放射性液位计在三聚氰胺装置中的应用

蔡敢涛

(惠生工程(中国)有限公司，郑州 450018)

放射性液位计在三聚氰胺装置中的应用

蔡敢涛

(惠生工程(中国)有限公司，郑州 450018)

三聚氰胺最终转换器是三聚氰胺装置的关键设备之一，其液位测量十分重要，传统的液位测量仪表无法满足高温、高压和介质易结晶的苛刻工况。分析了放射性液位计的工作原理和特点，并介绍了放射性液位计在三聚氰胺装置中的应用情况。研究表明，放射性液位计维护量低、测量精度高、反应速度快、稳定性高，能够降低投资成本，增加企业的经济效益。

放射性液位计 三聚氰胺 放射源 γ射线

某三聚氰胺装置以熔融尿素和氨为原料，采用意大利欧技公司年产6万t三聚氰胺高压非催化工艺技术进行三聚氰胺产品的生产。为了使反应更加完全，减少副产物，在三聚氰胺反应器后设置最终转换器，熔融状态下的三聚氰胺从最终反应器出来后再进行急冷、净化及结晶等其他工序。最终转换器是三聚氰胺装置的关键设备，因此，采取有效的方法和先进的设备准确测量最终转换器的液位并对其进行联锁控制是安全生产的必要前提。

最终转换器采用熔盐伴热，其反应温度为380℃，压力为9.32MPa(G)，介质为熔融状态下的三聚氰胺和氨气，根据测量介质的特点和高温、高压的苛刻工况，首选非接触式液位测量仪表。虽然雷达液位计有微波测量非接触式的型式，在相关选型样本上高温型雷达的过程温度可达400℃，但在该工况下采用雷达液位计，最终转换器需要采用哈氏合金材料制成的稳波管，且必须用过热氨蒸汽进行吹扫以防止三聚氰胺结晶。这不但对设备设计制造造成麻烦，增加成本，而且雷达液位计长期工作在如此苛刻工况下，其使用寿命无法保证，同时也无该工况下相关的使用业绩和经验。因此，在最终转换器上采用放射性液位计进行液位测量。放射性液位计工作过程中各部件与被测物料不接触，测量过程是非接触式的，对于该高温、高压、易结晶的工况具有很好的适用性[1]。

2 液位计测量原理和组成

2.1测量原理

放射性液位计是一种固定安装、连续测量液位的检测仪表，它以核辐射检测技术为基础，通过测量γ射线与被测物料相互作用所产生的辐射强度的变化，从而连续测量液位的变化。窄束的γ射线的吸收规律通常是指数规律[2]：

I=I0e-μh

式中h——测量介质的高度；

I0——液位高度为0时探头处的射线强度；

I——液位高度为h时探头处的射线强度；

μ——测量介质对γ射线的线性吸收系数。

基本测量原理如图1所示，用探头检测出随液位变化的射线强度信号[3]，再经过核电子学处理，最后转换成适当的电信号就可以用来显示液位。

2.2仪表组成

放射性液位计整体由信号检测装置和信号转换器两部分组成。检测装置由放射源及其防护容器和射线探测器组成，它们按设计要求安装在被测设备现场。信号转换器可安装在控制室仪表盘上，通过专用电缆与探测器相连。

2.2.1放射源

放射源按测量条件可选用Cs-137或Co-60。Co-60的半衰期较短，为5.272a，Cs-137的半衰期较长，为30.167a[4]。Co-60具有相对高的能量，其穿透力比Cs-137强，适用于壁厚较大的设备，根据该装置最终转换器的结构特点，放射性液位计的放射源选用Cs-137，其具有比Co-60更好的测量效果，并且屏蔽容易[5]。

图1 基本测量原理示意图

2.2.2射线探测器

射线探测器是放射源的接收装置，其功能是接收γ射线强度信号并将其转换成电信号[6]。放射性液位计使用的探测器一般选用闪烁计数器，这是因为闪烁计数器探测γ射线的灵敏度较高，且使用寿命与辐射场的强度无关。其长度可以根据所需的测量范围而定，如果测量范围太大，则需要两个或两个以上的探测器。探测器有防爆型和非防爆型，根据爆炸性气体环境危险区域划分，该放射性液位计的探测器应选用防爆型。

2.2.3转换器

转换器是将探测器检测到的射线的变化信号转换成与测量量程相对应的4～20mA标准信号，同时具有探测器高电压工作点的设定、放射源衰减补偿、上下限报警输出及系统故障报警输出等功能。

3 在三聚氰胺装置的应用和日常维护

3.1在三聚氰胺装置的应用

最终转换器设备总高11 260mm，内径1 206mm，采用熔盐伴热，外夹套两处膨胀节将设备分成3个测量段，底段1 095mm、中段1 300mm、顶段4 043mm。根据3个测量段的长度，在顶段设3个射线探测器，其余两段均设一个射线探测器。每个测量段设一台转换器，放射源采用多点源。根据最终转换器结构特点，配合设备专业，在设备中心设计套管，用于安装放射源，放射源防护罐安装于套管顶部，采用法兰连接形式。防护罐的设计应保证能用绳子或杆升降放射源。最终转换器第三测量段放射性液位计如图2所示。

图2 最终转换器第三测量段示意图

由于放射源防护罐的安装是永久性的，因此所有的紧固件都必须牢固[7]，为了保证安装人员的受照剂量尽可能得低，所有参加安装防护罐的人员都必须经过培训并有放射源操作证书，且有放射防护人员在场监护，并确保防护罐的辐射道已关闭并已锁定，射线不可能泄漏出来。

探测器应垂直安装于最终转换器的外壁，探测器中心线至设备表面保温层要有适当的距离，避免热量传到探测器上。由于现场温度较高，探测器设冷却水系统，在设计初期，向工艺和管道专业提出冷却水条件，以满足探测器安装环境温度要求。探测器于安装支架上用夹套固定，并使辐射窗面向放射源且不被挡掉。

放射性液位计转换器采用220V(AC)电源进行供电，为保证电源稳定和仪表的正常工作，避免因电源故障引起的装置事故。设计时采用UPS不间断电源[8]，有效地提高了仪表工作的稳定性。

各部件安装完毕后，放射性液位计转换器将检测到的射线的变化信号转换成与测量量程相对应的4～20mA标准信号至DCS，对三聚氰胺最终转换器的液位进行监控，并参与开车控制联锁[9]。三聚氰胺最终转换器液位设低报警、低低报警、高报警、高高联锁、高高高联锁，并控制三聚氰胺最终转换器出口调节阀开度，使液位保持在安全范围内。液位低、低低、高时，在DCS上进行报警，液位高高时，联锁触发熔融尿素给料泵PID控制器，控制熔融尿素给料量，液位高高高时，联锁触发停熔融尿素给料泵，停止熔融尿素的供给，以保证三聚氰胺最终转换器和操作人员的安全。

3.2日常维护

放射性液位计的维护量较少，在通常工作状态下，放射源防护罐没有需要维护的磨损部件和机械移动部件。但出于安全考虑，应隔半年或者一年检查一次防护罐和锁定装置。同时定期与工艺专业配合，分析料位指示的可靠性，每年应至少对仪表重新标定一次，以保证液位计使用的可靠性。放射源使用寿命很长，但当统计误差随着时间的推移变得越来越大，而增加时间常数由于工艺的原因不允许的话，应考虑对放射源进行更换，放射源更换后，必须重新对仪表进行标定。

4 放射源使用注意事项

放射性液位计的放射源为固态密封放射源，正常操作不引起环境污染和工作人员辐射超标[10]，但在使用过程中应遵照《中华人民共和国放射源污染防治法》、《放射性同位素与射线装置安全和防护条例》和《放射性同位素与射线装置安全许可管理办法》的有关规定。

国家标准《含密封源仪表的放射卫生防护要求》(GBZ125-2009)规定了源容器和含密封放射源的检测仪表的放射防护和安全要求，以及放射防护检验和检查要求，规定了不同使用场所对检测仪表外围辐射的剂量控制要求[11]。在使用放射性液位计的过程中应重视安全防护工作，尽量减少不必要的照射剂量，以确保工作人员的人身安全，减少不必要的损害。

5 结束语

放射性液位计是一种固定安装、连续测量液位的检测仪表，测量过程是非接触式的，适用高温、高压、易结晶以及其他一些特殊场所，具有其他仪表不可替代的优越性。在三聚氰胺最终转换器这一高温、高压、介质易结晶的关键设备的液位测量过程中，能够有效完成对液位的监控、报警及联锁等功能，具有维护量低、测量精度高、反应速度快以及稳定性好等特点，能够降低投资成本，增加企业的经济效益，在三聚氰胺装置中的应用中具有一定的借鉴价值。

[1] 王明玉，何蓉，王雪梅，等.化工自控设计规定[M].北京：中国计划出版社，2014.

[2] 邰秀凤.放射性物位计在物位测量中的应用[J].石油化工自动化，2007，43(6)：66～68.

[3] 耿志洪.压力影响放射性液位计读数的补偿方法[J].化工自动化及仪表，2000，27(4)：66～67.

[4] 凌球，郭兰英.核辐射探测[M].北京：原子能出版社，1992.

[5] 范深根，娄云.放射性和辐射的安全使用[M].北京：中国科学技术出版社，2001.

[6] GB/T 25845-2010，工业用γ射线料位计[S].北京：中国标准出版社，2011.

[7] 王树青，乐嘉谦.自动化与仪表工程师手册[M].北京：化学工业出版社，2010.

[8] SH/T 3082-2003，石油化工仪表供电设计规范[S].北京：中国石化出版社，2004.

[9] 陆德民，张震基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].北京：化学工业出版社，2000.

[10] GB 18871-2002，电离辐射防护与辐射源安全基本标准[S].北京：中国标准出版社，2003.

[11] GBZ 125-2009，含密封源仪表的放射卫生防护要求[S].北京：人民卫生出版社，2009.

[12] 董建军.同位素液位计在高压容器上的应用[J].石油化工自动化，2002，38(6)：86～87.

(Continued from Page 66)

cuit, an auxiliary power supply and control circuit as well as two-way pulse-width modulation(PWM) circuit. Through reasonably selecting two-stage circuit’s topology, switching point, auxiliary power sources and switching mode, the switching power supply’s efficiency and output power can be improved.

TH816

B

1000-3932(2016)01-0108-03

2015-05-27(修改稿)

power supply, super-wide input voltage range, AC/DC-DC, boost converter, flyback converter