被密封在防護罐中[3]。防護罐應有開關閘門，閘門在開關兩位置均可加鎖，出廠時須處于關閉狀態(tài)且已上鎖。開鎖后拉出至限定位置即開啟了放射源，工作期間開啟狀態(tài)加鎖，應配有遠程控制執(zhí)行機構(gòu)，可遠程控制放射源罐的開關，并提供開、關信號輸出線接口。目前γ射線最常用的防護罐是鉛罐，其外形尺寸和開孔大小需要根據(jù)設計要求、測量配置、安全防護標準、活度要求和現(xiàn)場的安裝條件確定[3]。

3.5 探測器

探測器用于檢測穿過被測介質(zhì)后的射線，并

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

當前主要的閃爍晶體有碘化鈉(NaI)晶體、有機塑料(PVT)晶體以及柔性光纖等。碘化鈉(NaI)晶體屬于無機閃爍體，探測效率高，但單位體積的價格很高，尺寸一般做得比較小，主要用于料位開關或點式探測器測量料位的測量系統(tǒng)。有機塑料(PVT)晶體屬于有機塑料閃爍晶體，可以測量最長3m左右的料位，如果用級聯(lián)探測器，長度就會更長，可用于料位的連續(xù)測量。光纖也屬于有機閃爍晶體，比較柔軟，可以適用于外形尺寸復雜的容器料位測量。

在HT-L項目中，放射性料位計均選用閃爍晶體探測器，料位開關選用碘化鈉晶體(NaI)，而對料位的連續(xù)測量選用PVT晶體。

綜上所述，粉煤鎖斗(V-1602)與粉煤給料罐(V-1603)4個放射性料位計的選型見表3，測量系統(tǒng)配置分別如圖5、6所示。

表3 放射性料位計選型

圖5 粉煤鎖斗(V-1602)放射性料位計測量系統(tǒng)

圖6 粉煤給料罐(V-1603)放射性料位計測量系統(tǒng)

4 注意事項

隨著儀表技術(shù)的不斷發(fā)展，放射性料位計在使用時已經(jīng)日趨安全，但是由于其輻射性，所以在設計與實際應用過程中必須注意以下幾點：

a. 當放射性料位計的選型、配置都設計完畢，需要向生產(chǎn)廠商提供被測設備詳圖、料位計的支架安裝圖以及現(xiàn)場防護標準，以便于精確計算所需要的放射源數(shù)量。

b. 必須進行人體防護，放射源對人體的相對安全劑量在國家標準規(guī)范GBZ 125 2009《含密封源儀表的衛(wèi)生防護標準》中有明確要求。HT-L粉煤加壓氣化項目現(xiàn)場為二級場所，在設計詢價文件時應注明供貨商必須嚴格遵守國家標準計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必須進行放射防護與安全驗收檢驗，提供必需的人體防護和便攜式輻射檢測儀，并提供安裝、調(diào)試、操作、維護及輻射安全防護等培訓。

c. 放射性料位計必須由取得相關資格證書的專業(yè)人員實施安裝維護，并且此專業(yè)人員必須熟悉現(xiàn)場環(huán)境、源容器的結(jié)構(gòu)，掌握放射防護技能。

d. 安裝與維護中的安全防護措施必須符合國家標準的有關規(guī)定。

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

5 結(jié)束語

放射性料位計作為一種非接觸式料位測量儀表，適用于測量煤粉料位等特殊工況，在煤氣化項目中得到了廣泛應用。在進行放射性料位計測量系統(tǒng)設計時，應綜合考慮測量要求、設備、工藝參數(shù)、現(xiàn)場安裝與施工條件以及對周圍環(huán)境的影響，盡量選用較少劑量的放射源，以達到良好的屏蔽防護效果。并要求放射性料位計使用方(即項目業(yè)主)嚴格遵守國家有關規(guī)定，在實施項目之前，辦理必要的安全許可證并通過環(huán)境影響報告的審批。在項目運行過程中，嚴格遵守安全衛(wèi)生防護的規(guī)定，以保障操作人員健康，裝置安全平穩(wěn)運行。

[1] 邰秀鳳.放射性物位計在物位測量中的應用[J].石油化工自動化，2007，43(6)：66～68.

[2] 趙珂.放射性物位計在連續(xù)重整裝置中的應用[J].石油化工自動化，2009，45(6)：66～71.

[3] 董進泉.放射性物位計在多晶硅流化床反應器中的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2013，(27)：28～29.

[4] 蔡丹,魏慶韙.放射性料位計在聚丙烯裝置中的應用[J].化工自動化及儀表,2015,42(6)：696～699.

[5] 劉明亮,毛煒,張占元，等.航天粉煤氣化裝置鎖斗加壓系統(tǒng)的改進與優(yōu)化[J].中氮肥,2014,(4)：42～45.

郭宏遠(1984-)，工程師，從事煤化工自動化設計工作，18611085056@163.com。

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