雷達液位計在核電廠液位測量中的應用研究探討

 

引言

本課題研發特種工況實時在線雷達液位計，在核電、化工領域示范應用，探索國產儀表替換進口儀表的可行性，提高國產儀表的影響力和市場占有率。在目前國際形式較為嚴峻的情況下，核心測量儀表國產化對國民經濟建設起到了強有力的保障作用。該儀表后續可實現批量生產，用于核電、化工、光熱發電等領域，實現客觀的經濟效應。同時將打破國外產品一統國內市場的局面，縮小國內自動化儀表與國外的差距，將產生巨大的社會效益。

 

本課題研發的特種工況實時在線液位計，作為重要產品將在國家核電、化工、光熱發電等重大工程領域實現應用，有利地支撐國家重大需求，提升相關產品的核心競爭力，節省成本，提升了儀表的可靠性和安全性，具有重要的經濟和社會價值。

 

1 雷達液位計的測量原理

雷達液位計是一種采用微波測量技術的液位測量儀表，它利用各種類型的天線發射微波，并接收被測液面反射回來的回波，根據發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頻連續波（FMCW）和脈沖波（PULSE）兩種。根據雷達液位計的測量原理，雷達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）雷達液位計的天線發射極窄的微波脈沖，脈沖以光速在空間傳播，遇到被測介質表面時，由于介電常數發生突變，微波脈沖的部分能量被反射回來，并被天線系統接收，如圖 1 所示。

發射脈沖與接收脈沖的時間間隔與雷達天線到被測介質表面的距離成正比。通過測量發射脈沖與接收脈沖的時間差，即可根據式

 

（1）計算出被測介質到測量參考面的距離 ：D=1/2*ct （1）

 

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

 

然后，根據設定的空液位位置，即可根據式（2）計算出液位高度 ：L=E-D（2）其中，E 為測量參考面到設定的空液位位置 ；L 為液位高度。

 

1.2 調頻連續波（FMCW）微波形式

調頻連續波（FMCW）是頻率按一定規律連續變化的波形。與脈沖波（PLUSE）雷達液位計的工作原理類似，但接收信號的頻率與發射信號的頻率存在差值，而該差值與雷達天線到被測介質表面的距離成正比，即可根據式（3）計算出被測介質到測量參考面的距離。仍以圖 1 為例。

 

D=1/2*c*（▲F/R）（3）

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

 

同樣地，根據設定的空液位位置，即可根據式（2）計算出液位高度。

 

相比脈沖波（PLUSE）微波形式，調頻連續波（FMCW）測量精度高，重復性好。

 

2 雷達液位計的特點

1）雷達液位計主要由電子控制單元和天線組成，結構簡單，無可動部件，安裝方便，易于維護。

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

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

4）雷達液位計測量精度高，測量范圍大，無測量盲區。

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

 

3 雷達液位計的選型要求

根據 SH/T 3005-2016《石油化工自動化儀表選型設計規范》，雷達液位計的選型應符合下列規定 [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的液位連續測量或計量，宜選用非接觸式雷達液位計。

2）應根據測量精確度要求，選用控制級或計量級雷達液位計，用于液體介質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 協議或總線信號。

4）非接觸式雷達液位計的天線（平面式、拋物線式、喇叭式、桿式）的結構形式及材質的選型，應根據儲罐類型、介質特性、測量范圍、測量精度、儲罐內溫度及壓力等因素綜合確定。

5）用于罐區儲罐的雷達液位計宜帶有罐旁指示表。

6）壓力儲罐上安裝的雷達液位計一次儀表與設備法蘭之間宜設維修切斷球閥。

7）對于內部有影響微波傳播的障礙物的儲罐或介電常數低于 1.4 的介質不得選用雷達液位計。

8）對于儲罐的界面測量，不得選用非接觸式雷達液位計。

 

儀表的選型主要根據儀表性能、工作環境和介質特性進行選擇。不同的行業，被測介質的特性和工作環境有很大差異，但對于同一類型和工作原理的儀表，常規的儀表選型要求是通用的。因此，上述雷達液位計的選型要求也適用于核電廠，但核電廠的監測工作環境對儀表有更高的要求，如輻照分區、抗震要求、安全等級等。這就需要在常規的儀表選型的基礎上，再根據實際監測的具體要求進行進一步的儀表選型，zui終確定儀表的類型。

 

4 雷達液位計的安裝要求

根據 DL/T 5182-2004《火力發電廠熱工自動化就地設備安裝、管路及電纜設計技術規定》，雷達液位計的安裝需要滿足下列規定 [3] ：

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

2）微波天線不可安裝在入料扇區的正上方，也不可安裝在罐（倉）頂的中心位置。

 

5 核電廠液位測量現狀

核電廠由核島、常規島和全廠 BOP 輔助廠房 3 部分組成，工藝流程復雜，儲罐、水池和泵坑很多。為了保證核電廠安全可靠穩定地運行，液位測量是主要的監控參數之一，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內和輻照分區外兩部分。位于核島輻照分區內的液位測量儀表需要具有抗輻照、抗震等的要求，需要進行相應的鑒定 ；位于核島輻照分區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、導波雷達和電容液位儀表等。

2）常規島廠房液位測量的測量介質以汽水混合物為主，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、除鹽水生產車間 / 除鹽水儲存罐等重要輔助廠房，廠房 /系統中包含大量的儲罐、水池和泵坑等，都設置了液位監測，但由于不同供貨商、分包院和自主設計未實施標準化，液位監測方式多種多樣，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測的儀表類型多種多樣。核電廠通常采用成熟設計和批量化建設，依托前期在役運行電廠為參考電廠。因此，在沒有出現運行故障的經驗反饋情況下，很少會修改儀表的選型。但對同一類型信息的監測中，采用的儀表類型多樣，會給儀表的選型、現場安裝、備品備件和設備的運行維護帶來了一定的問題。面對新時期的核電新形勢，對“減少備品備件規模，降低運維成本”“統一減少規格型號，降低工程造價”的要求日益成為重點，而儀表選型的標準化成為解決這一問題的zui有效、zui顯著的解決方案。

 

6 雷達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

根據統計，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，與介質的關系、安裝、運維和適用的介質等方面進行綜合比較，詳見表 1。

根據表 1 的綜合比較，隨著雷達液位計的微波技術的不斷發展，以及天線布置的逐漸小型化，雷達液位計在火電、石油化工等行業已經得到了廣泛應用。由于浮筒 / 浮子液位儀表測量受介質中雜質的影響較大，并且浮筒 / 浮子易卡澀的固有缺點，已經大量被雷達液位計替代。在常規的采用差壓變送器液位測量的監測條件下，雷達液位計也可取代差壓變送器來進行液位測量，并且安裝簡單，維護方便。

 

7 核電廠液位監測儀表標準化可行性的探討

核電廠目前用于液位監測的儀表類型多種多樣，這不利于新時期核電建設的“減少備品備件、減少運維成本”的要求。因此，有必要根據核電廠的廠房環境條件分類討論，對液位監測類儀表選型進行標準化。

 

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的儀表鑒定和長期穩定的運行經驗，以確保測量的穩定性和準確性，確保核電廠的安全穩定運行。即使一般的核島廠房，需要儀表具有抗震的要求，但目前雷達液位計并不具備滿足抗震的要求，因此核島的液位監測宜保持原狀。

 

2）常規島廠房的液位監測主要采用浮筒 / 浮子式液位儀表，主要介質為汽水混合物，因此并不適宜用雷達液位計替代。但根據在役運行核電廠常規島的經驗反饋，浮筒 / 浮子式液位儀表易卡澀、測量失真的問題真實存在，給核電廠的安全穩定運行和設備維護帶來了很大的風險和挑戰，這類儀表已經逐步被接觸式的導波雷達液位計替代。

 

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行液位監測，主要測量介質通常為一般液體，環境條件友好 ；特殊的，如制氫站、制氯站等測量介質具有易腐蝕、有毒的特點，環境考慮抗爆，這些都非常適合采用雷達液位計進行標準化的選型設計。同時，由于火電廠中已經大量采用了雷達液位計，因而在核電廠的 BOP 輔助廠房選用雷達液位計進行標準化的液位監測是完全可行的。

 

為了進一步的實際驗證，目前已經將雷達液位計在某核電廠 BOP 輔助廠房的海水淡化系統和綜合用水系統的混凝土水池中進行了試點應用，被測介質分別為海水和二次淡化水。水池中被測介質波動小，經過一段的應用和信號收集，相比原有的差壓變送器液位測量，雷達液位計安裝方便，不需要進行測點開孔，并且維護簡單，測量精度高，完全可以替代原有的差壓變送器。

 

8 結論

通過對雷達液位計的測量原理、選型要求、安裝要求和特點的介紹，以及總結核電廠目前液位監測現狀，對雷達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、減低運行成本”的要求，采用已經在火電廠、石油化工行業已廣泛使用的雷達液位計，作為核電廠 BOP輔助廠房的液位監測目前采用儀表的標準化替代方案是完全可行的，通過在某核電廠的試點應用，也有力地證明了該替代方案的實際可行性。