放射性仪表在炼油装置中的应用

周小娜 王雅鸿

(北京石油化工工程有限公司,北京 100107)

随着石油加工技术的重质化以及煤化工技术、连续重整技术的发展，一些苛刻工况(高温、高压及固体含量高等)下的物位测量成为难题，常规仪表很难达到良好的测量效果，因此放射性仪表(非接触式仪表)成为解决苛刻工况下液位、料位测量的最好手段[1]。为此，笔者基于放射性仪表的特点，结合两个实例总结了放射性仪表的安装、使用注意事项和国家相关安全卫生防护规定。

放射性物位仪表系统如图1所示，主要由放射源、探测器和二次仪表(可选)组成。

图1 放射性物位仪表系统组成

根据γ射线的种类，常见的放射源有60Co和137Cs，其半衰期分别为5.27a和30.18a，半减层(水)分别为110mm和155mm，在满足工作需求的条件下首选137Cs。放射源按其结构形式可以分为点源和棒源，并配用必须的铅罐防护容器。

探测器分为电离室、GM计数管、闪烁晶体探测器和柔性光纤探测器。在电离室中射线使气体电离，其缺点是输出电流只有10-10A，抗干扰能力差。GM计数管的特点是体较小、成本低，但是效率也低。闪烁晶体探测器的基本组成如图2所示，射线使闪烁体发光，光阴极将光子转换成电子，电子被打拿极成倍增加，最终脉冲成形，放大输出。柔性光纤探测器是以光纤制成直径为25mm的光缆作为探测体，技术上比电离室效率高，但是探测效率比闪烁晶体探测器低。目前市场上的主流探测器为高灵敏度的碘化钠或塑料闪烁晶体探测器。探测器长度一般为2m/根，当测量范围较长、需多个探测器相连时，需要对每根探测器单独供电。

图2 闪烁晶体探测器的基本组成

二次仪表由脉冲放大器、补偿电路、转换显示单元和电源组成。一般放置在控制室的机柜里，方便维护人员进行仪表维护。放射性物位仪表系统不采用二次仪表时，其变送单元与探测器一起放置在现场。

2 测量原理

放射性物位仪表的测量原理(图3)：放射源发出γ射线，射线穿过容器和容器内的被测介质时被不同高度的介质吸收，进而导致射线的放射性衰减不同，利用安装在放射源对侧的探测器把射线的放射强度转换成相应的物位信号，以实现变量的测量。

图3 放射性物位仪表的测量原理

放射性仪表射线指数吸收如图4所示，测量公式为：

I=I0e-μρd

式中d——厚度；

I——检测到的射线强度；

I0——发出的射线强度；

ρ——密度；

μ——吸收系数。

图4 放射性仪表射线指数吸收示意图

射线强度I由探测器转换成脉冲信号，该脉冲信号经过脉冲放大和整形，再经转换器转换盒线性补偿处理后输出4～20mA信号至显示器。当转换器输出开关信号时，仪表可作为物位报警开关。实际应用中，通常依据介质密度、液位范围、料位开度、容器形状、壁厚及保温棉厚度等选择放射源的强度。另外，为了使输出信号与物位呈线性关系，可通过线性补偿元件对输出信号进行线性化。

3 放射性仪表的安装与注意事项

不同放射性仪表供应商提供的安装方案有所不同，在此简单介绍Berthold的安装方案与注意事项。Berthold提供的安装方案相对比较简单，图5为放射性仪表安装简图，主要说明放射源和探测器需要在被测容器的两侧对称安装，当被测容器壁较厚时，也可以采用容器内置放射源或容器外置放射源同时在容器壁开洞的安装方式。图6、7分别为放射源安装支架详图和探测器安装支架详图。

图5 放射性仪表安装简图

图6 放射源安装支架

图7 探测器安装支架

放射性仪表相对常规仪表在设计、安装和使用过程中需要注意以下事项：

a. 设计方签订技术协议前，要确认放射性仪表厂家是否具备放射性同位素仪表的设计、加工、销售、技术服务和维修的相关资质。

b. 设计方签订技术协议后，要求放射性仪表厂家与仪表、设备、结构及配管等专业进行沟通，共同确认安装方案，避免现场出现安装碰撞；同时要求放射性仪表厂家提供所有放射性仪表的安装支架图，设计方确认后，由设备制造厂制造并安装。

c. 现场施工时，需在设备、管道和常规仪表都安装完成后，开车前一周通知放射性仪表厂家送货到现场并指导安装，避免提前到达现场后，无专用放射源储存库存放。

d. 放射性仪表探测器接收的是放射性信号。为了防止周围探伤等工作的射线影响放射性仪表接收器的正常工作，从而发出假信号而影响装置运行并触发装置停车。因此，放射性仪表的器一般会在现场做个保护罩包起来。

e. 放射性仪表厂家要具备将废弃的放射源返回原生产单位或送交有相应资质的放射性废物集中存储单位存储的能力。

f. 使用方需到当地环保局申办《辐射安全许可证》(放射性仪表厂家需提供技术支持)，放射源到现场后20天内，到当地环保局办理备案。

4 应用实例

4.1 放射性仪表在悬浮床加氢裂化装置上的应用

悬浮床加氢裂化装置(VCC)是煤-油共炼试验示范项目的核心装置，是在高温、高压下通过加氢反应将油煤浆直接液化的连续生产装置[2,3]。由于工艺介质的特殊性，悬浮床加氢裂化装置除一般的高压加氢装置所具有的高温、高压、临氢及易燃易爆等特点外，还具有多相流及固体含量大等特点，因此对仪表的选型提出了更多特殊要求。

进料缓冲罐是高压进料泵的缓冲容器，如果进料缓冲罐液位过低，可能造成高压进料泵空转，导致泵损坏。由于高压进料泵是整个装置的心脏，所以进料缓冲罐的液位测量至关重要。进料缓冲罐采用磁浮子液位计(就地仪表)、差压变送器(远传仪表)和放射性液位计这3种不同原理的液位仪表进行测量。如果油煤浆把磁浮子液位计和差压变送器堵了，放射性液位计作为最后一道保障依然可以达到测量液位的目的。

在悬浮床加氢裂化装置中，放射性液位计的基本测量原理如图8所示。

图8 放射性液位计的基本测量原理

在对进料缓冲罐的放射性仪表进行选型时，设计方需提供数据给放射性仪表厂家，以供厂家计算该放射性仪表的放射源剂量和个数。在悬浮床加氢裂化装置中，计算得到：5mCi137Cs放射源两个，4m探测器一根。由于进料缓冲罐内装有搅拌轴，所以相角plane s为200mm，目的是避开搅拌轴对射线的干扰。

在进行仪表选型时需要注意，如果测量范围大于设备内径，需要设置多个放射源，放射源个数的计算如下：

N=Mr/R

式中Mr——测量范围；

N——放射源个数(N向上取整)；

R——设备内径。

4.2 放射性仪表在连续重整装置上的应用

连续重整装置以石脑油为原料，通过临氢催化反应生产重整生成油，可作为高辛烷值汽油组分或芳烃原料，同时副产氢气。

催化剂再生是连续重整的核心部分，一般采用美国UOP公司的连续重整工艺包[2,4]。闭锁料斗是催化剂再生的关键设备，其作用是将再生器再生完的催化剂运输到重整反应器的还原区进行还原，从而得到活化催化剂，并用于后续的重整反应。因其设备的特殊性，测量精度要求较高，需使用60Co射线的棒放射源(因为棒放射源的射线会完全穿过设备直至探测器，使测量输出为线性曲线)。

在对闭锁料斗的放射性仪表进行选型时，设计院需提供数据给放射性仪表厂家，以供厂家进行计算。通过计算可得：1.3mCi 610mm的60Co棒放射源一根，1m的探测器一根。

5 放射性仪表的安全卫生防护

放射性仪表防护三要素为屏蔽、时间和距离。原则上，屏蔽越厚越好，时间尽可能短，人体和放射源保持的距离要远(射线对人的照射强度与人源之间距离平方的倒数成正比[5])。距离应满足GB 18871-2002对放射源放射量的要求，在距离和屏蔽状态确定后，时间越短越好。半减层的概念即将放射源辐射强度减到一半时所需的物质层厚度。不同放射源、不同材料半减层的厚度见表1。

表1 不同放射源、不同材料的半减层的厚度 mm

炼油行业一般要求辐射防护须符合GBZ 125-2009《含密封源仪表的放射卫生防护要求》第一级(对人员的活动范围不限制)，距离检测设备边界5cm处的剂量率均不大于2.50μSv/h；距离检测设备边界1m处的放射剂量率均不大于0.25μSv/h；当容器为空状态时，距放射源1m以内其释放应小于0.25μSv/h。因此放射性仪表厂家需对每一台仪表进行核算，以检测其是否满足规范对放射卫生防护的要求。

6 结束语

在炼油装置中，差压变送器等差压式仪表和浮筒及磁浮子液位计等浮力式仪表依然是液位测量的可靠、实用手段，但是采用冲洗油+传统仪表的方式存在仪表堵塞、失灵的风险，因此放射性仪表这种非接触式仪表就成了高温、高压及固体含量大等苛刻工况下的首选测量手段。通过在悬浮床加氢裂化装置和连续重整装置上的应用，放射性仪表解决了苛刻工况下的物位测量难题，但是因其放射源发射的γ射线对人体有危害，在设计、加工、销售、运输和使用时，必须严格遵循国家法律法规的相关规定。

[1] 赵珂.放射性物位计在连续重整装置中的应用[J].石油化工自动化,2009,45(6):66～68.

[2] 侯祥麟.中国炼油技术[M].北京:中国石化出版社,2008.

[3] 韩崇仁.加氢裂化工艺与工程[M].北京:中国石化出版社,2006.

[4] 徐承恩.催化重整工艺与工程[M].北京:中国石化出版社,2009.

[5] 刘凤.射线仪表的应用安全与防护[J].中国仪器仪表,2010,(5):49～53.