雷達(dá)液位計在核電廠液位測量中的應(yīng)用研究探討

張 禹，梁 玲，黃偉軍

（深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518026）

0 引言

本課題研發(fā)特種工況實時在線雷達(dá)液位計，在核電、化工領(lǐng)域示范應(yīng)用，探索國產(chǎn)儀表替換進(jìn)口儀表的可行性，提高國產(chǎn)儀表的影響力和市場占有率。在目前國際形式較為嚴(yán)峻的情況下，核心測量儀表國產(chǎn)化對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了強(qiáng)有力的保障作用。該儀表后續(xù)可實現(xiàn)批量生產(chǎn)，用于核電、化工、光熱發(fā)電等領(lǐng)域，實現(xiàn)客觀的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。同時將打破國外產(chǎn)品一統(tǒng)國內(nèi)市場的局面，縮小國內(nèi)自動化儀表與國外的差距，將產(chǎn)生巨大的社會效益。

本課題研發(fā)的特種工況實時在線液位計，作為重要產(chǎn)品將在國家核電、化工、光熱發(fā)電等重大工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，有利地支撐國家重大需求，提升相關(guān)產(chǎn)品的核心競爭力，節(jié)省成本，提升了儀表的可靠性和安全性，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會價值。

1 雷達(dá)液位計的測量原理

雷達(dá)液位計是一種采用微波測量技術(shù)的液位測量儀表，它利用各種類型的天線發(fā)射微波，并接收被測液面反射回來的回波，根據(jù)發(fā)射波和回波之間的時間差來計算液位。通常情況下，采用的微波一般包括調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）和脈沖波（PULSE）兩種。根據(jù)雷達(dá)液位計的測量原理，雷達(dá)液位計是一種非接觸式的液位測量儀表[1]。

1.1 脈沖波（PLUSE）微波形式

脈沖波（PLUSE）雷達(dá)液位計的天線發(fā)射極窄的微波脈沖，脈沖以光速在空間傳播，遇到被測介質(zhì)表面時，由于介電常數(shù)發(fā)生突變，微波脈沖的部分能量被反射回來，并被天線系統(tǒng)接收，如圖1 所示。

圖1 雷達(dá)液位計工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the working principle of radar level gauge

發(fā)射脈沖與接收脈沖的時間間隔與雷達(dá)天線到被測介質(zhì)表面的距離成正比。通過測量發(fā)射脈沖與接收脈沖的時間差，即可根據(jù)式（1）計算出被測介質(zhì)到測量參考面的距離：

其中，D為測量參考面到被測介質(zhì)的距離；c為光（電磁波）在真空中的傳播速度；t為發(fā)射脈沖與接收脈沖的時間差。

然后，根據(jù)設(shè)定的空液位位置，即可根據(jù)式（2）計算出液位高度：

其中，E為測量參考面到設(shè)定的空液位位置；L為液位高度。

1.2 調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）微波形式

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）是頻率按一定規(guī)律連續(xù)變化的波形。與脈沖波（PLUSE）雷達(dá)液位計的工作原理類似，但接收信號的頻率與發(fā)射信號的頻率存在差值，而該差值與雷達(dá)天線到被測介質(zhì)表面的距離成正比，即可根據(jù)式（3）計算出被測介質(zhì)到測量參考面的距離。仍以圖1 為例。

其中，△F為接收信號與發(fā)射信號的頻率差；R為發(fā)射信號頻率隨時間的變化率。

同樣地，根據(jù)設(shè)定的空液位位置，即可根據(jù)式（2）計算出液位高度。

相比脈沖波（PLUSE）微波形式，調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）測量精度高，重復(fù)性好。

2 雷達(dá)液位計的特點

1）雷達(dá)液位計主要由電子控制單元和天線組成，結(jié)構(gòu)簡單，無可動部件，安裝方便，易于維護(hù)。

2）雷達(dá)液位計采用的微波穿透性強(qiáng)，不受傳播介質(zhì)的壓力或溫度影響，可適用于絕大部分的液位測量。

3）雷達(dá)液位計是非接觸性測量儀表，不受被測介質(zhì)的密度、黏度和濕度等影響，特別適合于易燃、易爆、有毒、強(qiáng)腐蝕性等特殊介質(zhì)的液位測量。

4）雷達(dá)液位計測量精度高，測量范圍大，無測量盲區(qū)。

5）如被測介質(zhì)為汽水混合物，由于汽體會在雷達(dá)液位計的天線處凝結(jié)，導(dǎo)致液位測不準(zhǔn)或虛假水位。因此，雷達(dá)液位計不適用于被測介質(zhì)為汽水混合物的液位測量。

3 雷達(dá)液位計的選型要求

根據(jù)SH/T 3005-2016《石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范》，雷達(dá)液位計的選型應(yīng)符合下列規(guī)定[2]：

1）對于大型固定頂罐、浮頂罐、球形罐中，儲存原油、成品油、瀝青、液化烴、液化石油氣、液化天然氣、可燃液體及其他介質(zhì)的液位連續(xù)測量或計量，宜選用非接觸式雷達(dá)液位計。

2）應(yīng)根據(jù)測量精確度要求，選用控制級或計量級雷達(dá)液位計，用于液體介質(zhì)的控制級滿量程精確度不宜低于±0.5%，計量級精確度不宜低于±3mm。

3）雷達(dá)液位計宜選用24V DC 或220V AC 外供電型，變送器輸出信號宜為4mA～20mA 帶HART 協(xié)議或總線信號。

4）非接觸式雷達(dá)液位計的天線（平面式、拋物線式、喇叭式、桿式）的結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)的選型，應(yīng)根據(jù)儲罐類型、介質(zhì)特性、測量范圍、測量精度、儲罐內(nèi)溫度及壓力等因素綜合確定。

5）用于罐區(qū)儲罐的雷達(dá)液位計宜帶有罐旁指示表。

6）壓力儲罐上安裝的雷達(dá)液位計一次儀表與設(shè)備法蘭之間宜設(shè)維修切斷球閥。

7）對于內(nèi)部有影響微波傳播的障礙物的儲罐或介電常數(shù)低于1.4 的介質(zhì)不得選用雷達(dá)液位計。

8）對于儲罐的界面測量，不得選用非接觸式雷達(dá)液位計。

儀表的選型主要根據(jù)儀表性能、工作環(huán)境和介質(zhì)特性進(jìn)行選擇。不同的行業(yè)，被測介質(zhì)的特性和工作環(huán)境有很大差異，但對于同一類型和工作原理的儀表，常規(guī)的儀表選型要求是通用的。因此，上述雷達(dá)液位計的選型要求也適用于核電廠，但核電廠的監(jiān)測工作環(huán)境對儀表有更高的要求，如輻照分區(qū)、抗震要求、安全等級等。這就需要在常規(guī)的儀表選型的基礎(chǔ)上，再根據(jù)實際監(jiān)測的具體要求進(jìn)行進(jìn)一步的儀表選型，最終確定儀表的類型。

4 雷達(dá)液位計的安裝要求

根據(jù)DL/T 5182-2004《火力發(fā)電廠熱工自動化就地設(shè)備安裝、管路及電纜設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，雷達(dá)液位計的安裝需要滿足下列規(guī)定[3]：

1）罐（倉）內(nèi)壁至天線安裝短管外壁的間距一般不小于300mm，在信號波束內(nèi)避免安裝任何裝置。

2）微波天線不可安裝在入料扇區(qū)的正上方，也不可安裝在罐（倉）頂?shù)闹行奈恢谩?/p>

5 核電廠液位測量現(xiàn)狀

核電廠由核島、常規(guī)島和全廠BOP 輔助廠房3 部分組成，工藝流程復(fù)雜，儲罐、水池和泵坑很多。為了保證核電廠安全可靠穩(wěn)定地運(yùn)行，液位測量是主要的監(jiān)控參數(shù)之一，不同的廠房對儀表的性能也有不同的要求。

1）核島廠房包括輻照分區(qū)內(nèi)和輻照分區(qū)外兩部分。位于核島輻照分區(qū)內(nèi)的液位測量儀表需要具有抗輻照、抗震等的要求，需要進(jìn)行相應(yīng)的鑒定；位于核島輻照分區(qū)外的液位測量儀表通常具有抗震要求，主要包括差壓變送器液位測量、浮子式液位儀表、導(dǎo)波雷達(dá)和電容液位儀表等。

2）常規(guī)島廠房液位測量的測量介質(zhì)以汽水混合物為主，主要采用浮筒式液位儀表和浮子式液位儀表。

3）全廠BOP 輔助廠房眾多，包括制氫站、制氯站、除鹽水生產(chǎn)車間/除鹽水儲存罐等重要輔助廠房，廠房/系統(tǒng)中包含大量的儲罐、水池和泵坑等，都設(shè)置了液位監(jiān)測，但由于不同供貨商、分包院和自主設(shè)計未實施標(biāo)準(zhǔn)化，液位監(jiān)測方式多種多樣，主要包括差壓變送器液位測量、超聲波液位計、浮筒式液位儀表和浮子式液位儀表等。

綜上，目前核電廠用于液位監(jiān)測的儀表類型多種多樣。核電廠通常采用成熟設(shè)計和批量化建設(shè)，依托前期在役運(yùn)行電廠為參考電廠。因此，在沒有出現(xiàn)運(yùn)行故障的經(jīng)驗反饋情況下，很少會修改儀表的選型。但對同一類型信息的監(jiān)測中，采用的儀表類型多樣，會給儀表的選型、現(xiàn)場安裝、備品備件和設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)帶來了一定的問題。面對新時期的核電新形勢，對“減少備品備件規(guī)模，降低運(yùn)維成本”“統(tǒng)一減少規(guī)格型號，降低工程造價”的要求日益成為重點，而儀表選型的標(biāo)準(zhǔn)化成為解決這一問題的最有效、最顯著的解決方案。

6 雷達(dá)液位計與差壓變送器液位測量、浮筒/浮子液位儀表綜合比較

根據(jù)統(tǒng)計，核電廠目前用于液位測量主要采用差壓變送器液位測量和浮筒/浮子液位儀表，通過對雷達(dá)液位計、差壓變送器液位測量、浮筒/浮子液位儀表在測量原理，與介質(zhì)的關(guān)系、安裝、運(yùn)維和適用的介質(zhì)等方面進(jìn)行綜合比較，詳見表1。

表1 雷達(dá)液位計與差壓表測量液位、浮筒/浮子液位儀表綜合比較Table 1 Comprehensive comparison between radar level gauge and differential pressure gauge for measuring liquid level,float/float level gauges

根據(jù)表1 的綜合比較，隨著雷達(dá)液位計的微波技術(shù)的不斷發(fā)展，以及天線布置的逐漸小型化，雷達(dá)液位計在火電、石油化工等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。由于浮筒/浮子液位儀表測量受介質(zhì)中雜質(zhì)的影響較大，并且浮筒/浮子易卡澀的固有缺點，已經(jīng)大量被雷達(dá)液位計替代。在常規(guī)的采用差壓變送器液位測量的監(jiān)測條件下，雷達(dá)液位計也可取代差壓變送器來進(jìn)行液位測量，并且安裝簡單，維護(hù)方便。

7 核電廠液位監(jiān)測儀表標(biāo)準(zhǔn)化可行性的探討

核電廠目前用于液位監(jiān)測的儀表類型多種多樣，這不利于新時期核電建設(shè)的“減少備品備件、減少運(yùn)維成本”的要求。因此，有必要根據(jù)核電廠的廠房環(huán)境條件分類討論，對液位監(jiān)測類儀表選型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

1）核島廠房對儀表選型有著很高的要求，如安全級別、輻照要求，這都需要儀表通過專業(yè)的儀表鑒定和長期穩(wěn)定的運(yùn)行經(jīng)驗，以確保測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，確保核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。即使一般的核島廠房，需要儀表具有抗震的要求，但目前雷達(dá)液位計并不具備滿足抗震的要求，因此核島的液位監(jiān)測宜保持原狀。

2）常規(guī)島廠房的液位監(jiān)測主要采用浮筒/浮子式液位儀表，主要介質(zhì)為汽水混合物，因此并不適宜用雷達(dá)液位計替代。但根據(jù)在役運(yùn)行核電廠常規(guī)島的經(jīng)驗反饋，浮筒/浮子式液位儀表易卡澀、測量失真的問題真實存在，給核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行和設(shè)備維護(hù)帶來了很大的風(fēng)險和挑戰(zhàn)，這類儀表已經(jīng)逐步被接觸式的導(dǎo)波雷達(dá)液位計替代。

3）全廠的BOP 輔助廠房有大量的儲罐、混凝土池和泵坑都需要進(jìn)行液位監(jiān)測，主要測量介質(zhì)通常為一般液體，環(huán)境條件友好；特殊的，如制氫站、制氯站等測量介質(zhì)具有易腐蝕、有毒的特點，環(huán)境考慮抗爆，這些都非常適合采用雷達(dá)液位計進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的選型設(shè)計。同時，由于火電廠中已經(jīng)大量采用了雷達(dá)液位計，因而在核電廠的BOP 輔助廠房選用雷達(dá)液位計進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的液位監(jiān)測是完全可行的。

為了進(jìn)一步的實際驗證，目前已經(jīng)將雷達(dá)液位計在某核電廠BOP 輔助廠房的海水淡化系統(tǒng)和綜合用水系統(tǒng)的混凝土水池中進(jìn)行了試點應(yīng)用，被測介質(zhì)分別為海水和二次淡化水。水池中被測介質(zhì)波動小，經(jīng)過一段的應(yīng)用和信號收集，相比原有的差壓變送器液位測量，雷達(dá)液位計安裝方便，不需要進(jìn)行測點開孔，并且維護(hù)簡單，測量精度高，完全可以替代原有的差壓變送器。

8 結(jié)論

通過對雷達(dá)液位計的測量原理、選型要求、安裝要求和特點的介紹，以及總結(jié)核電廠目前液位監(jiān)測現(xiàn)狀，對雷達(dá)液位計與核電廠目前采用的差壓變送器液位測量、浮筒/浮子液位儀表進(jìn)行了綜合比較。為了滿足新時期核電廠“減少備品備件、減低運(yùn)行成本”的要求，采用已經(jīng)在火電廠、石油化工行業(yè)已廣泛使用的雷達(dá)液位計，作為核電廠BOP輔助廠房的液位監(jiān)測目前采用儀表的標(biāo)準(zhǔn)化替代方案是完全可行的，通過在某核電廠的試點應(yīng)用，也有力地證明了該替代方案的實際可行性。