放射性儀表在加氫裝置中的應用

王曉光,董飛宇,張健,劉炎鑫

(陜煤集團榆林化學有限責任公司,陜西 榆林 719000)

1 研究背景及意義

1.1 加氫裝置概述

煤焦油懸浮床加氫裝置以粉煤熱解裝置所產的熱解焦油和外購部分蘭炭焦油為裝置原料來生產輕質油組分;經原料預處理單元后將煤焦油分為含酚油、供氫溶劑原料油和懸浮床加氫反應的新鮮原料。含酚油經過甲醇水溶液萃取后制得粗酚,供氫溶劑原料油經過供氫溶劑加氫裝置加氫后返回至懸浮床加氫反應進料緩沖罐作為懸浮床加氫裂化反應進料。懸浮床加氫裂化裝置的主要產品為粗酚、加氫中油、中間中油、瀝青等。其裝置主要包括煤焦油分餾單元、酚油提酚單元、催化劑油漿配制單元、氫氣壓縮單元、懸浮床加氫反應分離單元、懸浮床加氫產物分餾單元、瀝青成型單元、公用工程等相關輔助工程部分。

在加氫反應過程中,發生的化學反應非常復雜。原料油漿經懸浮床加氫進料泵進一步升壓至 23.1 MPa 后,經第一懸浮床反應器R401、第二懸浮床反應器R402、第三懸浮床反應器R403,從第三懸浮床反應器R403頂部流出后降至 409 ℃左右送至懸浮床熱高壓分離罐中。反應產物經分離罐分離后,其中熱中分油、溫中分油、冷低分油及閃蒸油氣進入懸浮床加氫產物分餾單元進行分餾,經懸浮床加氫產物分餾單元得到的中油產品送至下一裝置進行產品精制。其中懸浮床反應器是核心反應設備,反應器相關運行參數能否正常顯示是整個工藝裝置運行的關鍵。運行參數是否準確、穩定是反應器能否穩定運行的關鍵點。

1.2 裝置特點

煤焦油中的含氧量高,氧是含量最高的雜原子,這些氧化物包括苯酚、呋喃酚、醚和羧酸等。因此煤焦油加氫脫氧反應,是焦油加氫氫解反應中數量最大的一類反應。在催化劑和氫氣的作用下,通過加氫脫氧反應,各種含氧化合物轉化為不含氧的烴類和 H2O。烴類留在產品中,而 H2O 從反應物中脫除。不同類型的氧化物其加氫脫氧(HDO)活性變化很大。各研究單位總結氧化物 HDO 活性時指出,醚類 HDO 相對容易,呋喃類最不活潑,酚類居上述二者之間,而醇和酮則是最易轉化的。

加氫裝置反應介質為煤焦油餾分、催化劑、H2、C1～C4、H2S、有機酸、酚、CO、CO2、HCl、Hg 等,為高溫高壓臨氫、高溫硫、H2S 及有機酸腐蝕和固體顆粒磨蝕。內部為液、固、氣三相物質,工況較為復雜。反應器內部溫度、壓力、密度是監測系統是否運行正常的關鍵參數。反應器的工藝條件和介質決定了其密度、料位測量的特殊性,即高可靠性、高穩定性。

2 放射性儀表

常規儀表在檢測復雜工況參數時,因工況復雜因素(含固、氣液固三相等)干擾,造成檢測波動較大,表現為其穩定性、可靠性較差。在加氫反應器工況下 ,使用常規儀表測量的準確性較差,穩定及準確性得不到保證,使用核儀表是其唯一選擇。核儀表射線同物質相互作用,發生吸收、散射或將被測物電離、激發現象,咖瑪射線(γ)穿過物料被吸收而減弱,通過探測器檢測伽馬射線(γ)的強度,再經過轉換器處理,得出所要的參數。利用這種原理,可用來測定質量、厚度、密度、料位、水分、灰分等重要參數。根據這些現象、原理,研制出各種各樣核檢測儀表。在常規儀表測量穩定性、準確性不能滿足工藝監測的情況下,使用核儀表是目前解決該問題的優選辦法。

2.1 核儀表組成

核儀表系統主要由放射源(核源)、輻射探測器、信號轉換器、顯示器四部分組成。下圖為核料位示意圖例。所用的放射源根據檢測對象不同而選用α源、β源、γ源。在加氫裝置中主要應用為γ源,圖1中選γ源。

圖1 核料位測量示意圖

2.2 工作原理

在工業應用中, 鈷-60半衰期5.3 a,銫-137半衰期30.2 a,鈷-60和銫-137同位素能發射出很強的γ射線,應用較為普遍。放射源輻射的活度通常以Bq(貝可)計量,一般常用的放射源活度范圍,鈷-60為3.7×107Bq(1 mCi)～3×1010Bq(810 mCi);銫-137為3.7×107Bq(1 mCi)～3.7×1010Bq(1 Ci)。接收器主要由閃爍體、光電倍增管、前置放大電路組成,安裝在被測容器另一側,射線由閃爍計數器吸收。射線越強,電流脈沖數越多。該脈沖信號即可直接經整形后,由計數器計數并顯示,又可經積分電路變成與脈沖數成正比的積分電壓,再經電流放大和電橋電路,最終得到與物位相關的電流輸出。寫成數學公式如下:

I=I0×e-μ×ρ×d

其中I0為射線穿過物質前的射線強度,I為穿過密度為ρ、路徑為d的物料后的射線強度,μ為吸收系數,與放射源的類型有關,對于給定的放射源,μ可以認為是常數,利用上式,當被測物質密度ρ一定時,可測出被測物質物位(液位)的高度即被測物質的厚度d。若被穿透物質的厚度d固定時,便可測出被測物質的密度ρ。采用核輻射檢測器檢測穿透物質后的剩余γ射線, 將其轉換為電量的變化,并通過電子電路的轉換處理,就可測出被測物位(界位)或密度。

2.3 功能說明

本裝置選用BERTHOLD放射性儀表,主要有核料位計、密度計。由于放射源自然隨機衰變 ,射線儀表是一種基于統計概率的測量儀表。工藝要求的精度越高 ,時間響應越小 ;儀表或探測器就需要測得越多的有效計數率。需同時考慮計算射線穿過設備壁、保溫層等物質后探測器接收到的計數率大小 ,同時考慮安全問題。

反應構架4層R-401/R-402/403反應器上分別安裝一枚射源,反應構架8層R-401/R-402/403反應器上分別安裝一枚射源,反應構架9層V-404上安裝3枚射源,反應構架10層V-404上安裝1枚射源;催化劑油漿制備構架4層V-202/V-205分別安裝一枚射源,減壓站V-405安裝3枚射源,V-502下部安裝一枚射源,T-501下部安裝一枚射源,T-502下部安裝一枚射源,共計18枚放射源。放射源銫-137(Cs-137、Ⅳ類),現場的射線劑量當量應符合GBZ 125—2009標準規定的1級防護要求及防火,并裝在專用容器內,專用容器外殼材質為不銹鋼。放射源隔離裝置外表面要有電離輻射警告標志。放射源宜帶有遙控氣動源閥,可以選程啟動關閉源閘。

考慮到源的衰變,檢測變送器需有衰變補償功能,棒狀探測應采用塑料閃爍體,溫度穩定性±0.5%。同時變送器的內存儲器有寫保護功能、信號傳輸應能滿足現場最遠距離要求。可通過HART信號遠程對儀表進行組態和調試。

3 安裝及維護

3.1 安裝難道較大

加氫裝置中選用透射性儀表(核儀表的一種),放射源與監測器分別裝于被測物質的兩邊,入射射線穿透物質時被減弱,同時探測器檢測出射射線的劑量。當反應器內無料時,出射射線的劑量較強,反之較弱,安裝示意圖如圖2。

圖2 安裝示意圖

在加氫裝置反應構架4層R-401/R-402/403反應器上分別安裝一枚射源,反應構架8層R-401/R-402/403反應器上分別安裝一枚射源,反應構架9層V-404上安裝3枚射源,反應構架10層V-404上安裝1枚射源;催化劑油漿制備構架4層V-202/V-205分別安裝一枚射源,減壓站V-405安裝3枚射源,V-502下部安裝一枚射源,T-501下部安裝一枚射源,T-502下部安裝一枚射源,共計18枚放射源。源于檢測器安裝位置的選擇。反應器的制造由設備生產廠家完成,核儀表的制造歸屬儀表生產廠家,反應器制造時對應的源及檢測器安裝接口設計由設計院提供。設備制造廠在接口制造時按設計院接口圖要求確定,在具體實施時接口確定時嚴格按圖施工,不能考慮到現場實際應用需求,導致一些問題的發生。諸如位置選擇不錄,接口選擇在設備的焊縫處,導致后期測量準確度下降,不能滿足現場實際監測需要;或源安裝位置選擇較為隨意,沒有考慮到現場實際空間位置,太高不利于維護或太低不便于防護安全。

3.2 標定工作

在放射源、檢測器安裝到位,上電正常。現場工藝條件具備后,可以進入調試階段。調試前檢查內容:檢查射源及檢測器安裝是否規范;檢查射源閘門的開關位置,鎖具是否完好;檢測射源1 m處劑量率值,檢測表面5 cm處劑量率有無異常;檢查檢測器接線是否正確、端子是否牢固;檢測器上電,測量供電電壓是否正常;連接通訊設備,調整基礎參數,固件升級,啟用檢測器。

標定內容:打開射源閘門,檢測表面及周圍劑量率變化;檢測射源對面或側面接收器安裝位置處劑量率值是否正常;通過通訊設備查看檢測器接收到的信號強度(脈沖數);關閉射源閘門,用通訊設備標定接收器背景(環境本底);打開源門,確認設備內無物料,待接收器檢測數據穩定,進行冷態空標;空標成功后,再次關閉源門,待檢測器數值穩定后,進行冷態滿標;冷態標定成功后,待工藝條件具備后,進物料升壓、升溫后進行實物標定,去除干擾因素。此時,標定工作基本完成。

在此特別說明,核源閘門的啟閉在手動自鎖和氣動執行機構兩種操作模式。其模式的選擇要充分考慮使用、防護的安全。如采用手動模式,源的啟閉需要操作人員現場手動操作,對操作人員的操作技能、防護方面的知識儲有一定要求,避免因操作不當,如自鎖不到位等導致源的退出,影響工藝參數監測。在使用氣動執行機構時,要充分考慮氣源或驅動信號中斷情況下的狀態影響,是否在工藝操作可接受的范圍之內,如工藝條件不允許中斷,要考慮故障情況下的源的正常運行,如加裝氣源儲氣罐作為儲能裝備。

3.3 故障及分析

常見故障現像較常見表現為:通訊設備無法通訊;檢測器輸出信號異常;檢測器報故障;檢測器檢測不到信號或信號很弱;源門開關卡頓或源無法推送至套管內。

引起故障的主要因素可以分以下幾點:通訊設備故障;檢測器供電異常;檢測器回路故障;檢測器傳感器損壞;檢測器固件版本低;檢測器安裝位置不當;射源源門機械故障;射源劑量不足或計算不當;射源安裝位置或方向不當;套管制造缺陷;設備內有介質;設備制造規格尺寸與設計不符;設備內有金屬廢料;設備內有攪拌器、攪拌軸;設備內件規格尺寸與設計不符;設備內件安裝方位不當。

4 核儀表的防護

4.1 放射源的分類

根據放射源對人體可能的傷害程度,將放射源分為5類:

Ⅰ類放射源屬極危險源,沒有任何防護情況下,接觸這類危險源幾分鐘到1 h就可致人死亡。Ⅱ類放射源屬高危險源,沒有防護情況下,接觸這類危險源幾小時至幾天可以致人死亡。Ⅲ類放射源屬中危險源,沒有防護情況下,接觸這類危險源幾小時就可對人造成永久性損傷,接觸幾天至幾周也可致人死亡。此三類放射源為危險放射源。Ⅳ類放射源屬低危險源,基本不會對人造成永久性損傷,但對長時間、近距離接觸這些放射源的人可能造成可恢復的臨時性損傷。

Ⅴ類放射源屬極低危險源,不會對人造成永久性損傷,在我國被盜或失控的放射源多數屬于Ⅳ類放射源或Ⅴ類放射源,在本加氫裝置中采用的核放射源為Cs-137,銫-137的半衰期較長達30 a,為Ⅴ類放射源。

4.2 儀表防護

輻射防護是研究保護人類、環境免受或少受輻射危害的應用性學科,核放射性儀表在加氫裝置的應用,優選放射源Cs-137,為Ⅴ類放射源,屬于密封性放射源,其本不會對人造成永久性損傷。但在特殊情況下,對長時間,近距離接觸這些放射源的人可能造成可恢復的臨時性損傷。懸浮床加氫裝置反應單元R-401/R-402/403反應器和熱高壓分離罐因工況特殊,采用了放射性儀表測量設備內固液混合物介質密度、物位。其中放射性元素為Cs-137,是能量相對較低的一種放射性物質,裝置中使用的放射源均屬于Ⅳ類源,最大活度為2 000 mCi,離源1 m處劑量率均小于2.5 μSv/h,對人員健康幾乎無影響。

源的防護,放射源安裝在裝置反應器框架R-401/R-402/403設備源支架處,遠離地面,但工藝巡檢人員在源附近活動較為頻繁。鑒于放射源的特殊性,源附近設備明顯的電離輻射警示標識并標有源的型號、核素名稱、活度、輻射類型、廠家、出廠日期等相關信息,同時嚴禁無關人員進入核區域;放射源在裝置停運時,應關閉閘源;核源巡檢人員參照核料位計安裝場所輻射水平檢測方法,用檢定合格的監測儀(輻射儀)定時監測源表面5 cm處、1 m處的周圍劑量當量率,每占均需測5次取平均值作為測量值。并做好相關記錄;同時參照《職業性外照射個人監測規范》對相關職業人員進行個人劑量監測。

制定輻射源管理制度,明確輻射源的日常管理、存儲、報廢等工作流程。組織相關人員參加輻射安全培訓、個人劑量監測和職業健康檢查并建立專項檔案。

5 總結

總之,隨著傳感器技術、通訊技術、計算機技術的發展,常規儀表在復雜工況中應用有望取代核輻射儀表,但在苛刻工況中,常規儀表在短時期內還不具備取代核儀表的條件。核儀表在較長的一段時間內,在化工裝置中的應用還是不可替代的。所以核放射儀表在工業裝置應用的各階段,在設計、生產、安裝、維護各階段都要考慮核輻射儀表本身的特殊性,充分考慮到核儀表巡檢、維護的便捷、檢測數據的可靠,同時考慮防護的安全性及對環境的影響。