雷达液位计在乏燃料水池监测中的应用

黄玥，张丽芹

（1.杭州供电公司,杭州 311600；2.中科华核电技术研究院 北京分院，北京 100086）

0 引言

福岛核事故后，在国家核安全局、能源局等5大部委联合下发的《核安全与放射性污染防治“十二五”规划及2020年远景目标》的基本原则中提出了“预防为主，纵深防御”和“依靠科技、持续改进”两项基本原则，并在重点任务中提出了需要增强乏燃料水池（以下简称“乏池”）的补水和监测能力。2012年，国家核安全局提出了《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求》（以下简称“改进要求”）[1]，明确定义“乏池监测”应针对各种工况下的乏池参数（如温度、液位、放射性水平等）进行监测，以获取事故后乏燃料水池的信息，并要求考虑丧失厂外电和应急柴油机供电情况下对液位和温度测量的供电。

1 液位计选型

目前工业领域已被成熟应用的水位测量的技术方式有压差式、电接点式、热效应式、非接触式等多种原理型式。然而对于核电站已经运营的机组，由于乏池中已充满冷却水并储存有乏燃料，故水池中的水不能排空，水池中辐射剂量较大，因此对于压差式、电接点式、热效应式等接触式液位计，现场无法提供安装条件，故无法应用。

目前新型的非接触式液位计超声波及雷达液位计得到广泛应用。其测量原理是通过发射一束波束到液面并接收从液面反射回来的该波束，通过检测该波束往返所需的时间来确定液体的液位。超声波是机械波，因声波要靠振动发声，环境压力大时发声部件受影响；且其传播速度与传播媒介的状态密切相关，故受影响的条件（温度、压力等）较多；另外超声波频率一般为几万赫兹，故其穿透能力差，在信号传输过程中，衰减较大；此外超声波发射器不能耐受高温。雷达液位计发射的是电磁波，频率一般在6G～26GHz之间，波速与环境温度、烟雾、压力等没有关系，传播速度始终为光速。因此两者主要区别有：

1）超声波液位计精度不如雷达。

2）超声波液位计不能应用于真空、蒸汽含量过高或液面有泡沫等工况，而电磁波可以满足很多种状态下测量，外部环境（雾气等）不会影响被测物体的测量范围和精度；

3）雷达液位计测量范围要比超声波大很多，方式多样，相对超声波能够应用于更复杂的工况。

2 测量原理

雷达液位计按其电磁波发射种类的不同，可分为两类：脉冲一时域和调频连续波。[2]

2.1 脉冲—时域

雷达发射器发射一个固定频率的雷达波，波束以恒速v向下传播，检测发射和接收的时间差，计算出液位。

由上图可知，被测介质的高度可由罐高和雷达波传播的距离算出，其式为：

雷达液位计从开始发射电磁波到探头接收到液面反射的电磁波之间的时间差为：

式中：

ν——雷达波在空气中传播速度，即光速；

T——从发射到接收到反射波的时间差。

由上可推出被测介质的液位深度与雷达波运行时间关系：

正常工况条件下乏燃料池厂房为常温常压环境，但一旦出现水池冷却系统故障，工况可能变成高温高湿环境，即液位计的雷达波不一定在理想状态下运行,故雷达波运行速度ν须根据介质具体情况进行修正：

式中，μr：介质相对导磁率；εr：相对介电常数，其中可由式（5）计算εr

式中：

εrN：常态下气体的介电常数，1.000633；θN：绝对温度、273K；

θ：液位计所处环境温度。K；

p：液位计所处环境压力，绝对压力，kPa；

pN：常压，为绝对压力，其值是100kPa。

由式（4）和（5）知，当乏燃料厂房出现异常情况时，利用雷达液位计测量液位，需要根据使用现场的压力、温度等参数对雷达波运行速度引起的测量误差进行修正。

2.2 调频连续波FMCW

应用频差原理如图2所示。雷达天线发射的雷达波是被调制成围绕基本工作频率、以固定速率连续变化的GHz级的高频信号。雷达信号被液体表面反射后，天线接收回波，由于雷达波频率按固定规律变化，使回波与发射波的频率不同，从而形成频率差Δf。Δf与发射天线到液面的距离H成正比。这种调频信号能有效地提高信噪比，并获得更高的精度。

如果设定雷达波发射频率随时间线性增加，增加的斜率为k，当遇到液面发生反射时，反射回来的信号比发射信号滞后了一定时间t。根据电磁波传播原理可知：

式中：

C为微波在空间中的传播速度；

R为液面距雷达液位仪的距离。

信号反射频率与发射频率间的差频为：

将以上两式合并后可以得到：

因此R与Δf是成正比的，故反射液面离雷达天线的距离越远，则所产生的差频频率Δf越大，由此可计算天线到反射面的距离。

3 适用性评价

运行核电厂的乏燃料水池在正常情况下，由于储存有乏燃料时，水位均保持在安全高度状态，同时也为操作人员提供良好的生物防护。由于恐怖袭击、自然灾害、系统本身故障、衰变热等原因使得乏池水温升高、水位下降，可能导致乏燃料组件裸露甚至熔化等事故的发生。为保证乏燃料的正常冷却和及时采取相应措施，乏池中水位必须进行实时监测。

乏燃料储存水池位于核电站燃料厂房内，燃料厂房用于燃料装卸、运输、贮存系统（PMC）的设备布置及操作，同时也用于反应堆换料水池和乏池冷却和处理系统（PTR）、燃料厂房通风系统（DVK）的布置。乏燃料储存水池所在的房间为辐射控制区，在燃料厂房区域的+7.50m至+20.OOm标高处，水池所处的燃料厂房长50m左右、宽24m、屋顶最高为38.5m，距池水表面0.5m处的剂量率≤0.5μSv/h，因此离乏燃料池水表面更高处的辐照剂量率会更低，接近于天然本底辐照剂量率，因此可通过在水池上部的厂房顶部加装一个安装平台，其上安装雷达液位计以实现对乏池的水位测量。

乏池液位在19.3m时为其液位低报警，正常运行期间提示正常补水；19.55m时液位高报警，停止所有补水操作。因此其液位高度固定，处于室内，也不会出现由于风吹而产生液位波动的情况，因此基本不会出现由于液位大幅增加、而产生雷达波发射到接收的时间大幅变短、从而引起计时困难的情形，即利用脉冲-时间法测量精度不会产生大幅降低的情况。

由于核电站乏燃料厂房很少有人进入，在雷达液位计电磁波波束所辐射的范围内或其周围，鲜少出现数字无线电话系统等强电磁干扰的设备。而核电站电气室需要实时获知乏池的液位信息，故需将液位计的探测部分（雷达表头及天线部分）通过法兰或者螺纹固定在乏池上方的安装平台上，并保证天线正下方无干扰物，而将液位计的电子部分（电源和信号）放置在电站电气厂房内，设置专门的电气柜进行信号的显示和远传（远传到控制室，以进行乏燃料池水位的自动控制），根据《改进行动要求》，液位计电源需设置冗余的两路来源，一路由电站电力供应系统供电（正常情况下），另一路连接于电站的备用电源或可替代电池，即应急供电系统（事故情况下）。综上，采用二线制的24VDC供电的雷达脉冲波技术的液位计，具有功耗低、易实现且安全可靠等优点。

4 提高液位计可靠性的措施

基于雷达液位计的距离测量原理，现场安装使用时，应做到：

1）雷达发射天线到最低液位之间的距离应小于该雷达液位计的量程。

2）雷达天线到最高液位之间的距离应大于其盲区，如图3所示。

3）探头的正下方应尽量避开进水口等液面有剧烈波动的位置[4]。

4）为避免出现虚假信号，雷达液位计的安装位置应距离池壁30cm以上，以免误将池壁作为液面[4]。

5）探头发射面要与被测液面尽量平行，令波束垂直发射到被测液面，以保证返回最大能量，并确保波束范围内无固定物。

6）雷达液位计应设置好接地保护和瞬间过电压保护，安装时应做雷击保护[3]。

7）根据《改进行动要求》，乏池液位测量系统需保持事故条件下的可用。若乏池冷却系统失效，则液位计所处的环境会成为高温高湿的环境，因此液位计的现场接线端子一定要密封等级较高，以免侵入液体或蒸汽，造成电气短路、测试设备失效等故障。

5 结论

图1 时差法测量原理图Fig.1 The time difference method measuring principle diagram

图2 调频连续波原理图Fig.2 The principle diagram of the frequency modulated continuous wave

图3 雷达液位计安装示意图Fig.3 Radar level gauge installation schematic diagram

虽然液位计的类型较多，但通过比较分析可知，能适用于已运行核电厂乏燃料水池液位测量的类型却不多。由于雷达液位计具有非接触测量优势，通过相关技术及安装措施改进，可在非放射性/放射性工况下可靠性的应用，因此可推动雷达液位测量仪表在核电站特殊场所中的使用。

[1]国家核安全局.福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求(试行)[R].2012:20-21.

[2]陈桂华.SAAB雷达液位计在液化石油气储罐上的应用[J].中国仪器仪表,2012,7:46-49.

[3]张权,胡勇.雷击致雷达液位计损坏的原因及防范对策[J].石油化工自动化,2011,47(5):72-73.

[4]韩平.超声波液位计在液位测量中的应用[J].中国仪器仪表,2011,3:46-49.