海水泵房液位控制器在重水核电厂的改进与应用

俞嘉成，诸海川，吕晓栋，常满意

（中核核电运行管理有限公司 技术三处，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

某重水核电厂海水泵房的主要功能是在任何潮位下，向凝汽器循环水泵和原水服务水泵提供足量的过滤海水，防止垃圾、碎石和海洋生物等进入水泵内堵塞管道或者打坏设备。海水经过4 条地下取水方涵进入泵房前池，然后进入12 条尺寸、形状均一致的取水通道，每台机组6 条。前池海水先后通过拦污格栅、前池闸门、胸墙、旋转滤网等设施后进入相应水泵取水池，为海水系统提供足量的过滤海水。

海水泵房前池共有12 台旋转滤网，每台旋转滤网有前后2 个液位探头，分别提供旋转滤网前后液位及液位差数据，且实时监测海水潮位信号、旋转滤网前后液位差高等报警信号，当液位控制器出现故障或受干扰时，主控室将失去信号监测，若误触发旋转滤网液位差高、前池液位低等报警信号，将影响重要海水冷却水系统、凝汽器循环冷却水系统等正常运行。

1 运行液位控制要求

根据电厂运行手册要求，每个机组的2 号旋转滤网前液位探头提供液位指示，对应AI-0246 指示。当前池内水位下降到标高84.5m 的时候，会出现AI-0246 报警（泵房前池水位低报警）；当前池内水位下降到标高83.5m 的时候，会出现CI-1874 报警（重要海水冷却水泵取水前池水位极低报警）、CI-1036/1035 报警（凝汽器循环冷却水泵取水口低潮位报警），同时闭锁水泵启动逻辑。

旋转滤网的前后液位差报警值为30cm，高于该值后主控室产生CI-1873 报警（旋转滤网前后水位差高-高报警），旋转滤网的前后液位差小于15cm 后报警消除，但需对滤网控制盘（67110-PL-4043/4044）手动复位报警指示灯，液位差高报警不影响旋转滤网的正常运行。

液位控制器分别使用过两种类型控制器，以下对两种控制器的使用情况和优化策略进行详述。

2 超声波液位控制器

2.1 控制原理

海水泵房初期使用的是超声波液位控制器和探头，工作原理[1]为：超声波发射器向某一方向发射脉冲信号，在发射的同时开始计时，超声波通过介质传播到达液面，经反射后再通过介质返回到超声波接收器，接收器收到回波就立即停止计时。由此可计算出海水泵房液面高度H 为：H=H0-H1=H0-ct/2。（H0：探头到底部的高度；H1：探头到液位的高度；c：超声波在介质中传播速度；t：超声波发射和接收的时间间隔）。

2.2 缺陷统计和分析

海水泵房两台机组旋转滤网前后超声波液位探头从2014 年3 月至2016 年3 月出现的缺陷总共为30 起，其中超声波液位探头表面因凝结水干扰19 起、自身故障10 起、接线氧化1 起，探头受表面凝结水干扰导致的缺陷占总数的63.3%。

现场超声波液位计长期处于雾气当中，当环境温度骤然变化时，超声波传感器发射面就会出现水雾。由于探头表面平整，水雾附着后容易聚集产生凝结水，超声波传感器发射的超声波经过发射面会出现折射，经液位反射的回波丢失，最后出现报警。

2.3 优化策略

优化方式1：对管道和压盖进行开孔，以排出水蒸气。

初步分析时，怀疑旋转滤网高液位差是因为天气过热，水蒸气充满探头的下方区域却无法排出，造成变送器无法真实反映液面高度，产生误报警。后通过在变送器压盖上方打孔，以便蒸汽能顺利排出，但此优化策略效果甚微。

优化方式2：将液位控制器变更为雷达液位控制器。

海水泵房环境较潮湿，特别是天文大潮时段，潮气较重。虽然超声波技术具有成本低、安全性高、非接触、安装使用方便、结果读取直观等优点，但是也存在测量的局限性。由于声速与热容比、密度、油气组分、温度等因素的变化有关，因而在液位测量中，声速会因温度变化、液体挥发等原因而变化，造成超声波测距不准确，产生误差[2]。

基于超声波液位探头自身对于抗水汽干扰能力较弱，容易受到干扰的特性，后续通过设备变更将液位控制器替换为雷达液位控制器。

3 雷达液位控制器

3.1 控制原理

雷达液位控制器通过从垂直安装在顶部的天线发射出26 GHz 的K 波段短雷达脉冲信号，当遇到被测介质表面时，由于介电常数突变，能量反射成回波并被雷达接收，发射脉冲和反射脉冲之间的时间差与被测介质的距离成正比，经计算得出液位高度。

3.2 缺陷统计和分析

变更后，缺陷并未因此得到根本解决。统计从2016 年3 月至2020 年7 月出现的缺陷总共记73 起，其中雷达液位探头因表面凝结水干扰53 起、自身故障20 起，由表面凝结水干扰导致的缺陷占总数的72.6%。

现场检查发现液位探头的雷达外壳（铝壳+涂层）长时间暴露在碱性潮湿空气中易发生凝露腐蚀，进而导致内部电路板腐蚀失效，同时雷达的喇叭口内壁经常存在大量水珠（旋转滤网前后水面开阔，水汽蒸腾较多，空气湿度大，导致上部冷凝水较多），尤其是在环境温度和天气变化时，通过擦干凝结水，对探头表面进行清洁后报警消失。

目前的雷达为K 波段26GHZ 喇叭型雷达，测量范围10m，发射角为9°。当喇叭口上挂水珠时，其发射角过大导致电磁波散射到水珠和孔洞壁上后回波丢失，不适用于现场湿度高，水面上下温差大的测量环境。

3.3 优化策略

雷达液位探头微波的聚焦和灵敏度都是由天线的外形决定的，液位探头可适应的温度和压力的范围也与天线的材料和密封结构有关，使用喇叭口天线，聚焦特性强，可在高温高压条件下工作，适用于绝大多数场合，但不适合腐蚀介质的测量。此类型天线的发射角与喇叭口直径及频率有关，在相同频率下喇叭口直径越大，波束角越小。高频雷达能量高，波束角小，抗干扰能力强[3]。

由于该雷达探测器喇叭口存在冷凝水会产生测量干扰的固有缺陷，且与之配套的控制器工作不稳定，已多次出现死机或不能正常工作的情况，因而考虑采用其它先进的抗冷凝水的雷达液位测量设备和配套控制器进行替代，彻底解决该问题。

4 升级后的雷达液位控制器

升级后的液位控制器，探头部分使用316L 不锈钢外壳，采用基于调频连续波原理（FMCW）工作的“俯视式”微型测量系统，天线向介质方向发射频率最大可达80GHz的W 波段的连续变化的电磁波信号，电磁波到达被测介质表面后发生反射，反射回波再次被天线接收。

通过调制电磁波的频率，在f1 和f2 两个频率之间形成锯齿波信号。因此，任意时间点上发送信号和接受信号间都存在频率差：Δf=kΔt，其中Δt 是电磁波的运行时间，k 是调频的斜率。Δt 与距离D（测量参考点R 至介质表面的距离）相关：D=(cΔt)/2。其中，c 为电磁波的传播速度。因此，D 可以基于测量到的频率差值Δf 计算得到，基于D确定物位高低。

变更升级后的液位控制器采用全PTFE 填充的齐平安装的天线，适用于腐蚀性液体测量，抗冷凝水效果明显，从变更完成后稳定至今，期间未有因为凝结水导致的误报警和设备缺陷。

5 结束语

液位控制器的变更选型，不仅需要考虑仪表本身精度以及功能，还需要考虑使用工况，判断是否满足现场的工作环境要求。本文通过对海水泵房液位控制器的变更过程进行介绍，希望能给同类型电厂的设备选型提供参考经验。