雷达液位计在核电厂液位测量中的应用研究探讨

 

引言

本课题研发特种工况实时在线雷达液位计，在核电、化工领域示范应用，探索国产仪表替换进口仪表的可行性，提高国产仪表的影响力和市场占有率。在目前国际形式较为严峻的情况下，核心测量仪表国产化对国民经济建设起到了强有力的保障作用。该仪表后续可实现批量生产，用于核电、化工、光热发电等领域，实现客观的经济效应。同时将打破国外产品一统国内市场的局面，缩小国内自动化仪表与国外的差距，将产生巨大的社会效益。

 

本课题研发的特种工况实时在线液位计，作为重要产品将在国家核电、化工、光热发电等重大工程领域实现应用，有利地支撑国家重大需求，提升相关产品的核心竞争力，节省成本，提升了仪表的可靠性和安全性，具有重要的经济和社会价值。

 

1 雷达液位计的测量原理

雷达液位计是一种采用微波测量技术的液位测量仪表，它利用各种类型的天线发射微波，并接收被测液面反射回来的回波，根据发射波和回波之间的时间差来计算液位。通常情况下，采用的微波一般包括调频连续波（FMCW）和脉冲波（PULSE）两种。根据雷达液位计的测量原理，雷达液位计是一种非接触式的液位测量仪表 [1]。

 

1.1 脉冲波（PLUSE）微波形式

脉冲波（PLUSE）雷达液位计的天线发射极窄的微波脉冲，脉冲以光速在空间传播，遇到被测介质表面时，由于介电常数发生突变，微波脉冲的部分能量被反射回来，并被天线系统接收，如图 1 所示。

发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与雷达天线到被测介质表面的距离成正比。通过测量发射脉冲与接收脉冲的时间差，即可根据式

 

（1）计算出被测介质到测量参考面的距离 ：D=1/2*ct （1）

 

其中，D 为测量参考面到被测介质的距离 ；c 为光（雷达波）在真空中的传播速度 ；t 为发射脉冲与接收脉冲的时间差。

 

然后，根据设定的空液位位置，即可根据式（2）计算出液位高度 ：L=E-D（2）其中，E 为测量参考面到设定的空液位位置 ；L 为液位高度。

 

1.2 调频连续波（FMCW）微波形式

调频连续波（FMCW）是频率按一定规律连续变化的波形。与脉冲波（PLUSE）雷达液位计的工作原理类似，但接收信号的频率与发射信号的频率存在差值，而该差值与雷达天线到被测介质表面的距离成正比，即可根据式（3）计算出被测介质到测量参考面的距离。仍以图 1 为例。

 

D=1/2*c*（▲F/R）（3）

其中，△ F 为接收信号与发射信号的频率差 ；R 为发射信号频率随时间的变化率。

 

同样地，根据设定的空液位位置，即可根据式（2）计算出液位高度。

 

相比脉冲波（PLUSE）微波形式，调频连续波（FMCW）测量精度高，重复性好。

 

2 雷达液位计的特点

1）雷达液位计主要由电子控制单元和天线组成，结构简单，无可动部件，安装方便，易于维护。

2）雷达液位计采用的微波穿透性强，不受传播介质的压力或温度影响，可适用于绝大部分的液位测量。

3）雷达液位计是非接触性测量仪表，不受被测介质的密度、黏度和湿度等影响，特别适合于易燃、易爆、有毒、强腐蚀性等特殊介质的液位测量。

4）雷达液位计测量精度高，测量范围大，无测量盲区。

5）如被测介质为汽水混合物，由于汽体会在雷达液位计的天线处凝结，导致液位测不准或虚假水位。因此，雷达液位计不适用于被测介质为汽水混合物的液位测量。

 

3 雷达液位计的选型要求

根据 SH/T 3005-2016《石油化工自动化仪表选型设计规范》，雷达液位计的选型应符合下列规定 [2] ：

1）对于大型固定顶罐、浮顶罐、球形罐中，储存原油、成品油、沥青、液化烃、液化石油气、液化天然气、可燃液体及其他介质的液位连续测量或计量，宜选用非接触式雷达液位计。

2）应根据测量精确度要求，选用控制级或计量级雷达液位计，用于液体介质的控制级满量程精确度不宜低于±0.5%，计量级精确度不宜低于 ±3mm。

3）雷达液位计宜选用 24V DC 或 220V AC 外供电型，变送器输出信号宜为 4mA ～ 20mA 带 HART 协议或总线信号。

4）非接触式雷达液位计的天线（平面式、抛物线式、喇叭式、杆式）的结构形式及材质的选型，应根据储罐类型、介质特性、测量范围、测量精度、储罐内温度及压力等因素综合确定。

5）用于罐区储罐的雷达液位计宜带有罐旁指示表。

6）压力储罐上安装的雷达液位计一次仪表与设备法兰之间宜设维修切断球阀。

7）对于内部有影响微波传播的障碍物的储罐或介电常数低于 1.4 的介质不得选用雷达液位计。

8）对于储罐的界面测量，不得选用非接触式雷达液位计。

 

仪表的选型主要根据仪表性能、工作环境和介质特性进行选择。不同的行业，被测介质的特性和工作环境有很大差异，但对于同一类型和工作原理的仪表，常规的仪表选型要求是通用的。因此，上述雷达液位计的选型要求也适用于核电厂，但核电厂的监测工作环境对仪表有更高的要求，如辐照分区、抗震要求、安全等级等。这就需要在常规的仪表选型的基础上，再根据实际监测的具体要求进行进一步的仪表选型，zui终确定仪表的类型。

 

4 雷达液位计的安装要求

根据 DL/T 5182-2004《火力发电厂热工自动化就地设备安装、管路及电缆设计技术规定》，雷达液位计的安装需要满足下列规定 [3] ：

1）罐（仓）内壁至天线安装短管外壁的间距一般不小于 300mm，在信号波束内避免安装任何装置。

2）微波天线不可安装在入料扇区的正上方，也不可安装在罐（仓）顶的中心位置。

 

5 核电厂液位测量现状

核电厂由核岛、常规岛和全厂 BOP 辅助厂房 3 部分组成，工艺流程复杂，储罐、水池和泵坑很多。为了保证核电厂安全可靠稳定地运行，液位测量是主要的监控参数之一，不同的厂房对仪表的性能也有不同的要求。

1）核岛厂房包括辐照分区内和辐照分区外两部分。位于核岛辐照分区内的液位测量仪表需要具有抗辐照、抗震等的要求，需要进行相应的鉴定 ；位于核岛辐照分区外的液位测量仪表通常具有抗震要求，主要包括差压变送器液位测量、浮子式液位仪表、导波雷达和电容液位仪表等。

2）常规岛厂房液位测量的测量介质以汽水混合物为主，主要采用浮筒式液位仪表和浮子式液位仪表。

3）全厂 BOP 辅助厂房众多，包括制氢站、制氯站、除盐水生产车间 / 除盐水储存罐等重要辅助厂房，厂房 /系统中包含大量的储罐、水池和泵坑等，都设置了液位监测，但由于不同供货商、分包院和自主设计未实施标准化，液位监测方式多种多样，主要包括差压变送器液位测量、超声波液位计、浮筒式液位仪表和浮子式液位仪表等。

 

综上，目前核电厂用于液位监测的仪表类型多种多样。核电厂通常采用成熟设计和批量化建设，依托前期在役运行电厂为参考电厂。因此，在没有出现运行故障的经验反馈情况下，很少会修改仪表的选型。但对同一类型信息的监测中，采用的仪表类型多样，会给仪表的选型、现场安装、备品备件和设备的运行维护带来了一定的问题。面对新时期的核电新形势，对“减少备品备件规模，降低运维成本”“统一减少规格型号，降低工程造价”的要求日益成为重点，而仪表选型的标准化成为解决这一问题的zui有效、zui显著的解决方案。

 

6 雷达液位计与差压变送器液位测量、浮筒/浮子液位仪表综合比较

根据统计，核电厂目前用于液位测量主要采用差压变送器液位测量和浮筒 / 浮子液位仪表，通过对雷达液位计、差压变送器液位测量、浮筒 / 浮子液位仪表在测量原理，与介质的关系、安装、运维和适用的介质等方面进行综合比较，详见表 1。

根据表 1 的综合比较，随着雷达液位计的微波技术的不断发展，以及天线布置的逐渐小型化，雷达液位计在火电、石油化工等行业已经得到了广泛应用。由于浮筒 / 浮子液位仪表测量受介质中杂质的影响较大，并且浮筒 / 浮子易卡涩的固有缺点，已经大量被雷达液位计替代。在常规的采用差压变送器液位测量的监测条件下，雷达液位计也可取代差压变送器来进行液位测量，并且安装简单，维护方便。

 

7 核电厂液位监测仪表标准化可行性的探讨

核电厂目前用于液位监测的仪表类型多种多样，这不利于新时期核电建设的“减少备品备件、减少运维成本”的要求。因此，有必要根据核电厂的厂房环境条件分类讨论，对液位监测类仪表选型进行标准化。

 

1）核岛厂房对仪表选型有着很高的要求，如安全级别、辐照要求，这都需要仪表通过专业的仪表鉴定和长期稳定的运行经验，以确保测量的稳定性和准确性，确保核电厂的安全稳定运行。即使一般的核岛厂房，需要仪表具有抗震的要求，但目前雷达液位计并不具备满足抗震的要求，因此核岛的液位监测宜保持原状。

 

2）常规岛厂房的液位监测主要采用浮筒 / 浮子式液位仪表，主要介质为汽水混合物，因此并不适宜用雷达液位计替代。但根据在役运行核电厂常规岛的经验反馈，浮筒 / 浮子式液位仪表易卡涩、测量失真的问题真实存在，给核电厂的安全稳定运行和设备维护带来了很大的风险和挑战，这类仪表已经逐步被接触式的导波雷达液位计替代。

 

3）全厂的 BOP 辅助厂房有大量的储罐、混凝土池和泵坑都需要进行液位监测，主要测量介质通常为一般液体，环境条件友好 ；特殊的，如制氢站、制氯站等测量介质具有易腐蚀、有毒的特点，环境考虑抗爆，这些都非常适合采用雷达液位计进行标准化的选型设计。同时，由于火电厂中已经大量采用了雷达液位计，因而在核电厂的 BOP 辅助厂房选用雷达液位计进行标准化的液位监测是完全可行的。

 

为了进一步的实际验证，目前已经将雷达液位计在某核电厂 BOP 辅助厂房的海水淡化系统和综合用水系统的混凝土水池中进行了试点应用，被测介质分别为海水和二次淡化水。水池中被测介质波动小，经过一段的应用和信号收集，相比原有的差压变送器液位测量，雷达液位计安装方便，不需要进行测点开孔，并且维护简单，测量精度高，完全可以替代原有的差压变送器。

 

8 结论

通过对雷达液位计的测量原理、选型要求、安装要求和特点的介绍，以及总结核电厂目前液位监测现状，对雷达液位计与核电厂目前采用的差压变送器液位测量、浮筒 /浮子液位仪表进行了综合比较。为了满足新时期核电厂“减少备品备件、减低运行成本”的要求，采用已经在火电厂、石油化工行业已广泛使用的雷达液位计，作为核电厂 BOP辅助厂房的液位监测目前采用仪表的标准化替代方案是完全可行的，通过在某核电厂的试点应用，也有力地证明了该替代方案的实际可行性。