雷達液位計在乏燃料水池監測中的應用

黃玥，張麗芹

（1.杭州供電公司,杭州 311600；2.中科華核電技術研究院 北京分院，北京 100086）

0 引言

福島核事故后，在國家核安全局、能源局等5大部委聯合下發的《核安全與放射性污染防治“十二五”規劃及2020年遠景目標》的基本原則中提出了“預防為主，縱深防御”和“依靠科技、持續改進”兩項基本原則，并在重點任務中提出了需要增強乏燃料水池（以下簡稱“乏池”）的補水和監測能力。2012年，國家核安全局提出了《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求》（以下簡稱“改進要求”）[1]，明確定義“乏池監測”應針對各種工況下的乏池參數（如溫度、液位、放射性水平等）進行監測，以獲取事故后乏燃料水池的信息，并要求考慮喪失廠外電和應急柴油機供電情況下對液位和溫度測量的供電。

1 液位計選型

目前工業領域已被成熟應用的水位測量的技術方式有壓差式、電接點式、熱效應式、非接觸式等多種原理型式。然而對于核電站已經運營的機組，由于乏池中已充滿冷卻水并儲存有乏燃料，故水池中的水不能排空，水池中輻射劑量較大，因此對于壓差式、電接點式、熱效應式等接觸式液位計，現場無法提供安裝條件，故無法應用。

目前新型的非接觸式液位計超聲波及雷達液位計得到廣泛應用。其測量原理是通過發射一束波束到液面并接收從液面反射回來的該波束，通過檢測該波束往返所需的時間來確定液體的液位。超聲波是機械波，因聲波要靠振動發聲，環境壓力大時發聲部件受影響；且其傳播速度與傳播媒介的狀態密切相關，故受影響的條件（溫度、壓力等）較多；另外超聲波頻率一般為幾萬赫茲，故其穿透能力差，在信號傳輸過程中，衰減較大；此外超聲波發射器不能耐受高溫。雷達液位計發射的是電磁波，頻率一般在6G～26GHz之間，波速與環境溫度、煙霧、壓力等沒有關系，傳播速度始終為光速。因此兩者主要區別有：

1）超聲波液位計精度不如雷達。

2）超聲波液位計不能應用于真空、蒸汽含量過高或液面有泡沫等工況，而電磁波可以滿足很多種狀態下測量，外部環境（霧氣等）不會影響被測物體的測量范圍和精度；

3）雷達液位計測量范圍要比超聲波大很多，方式多樣，相對超聲波能夠應用于更復雜的工況。

2 測量原理

雷達液位計按其電磁波發射種類的不同，可分為兩類：脈沖一時域和調頻連續波。[2]

2.1 脈沖—時域

雷達發射器發射一個固定頻率的雷達波，波束以恒速v向下傳播，檢測發射和接收的時間差，計算出液位。

由上圖可知，被測介質的高度可由罐高和雷達波傳播的距離算出，其式為：

雷達液位計從開始發射電磁波到探頭接收到液面反射的電磁波之間的時間差為：

式中：

ν——雷達波在空氣中傳播速度，即光速；

T——從發射到接收到反射波的時間差。

由上可推出被測介質的液位深度與雷達波運行時間關系：

正常工況條件下乏燃料池廠房為常溫常壓環境，但一旦出現水池冷卻系統故障，工況可能變成高溫高濕環境，即液位計的雷達波不一定在理想狀態下運行,故雷達波運行速度ν須根據介質具體情況進行修正：

式中，μr：介質相對導磁率；εr：相對介電常數，其中可由式（5）計算εr

式中：

εrN：常態下氣體的介電常數，1.000633；θN：絕對溫度、273K；

θ：液位計所處環境溫度。K；

p：液位計所處環境壓力，絕對壓力，kPa；

pN：常壓，為絕對壓力，其值是100kPa。

由式（4）和（5）知，當乏燃料廠房出現異常情況時，利用雷達液位計測量液位，需要根據使用現場的壓力、溫度等參數對雷達波運行速度引起的測量誤差進行修正。

2.2 調頻連續波FMCW

應用頻差原理如圖2所示。雷達天線發射的雷達波是被調制成圍繞基本工作頻率、以固定速率連續變化的GHz級的高頻信號。雷達信號被液體表面反射后，天線接收回波，由于雷達波頻率按固定規律變化，使回波與發射波的頻率不同，從而形成頻率差Δf。Δf與發射天線到液面的距離H成正比。這種調頻信號能有效地提高信噪比，并獲得更高的精度。

如果設定雷達波發射頻率隨時間線性增加，增加的斜率為k，當遇到液面發生反射時，反射回來的信號比發射信號滯后了一定時間t。根據電磁波傳播原理可知：

式中：

C為微波在空間中的傳播速度；

R為液面距雷達液位儀的距離。

信號反射頻率與發射頻率間的差頻為：

將以上兩式合并后可以得到：

因此R與Δf是成正比的，故反射液面離雷達天線的距離越遠，則所產生的差頻頻率Δf越大，由此可計算天線到反射面的距離。

3 適用性評價

運行核電廠的乏燃料水池在正常情況下，由于儲存有乏燃料時，水位均保持在安全高度狀態，同時也為操作人員提供良好的生物防護。由于恐怖襲擊、自然災害、系統本身故障、衰變熱等原因使得乏池水溫升高、水位下降，可能導致乏燃料組件裸露甚至熔化等事故的發生。為保證乏燃料的正常冷卻和及時采取相應措施，乏池中水位必須進行實時監測。

乏燃料儲存水池位于核電站燃料廠房內，燃料廠房用于燃料裝卸、運輸、貯存系統（PMC）的設備布置及操作，同時也用于反應堆換料水池和乏池冷卻和處理系統（PTR）、燃料廠房通風系統（DVK）的布置。乏燃料儲存水池所在的房間為輻射控制區，在燃料廠房區域的+7.50m至+20.OOm標高處，水池所處的燃料廠房長50m左右、寬24m、屋頂最高為38.5m，距池水表面0.5m處的劑量率≤0.5μSv/h，因此離乏燃料池水表面更高處的輻照劑量率會更低，接近于天然本底輻照劑量率，因此可通過在水池上部的廠房頂部加裝一個安裝平臺，其上安裝雷達液位計以實現對乏池的水位測量。

乏池液位在19.3m時為其液位低報警，正常運行期間提示正常補水；19.55m時液位高報警，停止所有補水操作。因此其液位高度固定，處于室內，也不會出現由于風吹而產生液位波動的情況，因此基本不會出現由于液位大幅增加、而產生雷達波發射到接收的時間大幅變短、從而引起計時困難的情形，即利用脈沖-時間法測量精度不會產生大幅降低的情況。

由于核電站乏燃料廠房很少有人進入，在雷達液位計電磁波波束所輻射的范圍內或其周圍，鮮少出現數字無線電話系統等強電磁干擾的設備。而核電站電氣室需要實時獲知乏池的液位信息，故需將液位計的探測部分（雷達表頭及天線部分）通過法蘭或者螺紋固定在乏池上方的安裝平臺上，并保證天線正下方無干擾物，而將液位計的電子部分（電源和信號）放置在電站電氣廠房內，設置專門的電氣柜進行信號的顯示和遠傳（遠傳到控制室，以進行乏燃料池水位的自動控制），根據《改進行動要求》，液位計電源需設置冗余的兩路來源，一路由電站電力供應系統供電（正常情況下），另一路連接于電站的備用電源或可替代電池，即應急供電系統（事故情況下）。綜上，采用二線制的24VDC供電的雷達脈沖波技術的液位計，具有功耗低、易實現且安全可靠等優點。

4 提高液位計可靠性的措施

基于雷達液位計的距離測量原理，現場安裝使用時，應做到：

1）雷達發射天線到最低液位之間的距離應小于該雷達液位計的量程。

2）雷達天線到最高液位之間的距離應大于其盲區，如圖3所示。

3）探頭的正下方應盡量避開進水口等液面有劇烈波動的位置[4]。

4）為避免出現虛假信號，雷達液位計的安裝位置應距離池壁30cm以上，以免誤將池壁作為液面[4]。

5）探頭發射面要與被測液面盡量平行，令波束垂直發射到被測液面，以保證返回最大能量，并確保波束范圍內無固定物。

6）雷達液位計應設置好接地保護和瞬間過電壓保護，安裝時應做雷擊保護[3]。

7）根據《改進行動要求》，乏池液位測量系統需保持事故條件下的可用。若乏池冷卻系統失效，則液位計所處的環境會成為高溫高濕的環境，因此液位計的現場接線端子一定要密封等級較高，以免侵入液體或蒸汽，造成電氣短路、測試設備失效等故障。

5 結論

圖1 時差法測量原理圖Fig.1 The time difference method measuring principle diagram

圖2 調頻連續波原理圖Fig.2 The principle diagram of the frequency modulated continuous wave

圖3 雷達液位計安裝示意圖Fig.3 Radar level gauge installation schematic diagram

雖然液位計的類型較多，但通過比較分析可知，能適用于已運行核電廠乏燃料水池液位測量的類型卻不多。由于雷達液位計具有非接觸測量優勢，通過相關技術及安裝措施改進，可在非放射性/放射性工況下可靠性的應用，因此可推動雷達液位測量儀表在核電站特殊場所中的使用。

[1]國家核安全局.福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求(試行)[R].2012:20-21.

[2]陳桂華.SAAB雷達液位計在液化石油氣儲罐上的應用[J].中國儀器儀表,2012,7:46-49.

[3]張權,胡勇.雷擊致雷達液位計損壞的原因及防范對策[J].石油化工自動化,2011,47(5):72-73.

[4]韓平.超聲波液位計在液位測量中的應用[J].中國儀器儀表,2011,3:46-49.