分体式雷达液位计在第三代核电站的应用与探索

高世平，宋丹丹，陈 耀

（上海星申仪表有限公司，上海 201399）

图1 产品的总体框架图Fig.1 Overall frame diagram of the product

0 引言

分体式雷达液位计是为第三代核电站液位测量和控制系统中应用而研发的新型雷达液位仪表，可以用于指示和控制液位，可以满足绝大多数情况的液位测量，测量准确度高，分体式雷达液位计工作原理运用了时域反射与ETS等技术。液位计变送器模块可以发射特定频率的高频窄电磁波，该电磁波沿着传感器的导波杆或钢缆传播，当发射的电磁波遇到不同的介电常数的介质表面时，电磁波会被反射回来。通过等效时间采样技术将纳秒级的传导时间放大为毫秒级别的等效时间，再采用最优目标识别等复杂的算法处理，并对存在的虚假回波进行有效抑制，从而实现了对液位的精确测量。

在第三代核电项目的非核级液位变送器选型过程中，有部分液位计从分体式超声波液位计调整为分体式雷达液位计。因为分体式雷达液位计有其独特的优势，特别是在液位表面有泡沫、蒸气或者搅动工况时，还有在沸腾的表面下，压力、温度、介电常数和密度的变化都不会影响液位计的性能，使得分体式雷达液位计在核电站的应用优势更加突出。

1 分体式雷达液位计的优势

1.1 分体式雷达液位计的基本原理

分体式雷达液位计是一种采用直接接触的方式，将传感器导波杆或者钢缆浸入被测介质进行测量的液位仪表。液位计运用了时域反射原理，变送器模块部分产生一定频率的电磁信号沿导波传感器传播，遇到不同介电常数的介质时产生反射，单片机通过算法可以得到待测液位高度。因此，在用分体式雷达液位计测量液位时，液位的变化会引起传感器特征阻抗改变。这种改变产生的反射信号通过电路采集进行捕捉后，加以处理从而得到所测的液位高度。液位高度的计算公式如下：

其中：

h——被测液位的高度，mm。

H——被测介质罐体连接法兰面到被测介质零位的距离，mm。

v——电磁波的传播速度，mm。

Δt——雷达波从发射到接收的间隔时间，s。

1.2 分体式雷达液位计的主要特点及优点

第三代核电站的安注箱是核三级设备，布置在安全壳内较堆芯补水箱位置略低。该位置便于维护和在役检查，同时也能保护安注箱免受LOCA的影响。安注箱内基本充满了硼水，并且由氮气（N2）加压。因为没有保温或加热，其内硼水的温度、环境温度基本相同。安注箱上设有两台分体式雷达液位计，仪表的测量范围从安注箱几乎排空到全满，用来监测安注箱液位是否在工艺规定的范围以内。新型的分体式雷达液位计的设计压力可达10MPa，设计温度可达230℃，同时具有高耐辐照性能和长达100m的分体距离，可以充分满足该位置仪表选型要求。分体式设计根据现场的辐射剂量大小进行了划分，高辐射区域中传感器组件的材料和射频电缆均采用了耐辐照材料，可以承受2MGy以上的γ总辐照剂量，而经过100m的耐辐照电缆距离分隔以后将液位计变送模块安装在低辐射区域，可以极大降低辐射对电子元器件造成的损伤，提高液位计的寿命和可靠性。

分体式雷达液位计主要具有以下优点：

1）液位计的电磁波沿同轴射频电缆和导波杆或者钢缆传导，衰减程度小，功耗极低，电磁波能量集中，不易扩散，抗干扰能力很强，最高准确度可达±3mm。

2）可以测量各种低介电常数的介质，介电常数的大小只影响回波幅度大小，对测量数据无影响。

3）雾气、泡沫等引起的散杂信号对测量无影响。对于具有挥发性气体、泡沫、液位表面波动、挂料、结垢、沸腾、介电常数或密度经常变化的测量工况，都可以有效进行测量。

4）测量不受介质密度、导电率和温度的影响，适用于高温高压工况下的测量。

5）具有维护量小，现场调校方便，性能稳定、可靠等优点。

1.3 分体式雷达液位计和分体超声波液位计综合性能比较

用分体式雷达液位计完全可以替代之前经常采用的分体式超声波液位计选型方案。表1对两种选型方案的主要技术指标进行了比较，从中可以看出分体式雷达液位计选型方案具有明显的优势。

表1 两种选型方案主要技术指标对比Table 1 Comparison of the main technical parameters of the two selection schemes

超声波不适用于被测介质为挥发性液体或含有大量水汽、粉尘以及液面上有泡沫等。较高的压力会抑制超声波的声速，从而影响到测量准确度，甚至无法正常测量。被测介质的压力超过0.2MPa或者负压情况下，均会引起测量误差，甚至无法完成测量工作。

分体式雷达液位计可以满足分体距离的设计要求，同时在准确度、设计压力和设计温度方面具有较大的优势，对测量容器内存在冷凝物、附着物、液位表面泡沫以及盘管干扰物工况等有较好的适应性，同时调试的便捷性和使用寿命均优于超声波液位计。

2 分体式雷达液位计实现国产化的意义

目前，国内电站普遍使用雷达液位计来测量箱罐和地坑液位。国内虽有生产厂商，但由于仪表性能、用户评价等方面缺乏竞争力，目前在核电站里没有广泛的使用业绩。对于安装于核设备雷达液位计的应力分析结果应不超过ASME BPVC III卷中相关限值的要求，国内目前尚没有任何一家制造商符合该要求。同时，分体式雷达液位计国内起步较晚，研发和生产相对滞后，同时面临着国外的技术和贸易封锁，但公司克服重重困难研制成功了具有自主知识产权的高性能、高可靠、高性价比的分体式雷达液位计，并且成功向第三代核电站进行了供货，提高了核电壳内仪器仪表的国产化率。

3 分体式雷达液位计的选型

根据探头结构的不同可分为3种类型：单杆式（单缆式）、双杆式（双缆式）、同轴杆式。

1）单杆（缆）式：传感器的探头部分由金属硬杆或多股钢缆构成，结构最简单，是3种探头型式中信号传输效率最低的一种，被测介质的介电常数ε＞10，是损耗最大的电磁场设计，也最能忽视挂料或者结垢，是受物体接近程度影响最大的一种型式。其通常应用于粘度较大，泡沫、挂料或结垢的工况，可以测量液体或散状固体，所以有时也被称为物位计。

2）双杆（缆）式：传感器的探头部分有两根杆为金属硬杆或多股钢缆构成。其主要应用于粘度较大且有少量挂料的工况，可测量液体或散状固体。其平行的导体结构设计方案没有同轴式设计方案灵敏度高，被测介质介电常数须ε＞1.9。这种型式的电磁场设计能够更精确地测量易挂料或结垢的被测介质，膜状的挂料对液位计的性能影响较小。但在两杆之间物料搭桥或在隔离件上结垢，均会导致测量数据的异常，应尽量避免。

3）同轴式：该型式主要应用于清洁的低粘度液体，被测介质介电常数ε≥1.4，是所有类型传感器中性能最好的。但由于其敏感的密闭的电磁场设计，让同轴式传感器探头在挂料或结垢的工况下，容易产生测量数据异常，所以不适用于有挂料、结垢和泡沫工况的液位测量。

电磁波的反射率受以下条件影响：衰减系数与电导率及磁导率的平方根成正比，与介电常数的平方根成反比。即目标物体的介电常数越大，衰减率越小；衰减率越小，反射率越大。所以介电常数大的测量介质反射率强，传感器的信号强度就高。

分体式雷达液位计是在一体式导波雷达液位计的基础上，经过重新的结构设计。传感器组件应用的材料均符合第三代核电站相关技术规范书和禁用材料要求，同时将传感器组件与变送器组件用超长距离（100m）耐辐照低烟无卤阻燃同轴电缆射频进行连接，并根据相关的设计要求进行了符合性鉴定试验。本公司是国内首家具有设计、生产该超长距离雷达液位计厂商，100m的分体距离也是国产化分体雷达液位计之最。

4 分体式雷达液位计的安装注意事项

分体式雷达液位计作为新型的液位测量仪表，既有与传统导波雷达相似的要求，又有其独特的安装注意事宜。安装方式可分为顶装式和侧装式两种。

分体式雷达液位计能否准确测量被测介质与液位计的正确安装密切相关。分体式雷达液位计必须与被测量介质的表面垂直，不垂直会造成不必要的测量误差。若罐内存在搅拌或罐壁有黏附物以及阶梯、盘管等干扰物，选择安装孔时，在有条件的情况下应尽量避开干扰物，否则必须进行虚假回波学习，不然可能会影响液位的正常测量或者造成测量数据异常。对于圆型或椭圆型的罐体，应装在离中心轴线1/2R（R为容器半径）距离的位置上，不可装在圆形或椭圆形的容器顶的中心位置，否则电磁波在管壁的多重折射后，将汇聚在容器顶的中心处，从而形成很强的干扰波，影响液位计的正常使用。对液位表面波动较大的容器进行液位测量时，建议在旁通管上安装以减少液位波动对测量的影响。分体式雷达液位计的传感器安装法兰顶部至少需要预留200mm～300mm的空间，同时建议用金属软管对传感器和变送器之间射频电缆进行独立的防护。射频电缆的单次最小弯曲半径15mm，多次最小弯曲半径30mm，最小弯曲次数大于15次可能会造成射频电缆损坏。

5 分体式雷达液位计的现场调试与维护

分体式雷达液位计现场标定非常方便，介质密度的变化、雾气和泡沫对测量数据基本无影响。由于电磁波不通过空间传播，因而雾气不会引起信号的衰减，泡沫也不会对信号进行散射而损失能量。

液位计调试组态便捷，正式使用前将测量筒内的杂物排放干净后即可。液位计校验简单，在现场很快即可完成校准工作，多数情况下仅需确认一下仪表的零位。通过变送器自带的组态模块按键即可实现轻松组态，也可通过上位机软件或者DCS组态工具进行相关的设置。检修维护量小，在实现了国产化后极大地降低了维护成本和缩短了维修周期。除同轴型之外，传感器的长度和射频电缆的长度可以在现场根据实际工况进行实时调整，然后通过液位计自带的组态模块或者上位机软件对传感器探头的长度和电缆长度进行简单的组态即可完成设置。

6 分体式雷达液位计的应用前景展望

传统的雷达液位计已经应用于福建福清核电1～4号机组的汽水分离再热系统上。中广核相关核电厂的汽水分离再热器疏水系统中，秦二厂1、2号机组中低压给水加热器系统的液位测量已全部使用了雷达液位计，运行效果良好，低加系统液位计也正常稳定工作，雷达液位计的应用极大地减轻了检修人员的工作量，同时也降低了生产和维护成本，为核电厂的安全稳定运行打下坚实的基础。

进口的分体式雷达液位计目前已经在三门、海阳核电站成功应用。本公司设计、生产的分体式雷达液位在第三代核电站也有了应用业绩，相信随着产品系列的不断拓展和应用的逐步增多，将来分体式雷达液位计在核电领域一定会有更为广阔的前景。

7 结论

分体式雷达液位计在第三代核电站使用时，其综合性能明显优于其他传统的液位计。本公司通过对分体式雷达液位国产化研发，成功解决了超长距离分体雷达液位计没有国产供应商可以选择的难题，使核电核心仪器仪表国产化仪表率得到了进一步提升，为高辐射区域液位测量提供了全新的选择。分体式雷达液位计的应用对解决目前进口仪表卡脖子问题以及降低核电采购、维护成本，缩短供货、维护周期都具有重要意义。