导波雷达液位变送器在核电厂中的应用

牛德安

【摘 要】液位测量是核电厂自动控制系统中重要组成部分。为了适应核电厂液位测量的发展，需合理选择液位仪表。通过对在运核电厂液位仪表原理的分析，总结出了导波雷达液位变送器在核电厂的用途、选型、安装等应用中应该注意的问题，对后续项目导波雷達液位变送器的应用有一定的指导意义。

【Abstract】Level measurement is an important part of automatic control system in nuclear power plant. In order to adapt to the development of level measurement in nuclear power plant， the level instruments should be selected reasonably. Through analyzing the principle of level instruments in the power plant， the paper summarizes the problems that should be noticed in the application， selection and installation of guided wave radar level transmitter in nuclear power plants， it has certain guiding significance for the application of the guided wave radar level transmitter in the follow-up project.

【关键词】核电厂；自动控制；液位测量；导波雷达

【Keywords】 nuclear power plant； automatic control； level measuring； guide wave radar

【中图分类号】TH816 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）04-0175-02

1 引言

核电厂汽水分离再热器疏水系统使用的是Magnetrol导波雷达液位变送器测量疏水罐液位，进而控制疏水罐水位。与“顶装”式安装不同的是核电厂采用了“侧装”的安装方式，即探杆和表头分开，中间通过使用延伸电缆来实现信号的传输。探杆安装在与疏水罐底部连通的测量筒内探测实际水位，表头固定在测量筒附近地面的地桩上，侧装的优势在于可实现在线检修。

2 导波雷达液位变送器的原理及特点

2.1 导波雷达液位变送器的原理

导波雷达液位变送器采用了TDR时域反射原理，即通过传感器电路板件发生器发射一个电磁脉冲波，电磁波沿着延伸电缆传播到导波杆并沿着导波杆向下传送的，当遇到比当前的传导介质（例如空气、蒸汽等）介电常数更大的液体表面时，脉冲会被反射（其中小部分能量会继续往下传播），用超高速计时电路可精确地测量出脉冲波的传导时间，从而实现对液位的准确测量。

根据麦克斯维电磁场理论，当两根同级的导线相距很近的时侯，会产生变化的磁场，变化的磁场同时会产生变化的电场，这种可变的电场和磁场交替传输的波被称之为电磁波。电磁波的物理特性为：从介质1传输到介质2，如果介质2的介电常数大于介质1的介电常数时，电磁波会在介质2的表面上被反射。通过超高速计时电路测量从电磁波发射到反射的时间差ΔT ，雷达顶部到液面的距离S=V*ΔT/2，如果罐子的高度为H，那么液位L=H-S。雷达测量脉冲为250K/s，即每隔4us发射一个脉冲。

由于空气和蒸汽的介电常数不同，电磁波在蒸汽中的传播速度比空气慢，高温高压水的

水位上部是高温高压蒸汽。假设蒸汽工况条件下，如果采用空气中的速度V来计算液位，根据原理公式L=H-S=H-V*ΔT/2，因为S=V*ΔT/2比实际值偏大，计算出来的液位值将比实际液位值的偏小（根据经验如量程为1000mm，测量值比实际值将小100mm，误差在10%）。因此需要实时测量液位上部空间的电磁波实际传播速度进行重新计算，此技术成为蒸汽补偿技术。

2.2 导波雷达液位变送器的特点

蒸汽补偿技术——就是计算实际蒸汽工况条件下的电磁波速度以正确测量实际液位。导波杆顶部密封层有个凹槽，称为基准点，基准点以下约5英寸处有个蒸汽补偿结构，称为参考点。变送器发射参考脉冲波，变送器内部的超高速计时电路将计算参考脉冲波从发射基准点到参考点的传导时间ΔT，这样计算出实际蒸汽工况条件下的电磁波速度V=2L/ΔT，实际的液位值将是L=H-S=H-V*ΔT/2=H-L*ΔT/ΔT，这样计算出实际蒸汽工况条件下的真实液位。实际上，即使在同一工况，高温蒸汽的物理参数发生变化时，也不会影响测量的准确性和可靠性，因为补偿功能是就地的、即时的。该技术保证在不同工况下测量值的真实性。

防蒸汽渗透技术——防蒸汽渗透技术同样也是专利的、独有的。核电厂中加热器的水及蒸汽在含氨碱性环境下，O型圈的材料采用Aegis PF128，其他材料将导致腐蚀或泄漏；散热层采用了适合饱和蒸汽条件的氧化铝PEEK（高温塑料）为绝热材质，导波杆的散热器电磁波传输部分采用了黄金材料；导波杆的结构材料和焊接工艺必须符合ANSI B31.1标准。

3 核电现场导波雷达液位变送器的安装

3.1 安装注意事项

导波雷达液位变送器的安装方式大致分为顶装式和侧装式两种。侧装需要外置测量筒，导波杆顶装在测量筒的上端，测量筒再与容器连接。一般测量筒的上下接液口的距离就是设计要求的测量范围。液位变送器能否准确测量依赖于反射波的信号。因此，安装时应注意以下几点：①导波雷达液位变送器天线的轴线应与液位的反射表面垂直。②罐内的搅拌阀、罐壁的黏附物和阶梯等物体，如果在雷达液位计的信号范围内，会产生干扰的反射波，影响液位测量。③液位计的导波杆要伸出安装孔，安装孔的长度不能超过100mm。对于圆型或椭圆型的容器，应装在离中心为1/ 2R（R 为容器半径）距离的位置，不可装在圆型或椭圆型的容器顶的中心处，否则雷达波在容器壁的多重反射后，汇集于容器顶的中心处，形成很强的干扰波。④对液位波动较大的容器的液位测量，可采用附带旁通管的液位计，以减少液位波动的影响。

3.2 接线方式

所有HART版的Model 705变送器的工作电压为11～36VDC，过高的电压将损坏表头。电源和变送器之间的接线采用18～22 AWG的屏蔽二芯计算机电缆。变送器的表壳内可以完成接线和接地。接线方式取决于应用场合：通用或阻燃型、本安型、隔爆型。

3.2.1 通用或阻燃型

通用安装不存在可燃气体。阻燃场合只有在非正常情况下才会有可燃气体。不需要使用特别的电气接头。

通用或阻燃型接线步骤：①穿入电源线；②将屏蔽在电源断接地；③将地线接入最近的绿色接地螺丝；④连接正负极。

3.2.2 本安型

本安型安装在存在可燃气体的场合。在安全区域必须安装安全栅。

本安型接线步骤：①确认在安全区域已正确安装安全栅。完成至Eclips的安全栅的接线；②穿入电源线；③将屏蔽在电源断接地；④将地线接入最近的绿色接地螺丝；⑤连接正负极。

3.2.3 隔爆型

隔爆型用于危险性场合，含有易燃性气体或者有爆炸可能。变送器必须使用防爆接头。

隔爆型接线步骤：①从安全区域至Eclips的电气接线口，安装防爆接线；②穿入电源线；③将屏蔽在电源断接地；④将地线接入最近的绿色接地螺丝；⑤连接正负极。

3.3 參数设置

①变送器可选装一个二行8位的液晶显示。变送器的测量值和设置菜单都可以在LCD上显示。②变送器的缺省显示是测量值。每5秒钟轮流显示STATUS， LEVEL， %OUTPUT以及LOOP 信息 （Fieldbus版本则是LEVEL， %OUTPUT 和STATUS） 。如果5分钟没有按任何键，变送器将自动缺省显示以上信息。③键盘有三个箭头，用于切换显示和进行设置。分别是Up 箭头和 Down 箭头和Enter键。Eclips采用密码保护某些影响系统操作的菜单结构中的重要部分。只有正确的密码输入，上行显示的最后会显示一个惊叹号。密码可以设置最大255的任何数值。无论何时要改变设置值都需要密码。出厂时的缺省密码是0。设置菜单的最后一步，可以设置新的密码。如果密码为0，密码保护则不生效，除了诊断以外的数值都可以无需密码进行修改。

4 使用过程中发现的问题与对策

统计核电机组导波雷达液位变送器在使用过程中出现的故障及处理措施，其中：①处理No signal、weak signal问题，调高导波雷达灵敏度。对于705系列导波雷达故障信息为“No Signal”和“Weak Signal”的故障模式，可通过调整灵敏度消除故障。所以核电站所使用的导波雷达液位变送器灵敏度统一调整为194；②核电站现场所使用的多个导波雷达出现固定卡子损坏问题，在后续工作中会统一升级为7MQ系列固定卡子。

针对核电站GSS疏水罐液位计支撑件断裂问题，Magnetrol供应商经过分析之后，认为根本原因是流体介质碱性值偏高和高温共同作用所致；所以将支撑件更换为铝合金材质可解决该问题。

5 结论

本文详细讲解了导波雷达液位变送器的原理以及特点，根据导波雷达液位变送器在核电厂中的实际应用，总结出了导波雷达液位变送器的安装、参数设置、调试的方法，以及在使用过程中出现的一些问题和应对策略，对后续机组或者是其他电厂中导波雷达液位变送器的使用具有一定的指导意义。