摘要：延遲焦化工藝被認(rèn)為是進(jìn)行渣油深加工的重要手段。近幾年來，延遲焦化加工工藝不斷進(jìn)步，國內(nèi)外延遲焦化裝置數(shù)量及加工能力不斷增加。為發(fā)揮設(shè)備利用率，最大限度提高裝置加工量，充分利用焦炭塔的有效空間是最為經(jīng)濟(jì)、直接的手段，而最關(guān)鍵的問題就是準(zhǔn)確監(jiān)控焦炭塔的料位。從y射線連續(xù)科位計的應(yīng)用前景、系統(tǒng)構(gòu)成、測量原理以及現(xiàn)場應(yīng)用等方面，介紹天津石化2號延遲焦化裝置y射線連續(xù)料位計在監(jiān)測焦炭塔料位高度方面的應(yīng)用。現(xiàn)場應(yīng)用方面，從安全挖掘焦炭塔潛能，提高處理量；適時注入消泡劑，降低三劑消耗量；有效監(jiān)測泡沫層變化，提高焦炭塔操作的安全性；自動測量焦炭塔焦高，降低勞動強度四個方面，闡述了y射線連續(xù)科位計的應(yīng)用效果。應(yīng)用實踐表明，使用y射線連續(xù)料位計，能夠有效控制焦炭塔的安全空高，通過監(jiān)測泡沫層的高度變化，能夠合理利用焦炭塔的有效空間，提高焦炭塔的利用率，降低消泡劑的注入量，提高裝置加工負(fù)荷。
1前言
隨著煉廠加工原油不斷向重質(zhì)化、劣質(zhì)化發(fā)展，渣油輕質(zhì)化的重要性更加凸顯。延遲焦化裝置是加工渣油的主要裝置，延遲焦化工藝被認(rèn)為是進(jìn)行渣油深加工的重要手段。近幾年來，延遲焦化加工工藝不斷進(jìn)步，國內(nèi)外延遲焦化裝置數(shù)量及加工能力不斷增加。探索提高延遲焦化生產(chǎn)工藝水平，充分發(fā)揮設(shè)備利用率，最大限度地提高延遲焦化裝置加工量的努力一直沒有間斷。其中，充分利用焦炭塔的有效空間是最經(jīng)濟(jì)、最直接的手段，而最關(guān)鍵的問題就是準(zhǔn)確監(jiān)控焦炭塔的料位。
焦炭塔是延遲焦化裝置生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，焦炭塔的料位控制不僅是提高設(shè)備利用率的重要手段，而且事關(guān)延遲焦化裝置的平穩(wěn)操作和長周期運行。對于固定容積的焦炭塔來說，處理量越大，焦炭塔內(nèi)的氣體量就越大，焦炭塔的空塔線速就越大，泡沫層的高度就越高。焦炭塔泡沫層過高帶來的直接后果，是焦炭塔霧沫夾帶嚴(yán)重，把來不及沉降下的焦粉帶到分餾塔內(nèi)，進(jìn)入分留塔底部后，又經(jīng)過加熱爐管，焦粉在爐管內(nèi)形成結(jié)焦因子，加劇輻射爐管的結(jié)焦，進(jìn)而形成惡性循環(huán)。攜帶的大量焦粉不僅導(dǎo)致焦炭塔頂油汽線的結(jié)焦傾向加大，而且由于其不斷在分餾塔底沉積，堵塞過濾器，進(jìn)而導(dǎo)致分留塔底和進(jìn)料段嚴(yán)重結(jié)焦，甚至造成加熱爐管結(jié)焦，嚴(yán)重影響延遲焦化裝置的安穩(wěn)長滿優(yōu)運行。
對于焦炭塔的設(shè)備利用率，焦炭塔的安全空高所占據(jù)的空間是無法進(jìn)行利用的。所謂安全空高，是指塔頂切線離熱態(tài)泡沫層頂部的距離，目前國內(nèi)焦炭塔安全空高一般控制在6~8mu。焦炭塔的安全操作就是要嚴(yán)格控制安全空高。國內(nèi)延遲焦化裝置控制焦炭塔料位的主要方式，是通過注入消泡劑來控制泡沫層高度，通過點式料位計監(jiān)控生焦塔的料位。目前，使用消泡劑控制泡沫層高度已經(jīng)成為比較成熟的技術(shù)，而檢測泡沫層的高度是焦炭塔料位監(jiān)控的關(guān)鍵。多年來，選用合理的焦炭塔料位檢測儀表一直是延遲焦化裝置自控設(shè)計儀表選型的難題，也是延遲焦化裝置生產(chǎn)控制的難點之一。天津石化2號延遲焦化裝置，設(shè)計加工能力為2.3Mt/a，焦炭塔直徑為9m，切線高度為26m，采用LB440型y射線連續(xù)料位計檢測焦炭塔料位高度。自2009年12月開工至今，該料位計有效監(jiān)控焦炭塔內(nèi)的料位高度，準(zhǔn)確檢測焦炭塔的實際空高，使
得安全空高降至4~5m，為最大限度地提高渣油處理量，安全經(jīng)濟(jì)地控制消泡劑的注入時間和注入量提供了依據(jù)，克服了以前延遲焦化裝置不能穩(wěn)定連續(xù)檢測焦炭塔料位的弊端，實現(xiàn)了超大處理量生產(chǎn)。而且，在除焦設(shè)備出現(xiàn)故障期間，由于能及時有效地監(jiān)控和預(yù)測泡沫層高度，通過調(diào)整裝置處理量，可以避免加熱爐的分爐操作。
2連續(xù)料位計的系統(tǒng)構(gòu)成及應(yīng)用
2.1連續(xù)料位計的系統(tǒng)構(gòu)成
連續(xù)料位計系統(tǒng)由帶屏蔽容器的y射線放射源（Cs-137）、閃爍計數(shù)器探頭（探測器）、信號處理主機等設(shè)備構(gòu)成（見圖1）。
2.2連續(xù)料位計的測量原理放射源和探測器分別安裝于被測焦炭塔的兩側(cè)，當(dāng)焦炭塔內(nèi)物料上升或下降時，探測器所接收的射線通量隨之減弱或增強，探測器將射線信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號并傳送至處理機，處理機根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型計算出相應(yīng)的料位高度a。
如圖2所示，y射線從放射源出來時，射線強度為I，射線經(jīng)塔內(nèi)部到達(dá)探測器時強度為I，則：
式中：u為被測介質(zhì)對選定放射源射線的質(zhì)量吸收系數(shù)，cm2/g；對于Cs-137放射源而言，u約等于0.066；p為介質(zhì)密度，g/cm2；d為焦炭塔內(nèi)徑，cm；e為常數(shù)，約等于3；K為介質(zhì)對y射線的衰減倍數(shù)。
該裝置焦炭塔內(nèi)徑為9m，探測器總高為8m，射線通過塔內(nèi)部到達(dá)探測器（見圖2）。設(shè)水、焦油、稀泡、密度如下l：
所以說水和焦油到達(dá)的位置，完全將y射線吸收完。稀泡對射線的吸收倍數(shù)大約為20倍，即20個射線從放射源出來，只有1個射線到達(dá)探測器，所以稀泡到達(dá)的位置，大部分y射線已被吸收。
從以上敘述可知，只要稀泡到達(dá)的位置，y射線就被吸收，到達(dá)探測器的射線量也隨之減少。所以說y探測器可以實時監(jiān)測塔內(nèi)料位的變化。只要稀泡層升高，探測器接收到的射線就減少，y射線料位計顯示料位值就變大；反之，則料位數(shù)值減小。如塔內(nèi)沒有料位時，即所有射線均到達(dá)探測器，y射線料位計到達(dá)低限；如塔內(nèi)稀泡層將絕大部分射線吸收，即只有很少射線到達(dá)探測器，y射線料位計到達(dá)高限。簡而言之，射線料位測量系統(tǒng)是利用物料阻擋射線原理，直接反映實際料位。泡沫層的密度變化：油層以上是重泡沫層，重泡沫以上是輕泡沫層。雖然泡沫層的密度較小，但焦炭塔的直徑很大，塔內(nèi)的泡沫層足以擋住射線，料位越高，擋住的射線越多，探頭接收的射線就越少，二次儀表顯示的料位也就越高。消泡時，泡沫層逐漸降低，探頭接收越多，儀表顯示的料位也相應(yīng)逐漸降低，當(dāng)料位顯示不再降低時，儀表顯示的就是油層的料位。
因此，連續(xù)料位計測量的結(jié)果能夠直接反映焦炭塔內(nèi)物料的高度，且測量結(jié)果不受其他工藝條件（如溫度、壓力、流量等）的影響。由于物理原因的限制，連續(xù)測量不能直接區(qū)分油層和泡沫層，但可以很容易的從儀表輸出數(shù)據(jù)和曲線中顯示出來。由圖3可見：曲線①位置顯示泡沫低于測量范圍，曲線②位置顯示泡沫升到測量范圍，加消泡劑后立刻降下來。這個過程反復(fù)數(shù)次，直到曲線①不再回到曲線③“空位”。這說明此時油位已高于連續(xù)測量范圍的下限。此后，曲線④位置表明，泡沫高度和油位明顯顯示在歷史趨勢的曲線上。一旦油位升到曲線⑤高點，焦炭塔的進(jìn)料就要切換。
2.3連續(xù)料位計的應(yīng)用
2.3.1安全挖掘焦炭塔潛能，提高處理量y射線連續(xù)料位計主要用于焦炭塔生產(chǎn)的后期，由于該裝置焦炭塔高近40m，所以無需從焦炭塔的底部開始測量，通常只要監(jiān)測整個塔的中上部的泡沫和焦油料位，就可有效縮短加料時間，同時消泡劑的需要量也可減到最少。
在焦炭塔生產(chǎn)后期，當(dāng)泡沫層上升到測量范圍時，連續(xù)料位計測量系統(tǒng)會顯示出其料位（見圖4）。
由于料位在19.916~27.916m之間，正常情況下焦炭高度會在兩個數(shù)值之間。當(dāng)泡沫層到達(dá)料位范圍內(nèi)，則注入消泡劑，降低泡沫層高度，使之重新回到19.916m以下，隨著生產(chǎn)進(jìn)料的不斷推進(jìn)，泡沫層再次逐漸升高，重新進(jìn)入料位范圍，上升的數(shù)值變化完全能夠準(zhǔn)確測量出來。當(dāng)泡沫層到達(dá)27.916m安全空高上限時，進(jìn)入料位開關(guān)報警段，此開關(guān)用于給出報警信號。報警點高度為28.916m，此處的安全空高為4m，一般情況下要求料位嚴(yán)禁超越報警點高度。料位在達(dá)到這個高度之前，焦炭塔就必須開始切換，以保證泡沫不會被帶入油氣線。
在正常生產(chǎn)中，特別是滿負(fù)荷或超負(fù)荷生產(chǎn)情況下，一般要求從固定位置（如25m高度）開始連續(xù)不斷地適量注入消泡劑，使泡沫不產(chǎn)生或產(chǎn)生很少，便可獲得最大的加料速度。這樣既可大大縮短生產(chǎn)周期，又能大幅提高裝置處理量。
2.3.2適時注入消泡劑，降低三劑消耗量通過DCS記錄的料位趨勢，可以知道泡沫層的降低情況。當(dāng)泡沫降低到預(yù)期的測量位置后，就可停止或減少加注消泡劑。特別是在低處理量和低生焦率情況下，可對泡沫層高度進(jìn)行監(jiān)控，控制泡沫不溢出，這種情況下可以不注入消泡劑。
通過對沫層高度的監(jiān)控，可以準(zhǔn)確計算出泡沫層達(dá)到報警點的時間，按照生產(chǎn)周期的安排就可以不注入消泡劑，從而大大降低消泡劑的使用量。如圖5所示，13：00（監(jiān)測點1）料位顯示高度為20.70m，15：00（監(jiān)測點2）料位顯示為22.70m，平均每小時焦炭料位升高1.0m，按照生產(chǎn)周期的安排，兩塔切換的時間是18：30，據(jù)此計算出，到18：30計算料位為26.20m，而實際料位測量結(jié)果顯示，18：30實際料位為26.30m，計算結(jié)果與實際料位相差很小，在這種生產(chǎn)條件下，焦炭塔不需要注入消泡劑，從而有效降低了三劑消耗量。
2.3.3監(jiān)測泡沫層變化，提高焦炭塔操作安全性在裝置生產(chǎn)中，經(jīng)常遇到原料性質(zhì)的突然變化和一些生產(chǎn)操作波動，如爐出口溫度降低、反應(yīng)壓力降低等，造成泡沫層高度急劇變化，從而引起焦炭塔沖塔，使得大量焦粉通過油氣攜帶進(jìn)入分餾塔。通過y射線連續(xù)料位計，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測泡沫上升速度，并根據(jù)變化情況，采取相應(yīng)的安全防范措施，如提高爐出口溫度，提高反應(yīng)壓力，提高消泡劑注入量，或提前采取降低處理量等措施，以保證焦炭塔生焦的安全。
2.3.4自動測量焦炭塔焦高，降低勞動強度y射線連續(xù)料位計用于焦炭塔焦高的測量，完全可以替代人工測量，特別是在焦高大于20m以上時，測量值非常準(zhǔn)確。
3結(jié)語
y射線連續(xù)料位計自2009年12月在天津石化2號延遲焦化裝置投運以來，通過監(jiān)示DCS，隨時掌握塔內(nèi)工況，操作方便、簡單。通過連續(xù)料位計與DCS歷史趨勢結(jié)合使用，可以準(zhǔn)確計算出泡沫層的上升速度，為處理除焦設(shè)備問題提供了準(zhǔn)確的時間預(yù)測。實踐證明，首次使用y射線連續(xù)料位計，對焦炭塔料位進(jìn)行大范圍連續(xù)監(jiān)控是成功的。
y射線連續(xù)料位計的應(yīng)用，使焦炭塔空高比國內(nèi)同類裝置縮小2m，提高了設(shè)備的利用率及裝置的處理能力，增加了經(jīng)濟(jì)效益，確保了裝置的生產(chǎn)
安全。與此同時，最大限度地節(jié)省了消泡劑，且采用“料位開關(guān)+連續(xù)測量”的安裝方法，也進(jìn)一步保障了裝置的安全生產(chǎn)。y射線連續(xù)料位計與消泡劑的使用，為裝置進(jìn)一步縮短生焦周期，即由24h縮短到20h，甚至18h，提供了技術(shù)保障。
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