放射性料位计在聚丙烯装置中的设计及应用

华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

放射性料位计在聚丙烯装置中的设计及应用

张兆祥*何联合
华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

介绍放射性料位计的工作原理及系统构成；根据工程实际应用，提出了放射性料位计选型的要点；结合聚丙烯装置中脱气仓料位限位检测及气锁器料位连续测量的实际应用，说明工程应用中放射性料位计配置和计算。

放射性料位计 放射源 检测器 选型 放射卫生防护

聚丙烯塑料因其具有良好的耐热性、耐腐蚀性、电绝缘性和密度低等特点，其应用在近20年来得到迅速发展。在聚丙烯装置中，料位是一个关键的参数，直接关系到装置的安全运行及生产性能；受聚丙烯工艺流程的温度、压力、粘度及容器结构的影响，常规料位仪表难以实现有效的测量；自动化仪表选型设计规范HG/T 20507-2014中7.3.5条规定，“对于高温、高压、黏附性大，腐蚀性大的块状、颗粒状、粉粒状物料的料位式测量和连续测量，在使用其他料位仪表难以满足测量要求时，可选用核辐射式测量仪表[1]”。放射性料位计作为一种有效的料位测量手段，可实现料位、密度及界面的测量，以其非接触式测量、高灵敏度、高可靠性及多种解决方案等特点广泛应用于聚丙烯装置料位测量。

1 测量原理及系统构成

1.1 测量原理

基于放射源产生的γ射线穿透被测容器及容器中的介质时，射线被不同高度的物料所吸收，故测得被吸收而衰减的射线强度，可计算出物料的料位，射线衰减呈指数函数关系[2]：

R=R0Ke-μρd

(1)

K=e-μ1ρ1d1

式中，若发射源最大发射角α较小，d1可近似认为容器2倍壁厚，K近似为设备结构系数；R0为放射源的剂量，mCi；R为射线穿过容器壁和介质到达检测器的射线的剂量，mCi；μ1、μ分别为容器及介质的吸收系数，(cm3/g)/cm，与放射源的类型有关，对于给定的放射源，μ1、μ可认为是常数；d1、d分别为射线通过容器壁的路径长度及通过物料的路径长度，cm；ρ1、ρ分别为容器材质密度及被测介质的密度，g/cm3。

射线强度R由检测器转换成脉冲信号，该信号经脉冲放大，整形，再经转换器转换和线性补偿处理，输出4-20mA叠加HART信号至控制系统实现指示控制，放射性料位计原理见图1。

图1 放射性料位计原理图

当放射源和被测介质一定时，由公式(1)可知，当料位上升并遮挡住射线时，检测器测到的射线强度减小；反之，当料位下降时，检测器测到的射线强度增大，因此，根据检测器得到的射线的强弱，可以得出料位的高度。

1.2 系统构成

放射性料位计由放射源、检测器和二次仪表等三部分构成，见图1。

(1)放射源：工业过程控制放射源种类及特性见表1。

(2)检测器：检测器是放射源的接收器，其功能是接收γ射线强度信号并将其转换为电信号，通常有电离室型、GM(Geiger-Mueller)计数管型、柔性光纤型和闪烁晶体+光电倍增管型四种，其中闪烁晶体的检测效率在20%～40%，计数率也较高，灵敏度高，稳定性好，因此应用较广泛[4]。常用的闪烁晶体有碘化钠(NaI)和塑料闪烁体(PVT)两种，其中NaI属于点检测器；PVT属于棒检测器，长度0.5～2m可调，均可用于料位测量。

表1 放射源种类及特性[3]

(3)二次仪表：主要由脉冲放大器、补偿电路、转换单元及电源组成。由于检测器输出的电脉冲信号较小，因而需要经脉冲放大器放大和整形，并经过补偿电路补偿测量线性及补偿放射源随时间的强度衰减，最终输出标准4～20mA信号。

2 设计及应用

2.1 放射性料位计选型

2.1.1 放射源。

放射源的强度应根据测量和安全要求进行选择，应使射线通过被测对象后，在工作现场的射线剂量尽可能小。工作现场的射线剂量当量应符合现行国家标准《含密封源仪表的放射卫生防护要求》GBZ 125的有关规定。

根据表1中放射源的特性，放射源的类型宜采用Cs137，并根据工程中实际情况，通过计算选择合适的放射剂量；放射源应置于源容器中，满足相应的安全要求，源容器应配气动执行结构，可远程开/关放射源，并提供开/关限位信号至控制系统指示，且气源故障时，源闸应自动关闭[5]。

2.1.2 闪烁晶体

根据配置方案，若选择点检测器，闪烁晶体可选择碘化钠(NaI)；若选择棒检测器，闪烁晶体可选择塑料闪烁体(PVT)。

2.1.3 料位测量配置方案

(1)料位限位测量通常有两种配置方案：① 点源和棒检测器；② 点源和点检测器。

(2)料位连续测量通常有三种配置方案:① 点源和棒检测器，通用的配置方案，性价比高，适用于各种工况；② 棒源和点检测器, 棒源的放射源仅可选择钴60，半衰期较短，且价格较高；③ 棒源和棒检测器，适用于测量范围太大，而检测器至放射源的距离较大的情况。

选择何种配置方案应根据被测介质的特性，容器的几何形状/材质/壁厚、距离及测量目的等因素综合考虑选择[6]。

2.1.4 集成性

检测器和二次仪表集成为一体。

2.1.5 其他要求

(1)测量仪表应有衰变补偿，以避免由于辐射源衰变而引起的测量误差，提高运行的稳定性和减少校验次数。

(2) 输出信号4-20mA叠加HART通讯协议，可利用HART手操器远程修改、测试，尽量避免接触现场仪表。

(3)满足相应的安全完整性等级(SIL)。

(4) 满足相应的防爆等级和防护等级。

(5) 满足响应时间和精度的要求。

(6) 因物料密度在一定范围内不断变化，因此可增加密度测量作为料位计密度参数的修正。

2.2 聚丙烯装置中的应用

聚丙烯工艺流程中，受树脂粉末的特性(易附着到测量仪表)和容器结构的影响，常规料位仪表难以实现有效的测量；因此采用放射性料位计对反应器、脱气仓、气锁器等设备进行料位检测和连续测量，根据被测介质的特性、量程、设备的几何形状选择合理的配置方案，本文仅以脱气仓料位检测和气锁器料位连续测量为例进行说明。

2.2.1 脱气仓料位检测

在某聚丙烯装置项目中，采用放射性料位计对脱气仓树脂粉料料位进行检测，该聚丙烯装置采用Dow公司的Unipol气相法聚丙烯生产工艺技术，从反应器来的聚合物进入产品脱气仓，氮气自脱气仓底部逆流而上，脱除聚合物上吸附的部分烃类化合物；聚合物依靠重力从产品脱气仓进入产品清洗器，到达清洗器底部的聚合物即达到预期的质量要求，脱气仓料位PID见图2。在脱气仓控制方案中，料位检测是一个至关重要的参数，料位检测的准确与否对后续聚丙烯产品质量和挤压机的安全运行有很大的影响。设置1台音叉料位计(LS-5009-1)和2台放射性料位计(LS-5009-3A/B)对料位进行检测，LS-5009-1进DCS实现报警联锁；LS-5009-3A/B进SIS系统用于安全联锁，料位低低时，关闭脱气仓排料阀LV-5009-2，停旋转给料器S-5015，停后续工段的挤压机，保障系统的安全运行。

图2 脱气仓料位PID

该料位控制方案配置1个点源(LX-5009-3)，2个棒检测器(LT-5009-3A/B)，点源和检测器布置在脱气仓中部距下切线上14.98m的位置，放射性料位计输出4-20mA+HART信号，在SIS侧设置低低料位报警值，表决逻辑为2选1，即任意1个检测器检测到低低料位将引发安全联锁，料位计布置见图3。料位-脉冲计数率曲线见图4。

图3 脱气仓料位检测布置

图4 料位-脉冲计数率曲线

从图4可以看出，料位-脉冲计数率为1378，满足料位限位要求。仪表外围辐射剂量见表2。

表2 仪表外围辐射剂量

2.2.2 气锁器料位连续测量

在某聚丙烯装置项目中，反应器的聚丙烯粉末通过压差送至沉降器S-241A，聚合物粉末和未反应单体在这里分离。粉末直接流入气锁器D-241A，当气锁器装满时，粉末输送程序停止，气锁器料位PID见图5。

图5 气锁器料位PID

在气锁器控制方案中，料位要求在设备4.5m范围内连续测量，并且料位低、低低信号去气锁器顺序控制联锁；基于气锁器设备的特殊几何形状以及工艺要求，该料位配置方案设置6个点源 (s1-s6) ，选择Cs137作为放射源，每个放射源最大发射角为45°，放射源置于源容器中，每个源容器配气动执行机构，实现远程开/关控制，气源故障时源闸关闭。配置3个棒检测器(d1：1500mm；d2：2000mm ；d3：2000mm)，棒检测器选择塑料闪烁体(PVT)、一体化变送器，带衰变补偿功能，并采用级联方式，覆盖工艺要求的4500mm测量范围，实现料位连续测量，因聚丙烯粉末密度在一定范围内不断变化，因此增加密度测量作为料位计密度参数的修正，输出4～20mA叠加HART通讯协议至上位机进行指示调节，点源和棒检测器布置见图6。

料位测量方案应根据工程实际情况及工艺要求选择最优配置方案及较小的放射源剂量，并满足放射卫生防护要求，经计算得出，6个点源选择活度分别为，s1：10 mCi；s2：8 mCi；s3：8 mCi；s4：6 mCi；s5：5 mCi；s6：5mCi；检测器检测到的脉冲计数率(cps)与料位关系见图7。

图6 气锁器料位测量配置图示

图7 料位-脉冲计数率曲线

从图7可见，料位-脉冲计数率关系基本呈线性，料位4500mm范围内满足0%～100%连续测量工艺要求。仪表外围辐射剂量见表3。

从表2和表3可以看出，料位计附近辐射剂量完全符合国家标准《含密封源仪表的放射卫生防护要求》GBZ 125的有关规定。且料位计的安装位置应尽量避开人员通过、停留的地方，避开平台、爬梯、斜梯等，并在安装位置1m处竖立警示牌，提醒相关人员注意远离该区域。

表3 仪表外围辐射剂量

3 结语

放射性料位计在特殊工况中有其它常规料位仪表无法比拟的优越性，在聚丙烯装置粉料的测量中得到了广泛的应用；在进行仪表设计时，应注意相关的特殊要求，在保证测量的前提下，选用较小活度的放射源，并采取严格的防护措施，确保放射源附近辐射剂量符合国家安全防护的相关规定[7]。

1 HG/T 20507-2014 自动化仪表选型设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2014：125-126.

2 陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册(第三版)[M]..北京：化学工业出版社，2000：143-147.

3 张秉海，王 智. 核料位计的工作原理及相关知识[J]. 石油化工自动化，2007，43(05)：84-85.

4 马永成. 核料位计在聚丙烯反应器中的应用[J]. 石油化工自动化，2013，49(02)：58-61.

5 GBZ 125-2009含密封源仪表的放射卫生防护要求[S]. 北京：标准化出版社，2010.

6 宋兆季. 核料位计在聚丙烯装置中的应用和改进[J]. 仪器仪表用户，2011，18(05)：52-55

7 徐 伟. 放射性料位计的使用及安全防护[J]. 医药工程设计，2004，25(03)：37-39.

*张兆祥：工程师。2008年毕业于华北电力大学控制理论与控制工程专业。从事化工自控专业工程设计。联系电话：15829263680，

E-mail:zzx2190@chinahualueng.com。

2017-05-27)