放射性液位計(jì)在三聚氰胺裝置中的應(yīng)用

蔡敢濤

(惠生工程(中國)有限公司，鄭州 450018)

放射性液位計(jì)在三聚氰胺裝置中的應(yīng)用

蔡敢濤

(惠生工程(中國)有限公司，鄭州 450018)

三聚氰胺最終轉(zhuǎn)換器是三聚氰胺裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，其液位測量十分重要，傳統(tǒng)的液位測量儀表無法滿足高溫、高壓和介質(zhì)易結(jié)晶的苛刻工況。分析了放射性液位計(jì)的工作原理和特點(diǎn)，并介紹了放射性液位計(jì)在三聚氰胺裝置中的應(yīng)用情況。研究表明，放射性液位計(jì)維護(hù)量低、測量精度高、反應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高，能夠降低投資成本，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

放射性液位計(jì) 三聚氰胺 放射源 γ射線

某三聚氰胺裝置以熔融尿素和氨為原料，采用意大利歐技公司年產(chǎn)6萬t三聚氰胺高壓非催化工藝技術(shù)進(jìn)行三聚氰胺產(chǎn)品的生產(chǎn)。為了使反應(yīng)更加完全，減少副產(chǎn)物，在三聚氰胺反應(yīng)器后設(shè)置最終轉(zhuǎn)換器，熔融狀態(tài)下的三聚氰胺從最終反應(yīng)器出來后再進(jìn)行急冷、凈化及結(jié)晶等其他工序。最終轉(zhuǎn)換器是三聚氰胺裝置的關(guān)鍵設(shè)備，因此，采取有效的方法和先進(jìn)的設(shè)備準(zhǔn)確測量最終轉(zhuǎn)換器的液位并對其進(jìn)行聯(lián)鎖控制是安全生產(chǎn)的必要前提。

最終轉(zhuǎn)換器采用熔鹽伴熱，其反應(yīng)溫度為380℃，壓力為9.32MPa(G)，介質(zhì)為熔融狀態(tài)下的三聚氰胺和氨氣，根據(jù)測量介質(zhì)的特點(diǎn)和高溫、高壓的苛刻工況，首選非接觸式液位測量儀表。雖然雷達(dá)液位計(jì)有微波測量非接觸式的型式，在相關(guān)選型樣本上高溫型雷達(dá)的過程溫度可達(dá)400℃，但在該工況下采用雷達(dá)液位計(jì)，最終轉(zhuǎn)換器需要采用哈氏合金材料制成的穩(wěn)波管，且必須用過熱氨蒸汽進(jìn)行吹掃以防止三聚氰胺結(jié)晶。這不但對設(shè)備設(shè)計(jì)制造造成麻煩，增加成本，而且雷達(dá)液位計(jì)長期工作在如此苛刻工況下，其使用壽命無法保證，同時也無該工況下相關(guān)的使用業(yè)績和經(jīng)驗(yàn)。因此，在最終轉(zhuǎn)換器上采用放射性液位計(jì)進(jìn)行液位測量。放射性液位計(jì)工作過程中各部件與被測物料不接觸，測量過程是非接觸式的，對于該高溫、高壓、易結(jié)晶的工況具有很好的適用性[1]。

2 液位計(jì)測量原理和組成

2.1測量原理

放射性液位計(jì)是一種固定安裝、連續(xù)測量液位的檢測儀表，它以核輻射檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，通過測量γ射線與被測物料相互作用所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度的變化，從而連續(xù)測量液位的變化。窄束的γ射線的吸收規(guī)律通常是指數(shù)規(guī)律[2]：

I=I0e-μh

式中h——測量介質(zhì)的高度；

I0——液位高度為0時探頭處的射線強(qiáng)度；

I——液位高度為h時探頭處的射線強(qiáng)度；

μ——測量介質(zhì)對γ射線的線性吸收系數(shù)。

基本測量原理如圖1所示，用探頭檢測出隨液位變化的射線強(qiáng)度信號[3]，再經(jīng)過核電子學(xué)處理，最后轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾娦盘柧涂梢杂脕盹@示液位。

2.2儀表組成

放射性液位計(jì)整體由信號檢測裝置和信號轉(zhuǎn)換器兩部分組成。檢測裝置由放射源及其防護(hù)容器和射線探測器組成，它們按設(shè)計(jì)要求安裝在被測設(shè)備現(xiàn)場。信號轉(zhuǎn)換器可安裝在控制室儀表盤上，通過專用電纜與探測器相連。

2.2.1放射源

放射源按測量條件可選用Cs-137或Co-60。Co-60的半衰期較短，為5.272a，Cs-137的半衰期較長，為30.167a[4]。Co-60具有相對高的能量，其穿透力比Cs-137強(qiáng)，適用于壁厚較大的設(shè)備，根據(jù)該裝置最終轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，放射性液位計(jì)的放射源選用Cs-137，其具有比Co-60更好的測量效果，并且屏蔽容易[5]。

圖1 基本測量原理示意圖

2.2.2射線探測器

射線探測器是放射源的接收裝置，其功能是接收γ射線強(qiáng)度信號并將其轉(zhuǎn)換成電信號[6]。放射性液位計(jì)使用的探測器一般選用閃爍計(jì)數(shù)器，這是因?yàn)殚W爍計(jì)數(shù)器探測γ射線的靈敏度較高，且使用壽命與輻射場的強(qiáng)度無關(guān)。其長度可以根據(jù)所需的測量范圍而定，如果測量范圍太大，則需要兩個或兩個以上的探測器。探測器有防爆型和非防爆型，根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域劃分，該放射性液位計(jì)的探測器應(yīng)選用防爆型。

2.2.3轉(zhuǎn)換器

轉(zhuǎn)換器是將探測器檢測到的射線的變化信號轉(zhuǎn)換成與測量量程相對應(yīng)的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，同時具有探測器高電壓工作點(diǎn)的設(shè)定、放射源衰減補(bǔ)償、上下限報(bào)警輸出及系統(tǒng)故障報(bào)警輸出等功能。

3 在三聚氰胺裝置的應(yīng)用和日常維護(hù)

3.1在三聚氰胺裝置的應(yīng)用

最終轉(zhuǎn)換器設(shè)備總高11 260mm，內(nèi)徑1 206mm，采用熔鹽伴熱，外夾套兩處膨脹節(jié)將設(shè)備分成3個測量段，底段1 095mm、中段1 300mm、頂段4 043mm。根據(jù)3個測量段的長度，在頂段設(shè)3個射線探測器，其余兩段均設(shè)一個射線探測器。每個測量段設(shè)一臺轉(zhuǎn)換器，放射源采用多點(diǎn)源。根據(jù)最終轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，配合設(shè)備專業(yè)，在設(shè)備中心設(shè)計(jì)套管，用于安裝放射源，放射源防護(hù)罐安裝于套管頂部，采用法蘭連接形式。防護(hù)罐的設(shè)計(jì)應(yīng)保證能用繩子或桿升降放射源。最終轉(zhuǎn)換器第三測量段放射性液位計(jì)如圖2所示。

圖2 最終轉(zhuǎn)換器第三測量段示意圖

由于放射源防護(hù)罐的安裝是永久性的，因此所有的緊固件都必須牢固[7]，為了保證安裝人員的受照劑量盡可能得低，所有參加安裝防護(hù)罐的人員都必須經(jīng)過培訓(xùn)并有放射源操作證書，且有放射防護(hù)人員在場監(jiān)護(hù)，并確保防護(hù)罐的輻射道已關(guān)閉并已鎖定，射線不可能泄漏出來。

探測器應(yīng)垂直安裝于最終轉(zhuǎn)換器的外壁，探測器中心線至設(shè)備表面保溫層要有適當(dāng)?shù)木嚯x，避免熱量傳到探測器上。由于現(xiàn)場溫度較高，探測器設(shè)冷卻水系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)初期，向工藝和管道專業(yè)提出冷卻水條件，以滿足探測器安裝環(huán)境溫度要求。探測器于安裝支架上用夾套固定，并使輻射窗面向放射源且不被擋掉。

放射性液位計(jì)轉(zhuǎn)換器采用220V(AC)電源進(jìn)行供電，為保證電源穩(wěn)定和儀表的正常工作，避免因電源故障引起的裝置事故。設(shè)計(jì)時采用UPS不間斷電源[8]，有效地提高了儀表工作的穩(wěn)定性。

各部件安裝完畢后，放射性液位計(jì)轉(zhuǎn)換器將檢測到的射線的變化信號轉(zhuǎn)換成與測量量程相對應(yīng)的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號至DCS，對三聚氰胺最終轉(zhuǎn)換器的液位進(jìn)行監(jiān)控，并參與開車控制聯(lián)鎖[9]。三聚氰胺最終轉(zhuǎn)換器液位設(shè)低報(bào)警、低低報(bào)警、高報(bào)警、高高聯(lián)鎖、高高高聯(lián)鎖，并控制三聚氰胺最終轉(zhuǎn)換器出口調(diào)節(jié)閥開度，使液位保持在安全范圍內(nèi)。液位低、低低、高時，在DCS上進(jìn)行報(bào)警，液位高高時，聯(lián)鎖觸發(fā)熔融尿素給料泵PID控制器，控制熔融尿素給料量，液位高高高時，聯(lián)鎖觸發(fā)停熔融尿素給料泵，停止熔融尿素的供給，以保證三聚氰胺最終轉(zhuǎn)換器和操作人員的安全。

3.2日常維護(hù)

放射性液位計(jì)的維護(hù)量較少，在通常工作狀態(tài)下，放射源防護(hù)罐沒有需要維護(hù)的磨損部件和機(jī)械移動部件。但出于安全考慮，應(yīng)隔半年或者一年檢查一次防護(hù)罐和鎖定裝置。同時定期與工藝專業(yè)配合，分析料位指示的可靠性，每年應(yīng)至少對儀表重新標(biāo)定一次，以保證液位計(jì)使用的可靠性。放射源使用壽命很長，但當(dāng)統(tǒng)計(jì)誤差隨著時間的推移變得越來越大，而增加時間常數(shù)由于工藝的原因不允許的話，應(yīng)考慮對放射源進(jìn)行更換，放射源更換后，必須重新對儀表進(jìn)行標(biāo)定。

4 放射源使用注意事項(xiàng)

放射性液位計(jì)的放射源為固態(tài)密封放射源，正常操作不引起環(huán)境污染和工作人員輻射超標(biāo)[10]，但在使用過程中應(yīng)遵照《中華人民共和國放射源污染防治法》、《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)條例》和《放射性同位素與射線裝置安全許可管理辦法》的有關(guān)規(guī)定。

國家標(biāo)準(zhǔn)《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護(hù)要求》(GBZ125-2009)規(guī)定了源容器和含密封放射源的檢測儀表的放射防護(hù)和安全要求，以及放射防護(hù)檢驗(yàn)和檢查要求，規(guī)定了不同使用場所對檢測儀表外圍輻射的劑量控制要求[11]。在使用放射性液位計(jì)的過程中應(yīng)重視安全防護(hù)工作，盡量減少不必要的照射劑量，以確保工作人員的人身安全，減少不必要的損害。

5 結(jié)束語

放射性液位計(jì)是一種固定安裝、連續(xù)測量液位的檢測儀表，測量過程是非接觸式的，適用高溫、高壓、易結(jié)晶以及其他一些特殊場所，具有其他儀表不可替代的優(yōu)越性。在三聚氰胺最終轉(zhuǎn)換器這一高溫、高壓、介質(zhì)易結(jié)晶的關(guān)鍵設(shè)備的液位測量過程中，能夠有效完成對液位的監(jiān)控、報(bào)警及聯(lián)鎖等功能，具有維護(hù)量低、測量精度高、反應(yīng)速度快以及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，能夠降低投資成本，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，在三聚氰胺裝置中的應(yīng)用中具有一定的借鑒價值。

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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

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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