优化聚丙烯装置放射源接收系统，延长系统使用寿命
运行保障中心仪表第三作业部
2013年11月28日
摘要：某聚丙烯装置气锁器设备M242A/B的料位测量采用的是放射性核料位计，其测量系统由棒状Co60放射源、闪烁式接收器检测器、L323-2变送器等几个部分组成。由于放射源存在半衰期，Co60放射源的半衰期为5.27年[1]（放射性核素半衰期表），三聚装置1998年投入生产至今已经达15年之久，放射源活性明显降低，同时LB323-2变送器老化严重，无备件，严重影响着物位的测量精度，导致装置的生产波动。此次改造本着节约成本、解决变送器无备件、延长核料位计使用寿命的原则，对装置中LB323-2变送器进行升级改造，更换成LB440系列变送器，包含两个主机、六个从机，主机与从机采用RS485通讯模式，减少电缆的浪费；同时现场检测器更换为更灵敏的LB440-03型检测器，提高测量精度，现场至控制室信号传输由原脉冲频率信号变为模拟电信号传输，避免由于脉冲信号的长距离传输信号衰减引起的测量误差。据咨询数据，通过此次优化测量系统，在节约成本、解决变送器无备件、提高测量精度的前提下M242A/B八个核料位计的测量寿命延长了5-6年。
关键词：放射源、LB440变送器、检测器、使用寿命、干扰
一、前言
某聚丙烯装臵于1998年12月建成投产，采用Innovene 工艺，该装臵包括一条聚合生产线，两个反应器，一条造粒生产线和三条包装线，最大生产能力达到280kt/a，能够生产六十多个牌号的产品。 反应器系统包括两个卧式搅拌床气相反应器和气体及液体循环回路，反应器在66℃、2.2MPa 下操作，两反应器串联操作，两反应器的操作条件完全相同，第一反应器的聚合物通过粉料输送系统输送第二反应器。粉料输送系统同时能够隔阻两反应器之间相互串流，从第二反应器排出的聚合物粉末进行单体分离，进入脱气仓脱除残余催化剂，经M304脱活干燥后的聚丙烯粉料被C303输送到粉料储罐F412中，然后下到F-401混炼机料斗加入稳定剂等各种添加剂，熔融聚丙烯经过水下切粒机形成小颗粒后经过压缩机将聚丙烯颗粒输送到料仓。
在第一反应器与第二反应器之间的粉料输送系统，即气锁器系统主要设备包括气锁器M241A/B、沉降器M242A/B，其中沉降器M242A/B容器内的料位测量LT2403A/B/C/D、LT2401A/B/C/D采用的是钴60棒源、点接收器形式的放射性物位计测量方法。通过对沉降器内料位的测量来控制聚合第一反应器与第二反应器内粉料的合理配比。
二、放射性物位计原理及应用配臵
（二）放射性物位计测量原理
利用同位素技术，通过核辐射检测进行工业测量的仪表成为核辐射仪表，亦成为放射性仪表，可实现非接触测量罐等容器内的物位。放射性物[2]
位计是基于“射线吸收原理”。放射性同位素Co60或Cs137衰变时可产生 射线，γ射线穿透物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对的生成，γ射线将被物质的原子散射和吸收，造成γ射线衰减，射线强度按指数规律减弱，测量原理图如图2-1，关系式如下公式2-1： [3]
I =I 0e pdu m （公式2-1）
I —衰减后的辐射强度；
I 0—入射时的辐射强度；
e —自然对数的底；
u m —物质质量吸收系数，与辐射源类型有关；
p —被测介质的密度；
d —被穿透物质的厚度；
1I 0
ln I
当被测介质密度一定时，由（2-1）式可得：d =pu m 式2-2）
图2-1：测量原理 （公
（二）放射性液位计的应用配臵
放射性液位计一般由放射源、检测器、信号处理单元三大部分组成。检测器分为有盖革管、电离室和闪烁计数器，也分点状接受器和棒状接受器。采用核辐射检测器（闪烁计数器或离子室）检测穿透物质后的剩余γ 射线，将其转换为电量的变化，并通过电子电路的处理，就可测出被测物质的物位。
放射源一般选择同位素Cs137 或Co60 放射源。Cs137 半衰期为30.17 年，穿透性差一些；Co60 半衰期为5.27 年，穿透性强，由于三聚装臵所测容器为大直径厚壁容器，所以放射源选择的为穿透能力强的Co60。
放射源有点状源和棒状源之分。Cs137 一般为点源，而Co60 既可做点源又可做棒状源。点源常常需要大的辐射强度，要多考虑安全防护问题；棒状源可尽可能减小所需的辐射强度但制造难度大。
基于放射源和检测器的形态，放射性液位计的应用配臵可参见图2-2。
图2-2 放射性核料位计的应用配臵图
三、原M242A/B物位测量系统及存在问题
（一） 原物位测量系统组成
三聚装臵自1998年建成投产以来，气锁器系统主要设备沉降器M242A/B物位LT2403A/B/C/D、LT2401A/B/C/D测量方式为放射性物位计测量方法，其中放射源钴60做成棒源形式，每四个钴60放射源作为一个棒源，检测器采用闪烁计数器型号为SZ5-L 50/50，共八个检测器，一个棒源对应四个检测器，共八个检测器，信号处理变送器采用德国BRETHOLD （伯托）公司LB323-2型号。LB323-2 放射性液位计向闪烁计数器供电，检测器安装在与棒状Co60 放射源上端同一水平线处，作用是将穿透被测液位的剩余γ射线检测并转换为标准脉冲信号[4]。八个检测器分别通过七芯屏蔽电缆与LB323-2变送器连接，将标准脉冲信号传输到控制室，经过变送器LB323-2进行脉冲频率信号转换成标准4-20mA 电信号，进而到DCS 上显示，一个检测回路系统测量如下图3-1所示, 共八个下图所示的回路:
图 3-1
原放射性物位计测量方法
原机柜间变送器背板接线如图3-2所示
:
图3-2 LB323-2背板接线方式
（二）存在问题
（1）自装臵投用至今已15年之久，Co60放射源的半衰期为5.27年，活性严重下降，影响测量精度；
（2）LB323-2型变送器设备老化，且现在市场销售几乎为零、无备件，一旦出现故障将无法测量M242A 或M242B 内的料位，导致生产装臵的波动；
（3）现场检测器SZ5-L 50/50与室内变送器LB323-2长距离传输采用的是脉冲频率信号，此信号容易受到外界干扰，降低测量精度；
（4）现场检测器SZ5-L 50/50与室内变送器LB323-2通过七芯屏蔽电缆进行长距离传输，电缆老化一旦有一处出现破损，整个测量回路将会瘫痪；同时七芯电缆浪费资源。
四、问题解决方案及实施
（一）问题方案分析
1、更换放射源
（1）Co60放射源价格较贵，约为20000元, 共8个，约160000元；
（2）审批购买放射源需要环保一系列手续，包括购买地，使用地的环保部门，花费至少100000元，且装臵停车时间较短；
（3）废源处理费用较高，费用每支至少15000元，且仅有两种途径，一是由放射源的真正的生产厂家收贮，二是将放射源交给经环保部门许可的单位收贮。
2、升级检测器及变送器
咨询德国BRETHOLD （伯托）公司技术工程师，如果仅将现场检测器及室内变送器升级改型为检测器LB4401-03、变送器LB440即可延长测量系统的使用寿命长达5-6年。实施方案简单，经济合理，且在装臵停车一周期间内可以完成方案的实施。
经讨论一致认为第二种方案为最优方案。
（二）方案实施
利用停车机会，对三聚气锁器M242A/B测量物位放射性仪表测量回路进行改造、优化。
1、系统测量图如下图4-1
气锁器M242A/B 物位测量LT2403A/B/C/D、LT2401A/B/C/D采用的是LB4401-03点探测器，探测器至主机的信号通过有FSK 调制技术的二芯电缆传输, 抗干扰性能非常强。 [5]
图 4-1 升级后测量系统图
2、采购设备表如下表4-1：
3、现场及控制室内接线方式
LB440接线端子在后面板上，如下图4-2所示，包括电源接线端子、探头接线端子、电流输出接线端子。一个机架内容纳一个主机、3个副机，副机用于与其余的探头连接并与主机通过RS485通讯，连接如图4-3所示，主机(LB440-1)与第一个探测器相连，对所有探测器的信号进行累加，并产
生输出信号送给DCS 显示。
图
4-2 LB440变送器背板接线方式
图4-3 LB440主副机通讯连接图
优化后机柜间LB440变送器背板接线实际效果如图4-4所示
:
图4-4 LB440变送器实际接线图
4、内部参数设定
由德国BRETHOLD （伯托）公司技术工程师对LB4401-03探测器进行两点法标定，即取零点和满度两点。
1、 选择接口／标定（Interfaces/Calibration）菜单组。
2、 按 进入标定子菜单。 零点标定
利用停车机会，将设备倒空，在设备是空的情况下，进行零点标定。
1、存入对应于零点的料位值（比如０％），按键。
2、按读进相应的计数率，待读数稳定后再按停止测量。
3、按键存入计数。
4、按进入下一个参数。 满度标定
物料充满设备或者在满度（MAX ）位臵以上标定满度。满度（MAX ）位臵以下的某一点也可以作为标定点，联系工艺、设备人员，确认某一点确切料位，存入确切的料位值。
1、存入满度标定点的料位值（比如80%），并按键。
2、按读进相应的计数率，待读数稳定后，按停止测量。
3、按键存入读数。
4、按回到所在的菜单组，再按回到测量状态。
4.2.5 优化前后控制面板对比如下图4-5、图
4-6
图4-5优化前二次表面板
图4-6优化后二次表面板
五、实际效果及经济效益
此次通过对放射性物位计检测器及变送器的升级改造，效果显著。
1、 解决LB323-2变送器无备件、现场检测器灵敏度低等问题；
2、 解决由于钴60放射源半衰期引起的活性降低，造成测量不准确问题，延长系统使用寿命，达5-6年；
3、 降低由于脉冲频率信号长距离传输信号衰减引起的测量精度下降问题；
4、 升级后回路采用两线制电缆传输信号，仅铺设一根2芯电缆即可，与原回路采用七芯电缆传输，铺设12芯电缆相比，节省电缆，按12芯电缆与2芯电缆差价15元/米，共8个回路，按每个回路350米，共节省资金8*350*15=42000元。
5、 如果更换放射源，每个钴60放射源大约20000元，8个共计160000元，加上废源处理费每只20000元，共160000元，购买新放射源所需的环
保部门一系列手续费至少100000元，安装放射源需要专业人员，安装每只按5000元计算，共5000*8=40000元，所以若更换放射源共需资金46万元。而更换变送器、检测器共需资金20万元。
综上所述, 在延长系统使用寿命的前提下共节省46-20+4.2=30.2万元。
六、结束语
通过此次改造放射性物位计实际使用效果及经济效益非常显著，能够有效地保证装臵的正常测量，避免由于测量不准引起的生产波动。升级变送器、检测器，优化放射性物位测量回路系统，延长放射性物位计使用年限的方法，将更广泛的应用到装臵其他放射性物位测量系统中。
参考文献
【1】常见放射性核素半衰期
【2】20万吨聚丙烯操作法
【3】放射性液位计的原理和应用
【4】自动控制仪表维修技术
【5】德国伯托公司LB440 料位计说明书
优化聚丙烯装置放射源接收系统，延长系统使用寿命
运行保障中心仪表第三作业部
2013年11月28日
摘要：某聚丙烯装置气锁器设备M242A/B的料位测量采用的是放射性核料位计，其测量系统由棒状Co60放射源、闪烁式接收器检测器、L323-2变送器等几个部分组成。由于放射源存在半衰期，Co60放射源的半衰期为5.27年[1]（放射性核素半衰期表），三聚装置1998年投入生产至今已经达15年之久，放射源活性明显降低，同时LB323-2变送器老化严重，无备件，严重影响着物位的测量精度，导致装置的生产波动。此次改造本着节约成本、解决变送器无备件、延长核料位计使用寿命的原则，对装置中LB323-2变送器进行升级改造，更换成LB440系列变送器，包含两个主机、六个从机，主机与从机采用RS485通讯模式，减少电缆的浪费；同时现场检测器更换为更灵敏的LB440-03型检测器，提高测量精度，现场至控制室信号传输由原脉冲频率信号变为模拟电信号传输，避免由于脉冲信号的长距离传输信号衰减引起的测量误差。据咨询数据，通过此次优化测量系统，在节约成本、解决变送器无备件、提高测量精度的前提下M242A/B八个核料位计的测量寿命延长了5-6年。
关键词：放射源、LB440变送器、检测器、使用寿命、干扰
一、前言
某聚丙烯装臵于1998年12月建成投产，采用Innovene 工艺，该装臵包括一条聚合生产线，两个反应器，一条造粒生产线和三条包装线，最大生产能力达到280kt/a，能够生产六十多个牌号的产品。 反应器系统包括两个卧式搅拌床气相反应器和气体及液体循环回路，反应器在66℃、2.2MPa 下操作，两反应器串联操作，两反应器的操作条件完全相同，第一反应器的聚合物通过粉料输送系统输送第二反应器。粉料输送系统同时能够隔阻两反应器之间相互串流，从第二反应器排出的聚合物粉末进行单体分离，进入脱气仓脱除残余催化剂，经M304脱活干燥后的聚丙烯粉料被C303输送到粉料储罐F412中，然后下到F-401混炼机料斗加入稳定剂等各种添加剂，熔融聚丙烯经过水下切粒机形成小颗粒后经过压缩机将聚丙烯颗粒输送到料仓。
在第一反应器与第二反应器之间的粉料输送系统，即气锁器系统主要设备包括气锁器M241A/B、沉降器M242A/B，其中沉降器M242A/B容器内的料位测量LT2403A/B/C/D、LT2401A/B/C/D采用的是钴60棒源、点接收器形式的放射性物位计测量方法。通过对沉降器内料位的测量来控制聚合第一反应器与第二反应器内粉料的合理配比。
二、放射性物位计原理及应用配臵
（二）放射性物位计测量原理
利用同位素技术，通过核辐射检测进行工业测量的仪表成为核辐射仪表，亦成为放射性仪表，可实现非接触测量罐等容器内的物位。放射性物[2]
位计是基于“射线吸收原理”。放射性同位素Co60或Cs137衰变时可产生 射线，γ射线穿透物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对的生成，γ射线将被物质的原子散射和吸收，造成γ射线衰减，射线强度按指数规律减弱，测量原理图如图2-1，关系式如下公式2-1： [3]
I =I 0e pdu m （公式2-1）
I —衰减后的辐射强度；
I 0—入射时的辐射强度；
e —自然对数的底；
u m —物质质量吸收系数，与辐射源类型有关；
p —被测介质的密度；
d —被穿透物质的厚度；
1I 0
ln I
当被测介质密度一定时，由（2-1）式可得：d =pu m 式2-2）
图2-1：测量原理 （公
（二）放射性液位计的应用配臵
放射性液位计一般由放射源、检测器、信号处理单元三大部分组成。检测器分为有盖革管、电离室和闪烁计数器，也分点状接受器和棒状接受器。采用核辐射检测器（闪烁计数器或离子室）检测穿透物质后的剩余γ 射线，将其转换为电量的变化，并通过电子电路的处理，就可测出被测物质的物位。
放射源一般选择同位素Cs137 或Co60 放射源。Cs137 半衰期为30.17 年，穿透性差一些；Co60 半衰期为5.27 年，穿透性强，由于三聚装臵所测容器为大直径厚壁容器，所以放射源选择的为穿透能力强的Co60。
放射源有点状源和棒状源之分。Cs137 一般为点源，而Co60 既可做点源又可做棒状源。点源常常需要大的辐射强度，要多考虑安全防护问题；棒状源可尽可能减小所需的辐射强度但制造难度大。
基于放射源和检测器的形态，放射性液位计的应用配臵可参见图2-2。
图2-2 放射性核料位计的应用配臵图
三、原M242A/B物位测量系统及存在问题
（一） 原物位测量系统组成
三聚装臵自1998年建成投产以来，气锁器系统主要设备沉降器M242A/B物位LT2403A/B/C/D、LT2401A/B/C/D测量方式为放射性物位计测量方法，其中放射源钴60做成棒源形式，每四个钴60放射源作为一个棒源，检测器采用闪烁计数器型号为SZ5-L 50/50，共八个检测器，一个棒源对应四个检测器，共八个检测器，信号处理变送器采用德国BRETHOLD （伯托）公司LB323-2型号。LB323-2 放射性液位计向闪烁计数器供电，检测器安装在与棒状Co60 放射源上端同一水平线处，作用是将穿透被测液位的剩余γ射线检测并转换为标准脉冲信号[4]。八个检测器分别通过七芯屏蔽电缆与LB323-2变送器连接，将标准脉冲信号传输到控制室，经过变送器LB323-2进行脉冲频率信号转换成标准4-20mA 电信号，进而到DCS 上显示，一个检测回路系统测量如下图3-1所示, 共八个下图所示的回路:
图 3-1
原放射性物位计测量方法
原机柜间变送器背板接线如图3-2所示
:
图3-2 LB323-2背板接线方式
（二）存在问题
（1）自装臵投用至今已15年之久，Co60放射源的半衰期为5.27年，活性严重下降，影响测量精度；
（2）LB323-2型变送器设备老化，且现在市场销售几乎为零、无备件，一旦出现故障将无法测量M242A 或M242B 内的料位，导致生产装臵的波动；
（3）现场检测器SZ5-L 50/50与室内变送器LB323-2长距离传输采用的是脉冲频率信号，此信号容易受到外界干扰，降低测量精度；
（4）现场检测器SZ5-L 50/50与室内变送器LB323-2通过七芯屏蔽电缆进行长距离传输，电缆老化一旦有一处出现破损，整个测量回路将会瘫痪；同时七芯电缆浪费资源。
四、问题解决方案及实施
（一）问题方案分析
1、更换放射源
（1）Co60放射源价格较贵，约为20000元, 共8个，约160000元；
（2）审批购买放射源需要环保一系列手续，包括购买地，使用地的环保部门，花费至少100000元，且装臵停车时间较短；
（3）废源处理费用较高，费用每支至少15000元，且仅有两种途径，一是由放射源的真正的生产厂家收贮，二是将放射源交给经环保部门许可的单位收贮。
2、升级检测器及变送器
咨询德国BRETHOLD （伯托）公司技术工程师，如果仅将现场检测器及室内变送器升级改型为检测器LB4401-03、变送器LB440即可延长测量系统的使用寿命长达5-6年。实施方案简单，经济合理，且在装臵停车一周期间内可以完成方案的实施。
经讨论一致认为第二种方案为最优方案。
（二）方案实施
利用停车机会，对三聚气锁器M242A/B测量物位放射性仪表测量回路进行改造、优化。
1、系统测量图如下图4-1
气锁器M242A/B 物位测量LT2403A/B/C/D、LT2401A/B/C/D采用的是LB4401-03点探测器，探测器至主机的信号通过有FSK 调制技术的二芯电缆传输, 抗干扰性能非常强。 [5]
图 4-1 升级后测量系统图
2、采购设备表如下表4-1：
3、现场及控制室内接线方式
LB440接线端子在后面板上，如下图4-2所示，包括电源接线端子、探头接线端子、电流输出接线端子。一个机架内容纳一个主机、3个副机，副机用于与其余的探头连接并与主机通过RS485通讯，连接如图4-3所示，主机(LB440-1)与第一个探测器相连，对所有探测器的信号进行累加，并产
生输出信号送给DCS 显示。
图
4-2 LB440变送器背板接线方式
图4-3 LB440主副机通讯连接图
优化后机柜间LB440变送器背板接线实际效果如图4-4所示
:
图4-4 LB440变送器实际接线图
4、内部参数设定
由德国BRETHOLD （伯托）公司技术工程师对LB4401-03探测器进行两点法标定，即取零点和满度两点。
1、 选择接口／标定（Interfaces/Calibration）菜单组。
2、 按 进入标定子菜单。 零点标定
利用停车机会，将设备倒空，在设备是空的情况下，进行零点标定。
1、存入对应于零点的料位值（比如０％），按键。
2、按读进相应的计数率，待读数稳定后再按停止测量。
3、按键存入计数。
4、按进入下一个参数。 满度标定
物料充满设备或者在满度（MAX ）位臵以上标定满度。满度（MAX ）位臵以下的某一点也可以作为标定点，联系工艺、设备人员，确认某一点确切料位，存入确切的料位值。
1、存入满度标定点的料位值（比如80%），并按键。
2、按读进相应的计数率，待读数稳定后，按停止测量。
3、按键存入读数。
4、按回到所在的菜单组，再按回到测量状态。
4.2.5 优化前后控制面板对比如下图4-5、图
4-6
图4-5优化前二次表面板
图4-6优化后二次表面板
五、实际效果及经济效益
此次通过对放射性物位计检测器及变送器的升级改造，效果显著。
1、 解决LB323-2变送器无备件、现场检测器灵敏度低等问题；
2、 解决由于钴60放射源半衰期引起的活性降低，造成测量不准确问题，延长系统使用寿命，达5-6年；
3、 降低由于脉冲频率信号长距离传输信号衰减引起的测量精度下降问题；
4、 升级后回路采用两线制电缆传输信号，仅铺设一根2芯电缆即可，与原回路采用七芯电缆传输，铺设12芯电缆相比，节省电缆，按12芯电缆与2芯电缆差价15元/米，共8个回路，按每个回路350米，共节省资金8*350*15=42000元。
5、 如果更换放射源，每个钴60放射源大约20000元，8个共计160000元，加上废源处理费每只20000元，共160000元，购买新放射源所需的环
保部门一系列手续费至少100000元，安装放射源需要专业人员，安装每只按5000元计算，共5000*8=40000元，所以若更换放射源共需资金46万元。而更换变送器、检测器共需资金20万元。
综上所述, 在延长系统使用寿命的前提下共节省46-20+4.2=30.2万元。
六、结束语
通过此次改造放射性物位计实际使用效果及经济效益非常显著，能够有效地保证装臵的正常测量，避免由于测量不准引起的生产波动。升级变送器、检测器，优化放射性物位测量回路系统，延长放射性物位计使用年限的方法，将更广泛的应用到装臵其他放射性物位测量系统中。
参考文献
【1】常见放射性核素半衰期
【2】20万吨聚丙烯操作法
【3】放射性液位计的原理和应用
【4】自动控制仪表维修技术
【5】德国伯托公司LB440 料位计说明书