分體式雷達液位計在第三代核電站的應用與探索

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中應用而研發的新型雷達液位儀表，可以用于指示和控制液位，可以滿足絕大多數情況的液位測量，測量準確度高，分體式雷達液位計工作原理運用了時域反射與ETS等技術。液位計變送器模塊可以發射特定頻率的高頻窄電磁波，該電磁波沿著傳感器的導波桿或鋼纜傳播，當發射的電磁波遇到不同的介電常數的介質表面時，電磁波會被反射回來。通過等效時間采樣技術將納秒級的傳導時間放大為毫秒級別的等效時間，再采用最優目標識別等復雜的算法處理，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用優勢更加突出。

1 分體式雷達液位計的優勢

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，將傳感器導波桿或者鋼纜浸入被測介質進行測量的液位儀表。液位計運用了時域反射原理，變送器模塊部分產生一定頻率的電磁信號沿導波傳感器傳播，遇到不同介電常數的介質時產生反射，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——被測介質罐體連接法蘭面到被測介質零位的距離，mm。

v——電磁波的傳播速度，mm。

Δt——雷達波從發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點

第三代核電站的安注箱是核三級設備，布置在安全殼內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，其內硼水的溫度、環境溫度基本相同。安注箱上設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，用來監測安注箱液位是否在工藝規定的范圍以內。新型的分體式雷達液位計的設計壓力可達10MPa，設計溫度可達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。分體式設計根據現場的輻射劑量大小進行了劃分，高輻射區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點：

1）液位計的電磁波沿同軸射頻電纜和導波桿或者鋼纜傳導，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，最高準確度可達±3mm。

2）可以測量各種低介電常數的介質，介電常數的大小只影響回波幅度大小，對測量數據無影響。

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

4）測量不受介質密度、導電率和溫度的影響，適用于高溫高壓工況下的測量。

5）具有維護量小，現場調校方便，性能穩定、可靠等優點。

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指標進行了比較，從中可以看出分體式雷達液位計選型方案具有明顯的優勢。

表1 兩種選型方案主要技術指標對比Table 1 Comparison of the main technical parameters of the two selection schemes

超聲波不適用于被測介質為揮發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，從而影響到測量準確度，甚至無法正常測量。被測介質的壓力超過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計要求，同時在準確度、設計壓力和設計溫度方面具有較大的優勢，對測量容器內存在冷凝物、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性，同時調試的便捷性和使用壽命均優于超聲波液位計。

2 分體式雷達液位計實現國產化的意義

目前，國內電站普遍使用雷達液位計來測量箱罐和地坑液位。國內雖有生產廠商，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績。對于安裝于核設備雷達液位計的應力分析結果應不超過ASME BPVC III卷中相關限值的要求，國內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起步較晚，研發和生產相對滯后，同時面臨著國外的技術和貿易封鎖，但公司克服重重困難研制成功了具有自主知識產權的高性能、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，提高了核電殼內儀器儀表的國產化率。

3 分體式雷達液位計的選型

根據探頭結構的不同可分為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成，結構最簡單，是3種探頭型式中信號傳輸效率最低的一種，被測介質的介電常數ε＞10，是損耗最大的電磁場設計，也最能忽視掛料或者結垢，是受物體接近程度影響最大的一種型式。其通常應用于粘度較大，泡沫、掛料或結垢的工況，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成。其主要應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。其平行的導體結構設計方案沒有同軸式設計方案靈敏度高，被測介質介電常數須ε＞1.9。這種型式的電磁場設計能夠更精確地測量易掛料或結垢的被測介質，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垢，均會導致測量數據的異常，應盡量避免。

3）同軸式：該型式主要應用于清潔的低粘度液體，被測介質介電常數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計，讓同軸式傳感器探頭在掛料或結垢的工況下，容易產生測量數據異常，所以不適用于有掛料、結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：衰減系數與電導率及磁導率的平方根成正比，與介電常數的平方根成反比。即目標物體的介電常數越大，衰減率越??；衰減率越小，反射率越大。所以介電常數大的測量介質反射率強，傳感器的信號強度就高。

分體式雷達液位計是在一體式導波雷達液位計的基礎上，經過重新的結構設計。傳感器組件應用的材料均符合第三代核電站相關技術規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，并根據相關的設計要求進行了符合性鑒定試驗。本公司是國內首家具有設計、生產該超長距離雷達液位計廠商，100m的分體距離也是國產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，既有與傳統導波雷達相似的要求，又有其獨特的安裝注意事宜。安裝方式可分為頂裝式和側裝式兩種。

分體式雷達液位計能否準確測量被測介質與液位計的正確安裝密切相關。分體式雷達液位計必須與被測量介質的表面垂直，不垂直會造成不必要的測量誤差。若罐內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盡量避開干擾物，否則必須進行虛假回波學習，不然可能會影響液位的正常測量或者造成測量數據異常。對于圓型或橢圓型的罐體，應裝在離中心軸線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的中心位置，否則電磁波在管壁的多重折射后，將匯聚在容器頂的中心處，從而形成很強的干擾波，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場調試與維護

分體式雷達液位計現場標定非常方便，介質密度的變化、霧氣和泡沫對測量數據基本無影響。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。

液位計調試組態便捷，正式使用前將測量筒內的雜物排放干凈后即可。液位計校驗簡單，在現場很快即可完成校準工作，多數情況下僅需確認一下儀表的零位。通過變送器自帶的組態模塊按鍵即可實現輕松組態，也可通過上位機軟件或者DCS組態工具進行相關的設置。檢修維護量小，在實現了國產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場根據實際工況進行實時調整，然后通過液位計自帶的組態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即可完成設置。

6 分體式雷達液位計的應用前景展望

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

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

7 結論

分體式雷達液位計在第三代核電站使用時，其綜合性能明顯優于其他傳統的液位計。本公司通過對分體式雷達液位國產化研發，成功解決了超長距離分體雷達液位計沒有國產供應商可以選擇的難題，使核電核心儀器儀表國產化儀表率得到了進一步提升，為高輻射區域液位測量提供了全新的選擇。分體式雷達液位計的應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。