導波雷達高壓加熱器水位測控解析

曹皓

（中國能源建設集團湖南火電建設有限公司湖南長沙410000）

導波雷達高壓加熱器水位測控解析

曹皓

（中國能源建設集團湖南火電建設有限公司湖南長沙410000）

高壓加熱器水位的精準測量是實現最優水位控制策略的前提，本文從導波雷達水位計的測量原理出發，對水位回波的判別處理方法進行優化，為更加精確可靠測量高加水位提供了有益的思路。

高壓加熱器；水位測控；導波雷達；信號回波

引言

火電廠很多設備都需保持正常液位才能確保機組安全、經濟運行，如加熱器就必須對水位進行精準的測控，才能為遠程監控提供準確的信號，并在水位超高時迅速切斷進入加熱器的汽源，防止疏水進入汽輪機。近年來新投產的大型火電廠多采用導波雷達水位計進行高加水位測量。

與傳統差壓式水位測量裝置相比，導波雷達水位計不僅安裝更為簡便、測量更為精準，投用維護也更為迅速靈活。它利用電磁波的時域反射原理實現時間差的測量：探頭發出高頻脈沖沿探桿傳播，遇水位面反射，反射脈沖沿探桿傳遞到接收器，微處理器識別出其中的水位回波，將時間信號轉化為水位信號。與水位面距離D和脈沖時間行程T成正比：D=C×T/2，C為光速。水位：L=E-D，E為空容器高度。

1 概況

某600MW火力發電超臨界機組配備三臺高壓加熱器，每臺高加采用三套導波雷達水位測量儀，所測信號三取二用于顯示、調控；保護采用四臺液位開關分別對應L、H、HH、HHH四個液位值：L（H）值時，發“水位低（高）”信號報警，并調整疏水門開度；HH值時開啟危急疏水閥，水位恢復至正常范圍后關閉；水位達到HHH值時，高加解列，給水進入大旁路。

2 高加水位測控

2.1 設定正常運行水位線

理論上應盡可能使高加維持在正常水位運行，以減小端差，保證鍋爐效率。如高加正常運行水位設為0水位，若發生波動，水位會非常接近保護動作值，導致高加解列。所以為保證機組穩定運行，高加運行水位設定值常會略低于0水位，但不能低于最低允許水位值，否則會導致疏水端差急劇上升。

找出下端差與水位變化之間的規律：在機組負荷不變的前提下逐步調整高加水位，每次變化10mm，穩定后，查看下端差數值。從試驗取得的數據看：提升水位可明顯降低下端差。高加在-10mm水位運行時端差達10℃以上，在0水位運行時在7℃以內；隨水位設定值的升高，高加水位呈現波動變大的趨勢，嚴重時可達HHH值，有解列的可能。將高加控制在-5mm水位線運行，下端差可控制在8℃以內，水位波動也較為平緩。

2.2 水位測控

機組工況變動時高加水位會大幅波動，對機組安全經濟運行影響很大：高水位運行會淹沒換熱管，降低換熱效率，導致本級抽汽量偏離最優抽汽分配；水位低則會使疏水溫度升高，部分蒸汽進入下一級加熱器，排擠下一級抽汽。實際運行中高加往往因閃蒸現象、疏水門控制滯后及水位測量失準等原因造成水位突變。

（1）閃蒸現象大多由系統原因引起，在此不作討論。

（2）高加正常運行時疏水調節閥能自動維持高加水位穩定，水位波動劇烈時，疏水調節閥動作會滯后。采用雙回路調節系統消除靜態偏差：將測量、閥門反饋信號和定值信號相比，產生的比差信號經帶有比例積分調節的標準脈沖算法運算后，輸出脈沖信號調節被調量。并將閥門反饋信號經微分算法處理后加入到PI算法中來消除動態變差。為防止高加因短時虛高水位致保護誤動，將水位HHH值跳高加延時2～3s動作。

（3）導波雷達水位測量儀的電磁波傳播速度極快，高分辨時間量的檢測是準確測量的關鍵。除存在測量盲區，還因導波雷達水位計對水位回波的辨別失誤，致使水位測量異常跳變和失真。水位信號中包含多種反射回波，如水位、結構、干擾回波和噪聲波等，首先要從中正確識別出水位回波，再對水位回波進行有效的濾波和處理、消除誤差，方能實現準確測量。

3 信號處理

導波雷達水位測量雖然較傳統差壓式水位測量有一定優勢，但存在容器頂部盲區和底部盲區。兩盲區間為有效測量距離。常用水位回波判別方法多以空罐回波為參考曲線，不僅盲區大、測量精度低，且抗干擾性差、易誤判。

無須空罐回波作為參考曲線的判別方法：利用回波多個特征參數構造判斷條件來提高回波識別的可靠性；利用移動平均濾波、回波定位點插值、限幅及中位值濾波等方法綜合處理回波信號，提高測量精度。

3.1 回波識別

因導波雷達水位計的回波信號包含各類雜波，傳統以回波最大點幅值最大的判別方法不能準確識別出水位回波。通過對各類回波的特性參數進行數據對比，得到水位回波的統計特性：除盲區附近，水位回波幅值較大；水位回波寬度較??；水位回波下降比較大?？芍?，寬度較小、最大點幅值越大和變化率越大的回波為水位回波的可能性越大。

結構回波干擾的位置、大小、形狀幾乎不變，且水位回波總位于其后，可通過設置回波查詢范圍，限制下降比、寬度等條件來排除；二次或多次回波、寬度較大的噪聲干擾波，可采用綜合多個特征參數計算置信度的方法予以排除：小介電常數介質反射回波能量低，波形幅值大、變化率小、寬度大；盲區回波信號幅值??；噪聲波的變化率、寬度、下降比至少有一個參數會很小。綜合這些特征，可將水位回波從各類雜波種正確識別出來。

3.2 為提高測量精度，將移動平均濾波預處理、回波定位點插值、限幅及

中位值濾波結合起來用于信號處理。

3.2.1 移動平均濾波預處理

9點移動平均濾波計算的傳播時間樣本方差最小，且可改善波形。導波雷達的回波信號無明顯頻域特征，移動平均濾波可濾除高頻噪聲，但會導致最大點處幅值降低。濾波窗口寬度如果選擇過小，會影響噪聲濾除效果，選擇過大則又會出現信號失真，故選擇比半峰寬略小的寬度作為濾波窗寬。

3.2.2 回波定位點插值

由于回波在不同水位下波形各異，故需在回波上選擇最合適的特征點（起點、峰值點等）對回波進行時間定位以計算電磁波傳播時間。

液位計算時間起點的選擇以計算所得傳播時間波動最小為準則。為保證每次計算起點一致，選擇脈沖下降沿與其中間直線段交點，用線性插值法計算出該點對應的值作為發射時間。因水位回波具有一定寬度，有最大點、上升沿和下降沿，因此要準確定位回波，應選擇幅度相對穩定，隨距離變化敏感的位置（通常為最大點）。對該點進行二階拉格朗日插值，可得回波接收時間。結果表明：如此計算傳播時間的標準差更小、精度更高。

3.2.3 計算值濾波

采用限幅濾波和中位值平均濾波可處理掉計算值中的隨機誤差：前者通過限制傳播時間計算值波動幅度來排除隨機干擾導致的錯誤計算結果，后者濾除測量過程中的奇異值。

3.3 回波信號處理步驟

（1）對信號進行移動平均濾波預處理；

（2）設置回波查找范圍，查找回波特征點（起點、最大點、終點）；

（3）根據特征點，計算回波的寬度、變化率、下降比，與預設值進行比較，排除不符回波；

（4）對滿足預設條件的回波計算置信度，置信度最大的回波為水位回波；

（5）用線性插值、二階拉格朗日插值確定發射、接收時間點，計算傳播時間；

（6）對傳播時間值進行限幅和中位值平均濾波；

（7）將傳播時間值換算成水位值。

3.4 效果

應用上述方法對導波雷達水位測量進行標定驗證，在大中小三種放大增益下分別進行測量，對測量值進行統計分析，結論：未出現測量值大幅跳變的情況；測量精度較高，誤差在1cm以內；可有效測量接近盲區的水位信號。

4 結束語

采用導波雷達水位測量儀對高加水位進行測量比傳統方法的安裝、操作、維護都更為簡便，新水位回波綜合判別處理方法能突破導波雷達水位測量的理論精度極限，能保證高加水位測控的準確高效，也保證了機組的安全經濟的運行。

[1]陳國清.電廠常見液位測量方式的分析.科學時代，2014.

[2]魏萌，等.基于特征參數識別的導波雷達物位計信號處理方法.電子測量與儀器學報，2015.

TM621.2

A

1004-7344（2016）30-0276-02

2016-10-9