分體式雷達液位計在第三代核電站的應(yīng)用與探索

高世平，宋丹丹，陳 耀

（上海星申儀表有限公司，上海 201399）

圖1 產(chǎn)品的總體框架圖Fig.1 Overall frame diagram of the product

0 引言

分體式雷達液位計是為第三代核電站液位測量和控制系統(tǒng)中應(yīng)用而研發(fā)的新型雷達液位儀表，可以用于指示和控制液位，可以滿足絕大多數(shù)情況的液位測量，測量準(zhǔn)確度高，分體式雷達液位計工作原理運用了時域反射與ETS等技術(shù)。液位計變送器模塊可以發(fā)射特定頻率的高頻窄電磁波，該電磁波沿著傳感器的導(dǎo)波桿或鋼纜傳播，當(dāng)發(fā)射的電磁波遇到不同的介電常數(shù)的介質(zhì)表面時，電磁波會被反射回來。通過等效時間采樣技術(shù)將納秒級的傳導(dǎo)時間放大為毫秒級別的等效時間，再采用最優(yōu)目標(biāo)識別等復(fù)雜的算法處理，并對存在的虛假回波進行有效抑制，從而實現(xiàn)了對液位的精確測量。

在第三代核電項目的非核級液位變送器選型過程中，有部分液位計從分體式超聲波液位計調(diào)整為分體式雷達液位計。因為分體式雷達液位計有其獨特的優(yōu)勢，特別是在液位表面有泡沫、蒸氣或者攪動工況時，還有在沸騰的表面下，壓力、溫度、介電常數(shù)和密度的變化都不會影響液位計的性能，使得分體式雷達液位計在核電站的應(yīng)用優(yōu)勢更加突出。

1 分體式雷達液位計的優(yōu)勢

1.1 分體式雷達液位計的基本原理

分體式雷達液位計是一種采用直接接觸的方式，將傳感器導(dǎo)波桿或者鋼纜浸入被測介質(zhì)進行測量的液位儀表。液位計運用了時域反射原理，變送器模塊部分產(chǎn)生一定頻率的電磁信號沿導(dǎo)波傳感器傳播，遇到不同介電常數(shù)的介質(zhì)時產(chǎn)生反射，單片機通過算法可以得到待測液位高度。因此，在用分體式雷達液位計測量液位時，液位的變化會引起傳感器特征阻抗改變。這種改變產(chǎn)生的反射信號通過電路采集進行捕捉后，加以處理從而得到所測的液位高度。液位高度的計算公式如下：

其中：

h——被測液位的高度，mm。

H——被測介質(zhì)罐體連接法蘭面到被測介質(zhì)零位的距離，mm。

v——電磁波的傳播速度，mm。

Δt——雷達波從發(fā)射到接收的間隔時間，s。

1.2 分體式雷達液位計的主要特點及優(yōu)點

第三代核電站的安注箱是核三級設(shè)備，布置在安全殼內(nèi)較堆芯補水箱位置略低。該位置便于維護和在役檢查，同時也能保護安注箱免受LOCA的影響。安注箱內(nèi)基本充滿了硼水，并且由氮氣（N2）加壓。因為沒有保溫或加熱，其內(nèi)硼水的溫度、環(huán)境溫度基本相同。安注箱上設(shè)有兩臺分體式雷達液位計，儀表的測量范圍從安注箱幾乎排空到全滿，用來監(jiān)測安注箱液位是否在工藝規(guī)定的范圍以內(nèi)。新型的分體式雷達液位計的設(shè)計壓力可達10MPa，設(shè)計溫度可達230℃，同時具有高耐輻照性能和長達100m的分體距離，可以充分滿足該位置儀表選型要求。分體式設(shè)計根據(jù)現(xiàn)場的輻射劑量大小進行了劃分，高輻射區(qū)域中傳感器組件的材料和射頻電纜均采用了耐輻照材料，可以承受2MGy以上的γ總輻照劑量，而經(jīng)過100m的耐輻照電纜距離分隔以后將液位計變送模塊安裝在低輻射區(qū)域，可以極大降低輻射對電子元器件造成的損傷，提高液位計的壽命和可靠性。

分體式雷達液位計主要具有以下優(yōu)點：

1）液位計的電磁波沿同軸射頻電纜和導(dǎo)波桿或者鋼纜傳導(dǎo)，衰減程度小，功耗極低，電磁波能量集中，不易擴散，抗干擾能力很強，最高準(zhǔn)確度可達±3mm。

2）可以測量各種低介電常數(shù)的介質(zhì)，介電常數(shù)的大小只影響回波幅度大小，對測量數(shù)據(jù)無影響。

3）霧氣、泡沫等引起的散雜信號對測量無影響。對于具有揮發(fā)性氣體、泡沫、液位表面波動、掛料、結(jié)垢、沸騰、介電常數(shù)或密度經(jīng)常變化的測量工況，都可以有效進行測量。

4）測量不受介質(zhì)密度、導(dǎo)電率和溫度的影響，適用于高溫高壓工況下的測量。

5）具有維護量小，現(xiàn)場調(diào)校方便，性能穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點。

1.3 分體式雷達液位計和分體超聲波液位計綜合性能比較

用分體式雷達液位計完全可以替代之前經(jīng)常采用的分體式超聲波液位計選型方案。表1對兩種選型方案的主要技術(shù)指標(biāo)進行了比較，從中可以看出分體式雷達液位計選型方案具有明顯的優(yōu)勢。

表1 兩種選型方案主要技術(shù)指標(biāo)對比Table 1 Comparison of the main technical parameters of the two selection schemes

超聲波不適用于被測介質(zhì)為揮發(fā)性液體或含有大量水汽、粉塵以及液面上有泡沫等。較高的壓力會抑制超聲波的聲速，從而影響到測量準(zhǔn)確度，甚至無法正常測量。被測介質(zhì)的壓力超過0.2MPa或者負壓情況下，均會引起測量誤差，甚至無法完成測量工作。

分體式雷達液位計可以滿足分體距離的設(shè)計要求，同時在準(zhǔn)確度、設(shè)計壓力和設(shè)計溫度方面具有較大的優(yōu)勢，對測量容器內(nèi)存在冷凝物、附著物、液位表面泡沫以及盤管干擾物工況等有較好的適應(yīng)性，同時調(diào)試的便捷性和使用壽命均優(yōu)于超聲波液位計。

2 分體式雷達液位計實現(xiàn)國產(chǎn)化的意義

目前，國內(nèi)電站普遍使用雷達液位計來測量箱罐和地坑液位。國內(nèi)雖有生產(chǎn)廠商，但由于儀表性能、用戶評價等方面缺乏競爭力，目前在核電站里沒有廣泛的使用業(yè)績。對于安裝于核設(shè)備雷達液位計的應(yīng)力分析結(jié)果應(yīng)不超過ASME BPVC III卷中相關(guān)限值的要求，國內(nèi)目前尚沒有任何一家制造商符合該要求。同時，分體式雷達液位計國內(nèi)起步較晚，研發(fā)和生產(chǎn)相對滯后，同時面臨著國外的技術(shù)和貿(mào)易封鎖，但公司克服重重困難研制成功了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能、高可靠、高性價比的分體式雷達液位計，并且成功向第三代核電站進行了供貨，提高了核電殼內(nèi)儀器儀表的國產(chǎn)化率。

3 分體式雷達液位計的選型

根據(jù)探頭結(jié)構(gòu)的不同可分為3種類型：單桿式（單纜式）、雙桿式（雙纜式）、同軸桿式。

1）單桿（纜）式：傳感器的探頭部分由金屬硬桿或多股鋼纜構(gòu)成，結(jié)構(gòu)最簡單，是3種探頭型式中信號傳輸效率最低的一種，被測介質(zhì)的介電常數(shù)ε＞10，是損耗最大的電磁場設(shè)計，也最能忽視掛料或者結(jié)垢，是受物體接近程度影響最大的一種型式。其通常應(yīng)用于粘度較大，泡沫、掛料或結(jié)垢的工況，可以測量液體或散狀固體，所以有時也被稱為物位計。

2）雙桿（纜）式：傳感器的探頭部分有兩根桿為金屬硬桿或多股鋼纜構(gòu)成。其主要應(yīng)用于粘度較大且有少量掛料的工況，可測量液體或散狀固體。其平行的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案沒有同軸式設(shè)計方案靈敏度高，被測介質(zhì)介電常數(shù)須ε＞1.9。這種型式的電磁場設(shè)計能夠更精確地測量易掛料或結(jié)垢的被測介質(zhì)，膜狀的掛料對液位計的性能影響較小。但在兩桿之間物料搭橋或在隔離件上結(jié)垢，均會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的異常，應(yīng)盡量避免。

3）同軸式：該型式主要應(yīng)用于清潔的低粘度液體，被測介質(zhì)介電常數(shù)ε≥1.4，是所有類型傳感器中性能最好的。但由于其敏感的密閉的電磁場設(shè)計，讓同軸式傳感器探頭在掛料或結(jié)垢的工況下，容易產(chǎn)生測量數(shù)據(jù)異常，所以不適用于有掛料、結(jié)垢和泡沫工況的液位測量。

電磁波的反射率受以下條件影響：衰減系數(shù)與電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率的平方根成正比，與介電常數(shù)的平方根成反比。即目標(biāo)物體的介電常數(shù)越大，衰減率越??；衰減率越小，反射率越大。所以介電常數(shù)大的測量介質(zhì)反射率強，傳感器的信號強度就高。

分體式雷達液位計是在一體式導(dǎo)波雷達液位計的基礎(chǔ)上，經(jīng)過重新的結(jié)構(gòu)設(shè)計。傳感器組件應(yīng)用的材料均符合第三代核電站相關(guān)技術(shù)規(guī)范書和禁用材料要求，同時將傳感器組件與變送器組件用超長距離（100m）耐輻照低煙無鹵阻燃同軸電纜射頻進行連接，并根據(jù)相關(guān)的設(shè)計要求進行了符合性鑒定試驗。本公司是國內(nèi)首家具有設(shè)計、生產(chǎn)該超長距離雷達液位計廠商，100m的分體距離也是國產(chǎn)化分體雷達液位計之最。

4 分體式雷達液位計的安裝注意事項

分體式雷達液位計作為新型的液位測量儀表，既有與傳統(tǒng)導(dǎo)波雷達相似的要求，又有其獨特的安裝注意事宜。安裝方式可分為頂裝式和側(cè)裝式兩種。

分體式雷達液位計能否準(zhǔn)確測量被測介質(zhì)與液位計的正確安裝密切相關(guān)。分體式雷達液位計必須與被測量介質(zhì)的表面垂直，不垂直會造成不必要的測量誤差。若罐內(nèi)存在攪拌或罐壁有黏附物以及階梯、盤管等干擾物，選擇安裝孔時，在有條件的情況下應(yīng)盡量避開干擾物，否則必須進行虛假回波學(xué)習(xí)，不然可能會影響液位的正常測量或者造成測量數(shù)據(jù)異常。對于圓型或橢圓型的罐體，應(yīng)裝在離中心軸線1/2R（R為容器半徑）距離的位置上，不可裝在圓形或橢圓形的容器頂?shù)闹行奈恢?，否則電磁波在管壁的多重折射后，將匯聚在容器頂?shù)闹行奶帲瑥亩纬珊軓姷母蓴_波，影響液位計的正常使用。對液位表面波動較大的容器進行液位測量時，建議在旁通管上安裝以減少液位波動對測量的影響。分體式雷達液位計的傳感器安裝法蘭頂部至少需要預(yù)留200mm～300mm的空間，同時建議用金屬軟管對傳感器和變送器之間射頻電纜進行獨立的防護。射頻電纜的單次最小彎曲半徑15mm，多次最小彎曲半徑30mm，最小彎曲次數(shù)大于15次可能會造成射頻電纜損壞。

5 分體式雷達液位計的現(xiàn)場調(diào)試與維護

分體式雷達液位計現(xiàn)場標(biāo)定非常方便，介質(zhì)密度的變化、霧氣和泡沫對測量數(shù)據(jù)基本無影響。由于電磁波不通過空間傳播，因而霧氣不會引起信號的衰減，泡沫也不會對信號進行散射而損失能量。

液位計調(diào)試組態(tài)便捷，正式使用前將測量筒內(nèi)的雜物排放干凈后即可。液位計校驗簡單，在現(xiàn)場很快即可完成校準(zhǔn)工作，多數(shù)情況下僅需確認(rèn)一下儀表的零位。通過變送器自帶的組態(tài)模塊按鍵即可實現(xiàn)輕松組態(tài)，也可通過上位機軟件或者DCS組態(tài)工具進行相關(guān)的設(shè)置。檢修維護量小，在實現(xiàn)了國產(chǎn)化后極大地降低了維護成本和縮短了維修周期。除同軸型之外，傳感器的長度和射頻電纜的長度可以在現(xiàn)場根據(jù)實際工況進行實時調(diào)整，然后通過液位計自帶的組態(tài)模塊或者上位機軟件對傳感器探頭的長度和電纜長度進行簡單的組態(tài)即可完成設(shè)置。

6 分體式雷達液位計的應(yīng)用前景展望

傳統(tǒng)的雷達液位計已經(jīng)應(yīng)用于福建福清核電1～4號機組的汽水分離再熱系統(tǒng)上。中廣核相關(guān)核電廠的汽水分離再熱器疏水系統(tǒng)中，秦二廠1、2號機組中低壓給水加熱器系統(tǒng)的液位測量已全部使用了雷達液位計，運行效果良好，低加系統(tǒng)液位計也正常穩(wěn)定工作，雷達液位計的應(yīng)用極大地減輕了檢修人員的工作量，同時也降低了生產(chǎn)和維護成本，為核電廠的安全穩(wěn)定運行打下堅實的基礎(chǔ)。

進口的分體式雷達液位計目前已經(jīng)在三門、海陽核電站成功應(yīng)用。本公司設(shè)計、生產(chǎn)的分體式雷達液位在第三代核電站也有了應(yīng)用業(yè)績，相信隨著產(chǎn)品系列的不斷拓展和應(yīng)用的逐步增多，將來分體式雷達液位計在核電領(lǐng)域一定會有更為廣闊的前景。

7 結(jié)論

分體式雷達液位計在第三代核電站使用時，其綜合性能明顯優(yōu)于其他傳統(tǒng)的液位計。本公司通過對分體式雷達液位國產(chǎn)化研發(fā)，成功解決了超長距離分體雷達液位計沒有國產(chǎn)供應(yīng)商可以選擇的難題，使核電核心儀器儀表國產(chǎn)化儀表率得到了進一步提升，為高輻射區(qū)域液位測量提供了全新的選擇。分體式雷達液位計的應(yīng)用對解決目前進口儀表卡脖子問題以及降低核電采購、維護成本，縮短供貨、維護周期都具有重要意義。