導波雷達液位變送器在核電廠中的應用

牛德安

【摘 要】液位測量是核電廠自動控制系統中重要組成部分。為了適應核電廠液位測量的發展，需合理選擇液位儀表。通過對在運核電廠液位儀表原理的分析，總結出了導波雷達液位變送器在核電廠的用途、選型、安裝等應用中應該注意的問題，對后續項目導波雷達液位變送器的應用有一定的指導意義。

【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.

【關鍵詞】核電廠；自動控制；液位測量；導波雷達

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

【中圖分類號】TH816 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）04-0175-02

1 引言

核電廠汽水分離再熱器疏水系統使用的是Magnetrol導波雷達液位變送器測量疏水罐液位，進而控制疏水罐水位。與“頂裝”式安裝不同的是核電廠采用了“側裝”的安裝方式，即探桿和表頭分開，中間通過使用延伸電纜來實現信號的傳輸。探桿安裝在與疏水罐底部連通的測量筒內探測實際水位，表頭固定在測量筒附近地面的地樁上，側裝的優勢在于可實現在線檢修。

2 導波雷達液位變送器的原理及特點

2.1 導波雷達液位變送器的原理

導波雷達液位變送器采用了TDR時域反射原理，即通過傳感器電路板件發生器發射一個電磁脈沖波，電磁波沿著延伸電纜傳播到導波桿并沿著導波桿向下傳送的，當遇到比當前的傳導介質（例如空氣、蒸汽等）介電常數更大的液體表面時，脈沖會被反射（其中小部分能量會繼續往下傳播），用超高速計時電路可精確地測量出脈沖波的傳導時間，從而實現對液位的準確測量。

根據麥克斯維電磁場理論，當兩根同級的導線相距很近的時侯，會產生變化的磁場，變化的磁場同時會產生變化的電場，這種可變的電場和磁場交替傳輸的波被稱之為電磁波。電磁波的物理特性為：從介質1傳輸到介質2，如果介質2的介電常數大于介質1的介電常數時，電磁波會在介質2的表面上被反射。通過超高速計時電路測量從電磁波發射到反射的時間差ΔT ，雷達頂部到液面的距離S=V*ΔT/2，如果罐子的高度為H，那么液位L=H-S。雷達測量脈沖為250K/s，即每隔4us發射一個脈沖。

由于空氣和蒸汽的介電常數不同，電磁波在蒸汽中的傳播速度比空氣慢，高溫高壓水的

水位上部是高溫高壓蒸汽。假設蒸汽工況條件下，如果采用空氣中的速度V來計算液位，根據原理公式L=H-S=H-V*ΔT/2，因為S=V*ΔT/2比實際值偏大，計算出來的液位值將比實際液位值的偏?。ǜ鶕涷炄缌砍虨?000mm，測量值比實際值將小100mm，誤差在10%）。因此需要實時測量液位上部空間的電磁波實際傳播速度進行重新計算，此技術成為蒸汽補償技術。

2.2 導波雷達液位變送器的特點

蒸汽補償技術——就是計算實際蒸汽工況條件下的電磁波速度以正確測量實際液位。導波桿頂部密封層有個凹槽，稱為基準點，基準點以下約5英寸處有個蒸汽補償結構，稱為參考點。變送器發射參考脈沖波，變送器內部的超高速計時電路將計算參考脈沖波從發射基準點到參考點的傳導時間ΔT，這樣計算出實際蒸汽工況條件下的電磁波速度V=2L/ΔT，實際的液位值將是L=H-S=H-V*ΔT/2=H-L*ΔT/ΔT，這樣計算出實際蒸汽工況條件下的真實液位。實際上，即使在同一工況，高溫蒸汽的物理參數發生變化時，也不會影響測量的準確性和可靠性，因為補償功能是就地的、即時的。該技術保證在不同工況下測量值的真實性。

防蒸汽滲透技術——防蒸汽滲透技術同樣也是專利的、獨有的。核電廠中加熱器的水及蒸汽在含氨堿性環境下，O型圈的材料采用Aegis PF128，其他材料將導致腐蝕或泄漏；散熱層采用了適合飽和蒸汽條件的氧化鋁PEEK（高溫塑料）為絕熱材質，導波桿的散熱器電磁波傳輸部分采用了黃金材料；導波桿的結構材料和焊接工藝必須符合ANSI B31.1標準。

3 核電現場導波雷達液位變送器的安裝

3.1 安裝注意事項

導波雷達液位變送器的安裝方式大致分為頂裝式和側裝式兩種。側裝需要外置測量筒，導波桿頂裝在測量筒的上端，測量筒再與容器連接。一般測量筒的上下接液口的距離就是設計要求的測量范圍。液位變送器能否準確測量依賴于反射波的信號。因此，安裝時應注意以下幾點：①導波雷達液位變送器天線的軸線應與液位的反射表面垂直。②罐內的攪拌閥、罐壁的黏附物和階梯等物體，如果在雷達液位計的信號范圍內，會產生干擾的反射波，影響液位測量。③液位計的導波桿要伸出安裝孔，安裝孔的長度不能超過100mm。對于圓型或橢圓型的容器，應裝在離中心為1/ 2R（R 為容器半徑）距離的位置，不可裝在圓型或橢圓型的容器頂的中心處，否則雷達波在容器壁的多重反射后，匯集于容器頂的中心處，形成很強的干擾波。④對液位波動較大的容器的液位測量，可采用附帶旁通管的液位計，以減少液位波動的影響。

3.2 接線方式

所有HART版的Model 705變送器的工作電壓為11～36VDC，過高的電壓將損壞表頭。電源和變送器之間的接線采用18～22 AWG的屏蔽二芯計算機電纜。變送器的表殼內可以完成接線和接地。接線方式取決于應用場合：通用或阻燃型、本安型、隔爆型。

3.2.1 通用或阻燃型

通用安裝不存在可燃氣體。阻燃場合只有在非正常情況下才會有可燃氣體。不需要使用特別的電氣接頭。

通用或阻燃型接線步驟：①穿入電源線；②將屏蔽在電源斷接地；③將地線接入最近的綠色接地螺絲；④連接正負極。

3.2.2 本安型

本安型安裝在存在可燃氣體的場合。在安全區域必須安裝安全柵。

本安型接線步驟：①確認在安全區域已正確安裝安全柵。完成至Eclips的安全柵的接線；②穿入電源線；③將屏蔽在電源斷接地；④將地線接入最近的綠色接地螺絲；⑤連接正負極。

3.2.3 隔爆型

隔爆型用于危險性場合，含有易燃性氣體或者有爆炸可能。變送器必須使用防爆接頭。

隔爆型接線步驟：①從安全區域至Eclips的電氣接線口，安裝防爆接線；②穿入電源線；③將屏蔽在電源斷接地；④將地線接入最近的綠色接地螺絲；⑤連接正負極。

3.3 參數設置

①變送器可選裝一個二行8位的液晶顯示。變送器的測量值和設置菜單都可以在LCD上顯示。②變送器的缺省顯示是測量值。每5秒鐘輪流顯示STATUS， LEVEL， %OUTPUT以及LOOP 信息 （Fieldbus版本則是LEVEL， %OUTPUT 和STATUS） 。如果5分鐘沒有按任何鍵，變送器將自動缺省顯示以上信息。③鍵盤有三個箭頭，用于切換顯示和進行設置。分別是Up 箭頭和 Down 箭頭和Enter鍵。Eclips采用密碼保護某些影響系統操作的菜單結構中的重要部分。只有正確的密碼輸入，上行顯示的最后會顯示一個驚嘆號。密碼可以設置最大255的任何數值。無論何時要改變設置值都需要密碼。出廠時的缺省密碼是0。設置菜單的最后一步，可以設置新的密碼。如果密碼為0，密碼保護則不生效，除了診斷以外的數值都可以無需密碼進行修改。

4 使用過程中發現的問題與對策

統計核電機組導波雷達液位變送器在使用過程中出現的故障及處理措施，其中：①處理No signal、weak signal問題，調高導波雷達靈敏度。對于705系列導波雷達故障信息為“No Signal”和“Weak Signal”的故障模式，可通過調整靈敏度消除故障。所以核電站所使用的導波雷達液位變送器靈敏度統一調整為194；②核電站現場所使用的多個導波雷達出現固定卡子損壞問題，在后續工作中會統一升級為7MQ系列固定卡子。

針對核電站GSS疏水罐液位計支撐件斷裂問題，Magnetrol供應商經過分析之后，認為根本原因是流體介質堿性值偏高和高溫共同作用所致；所以將支撐件更換為鋁合金材質可解決該問題。

5 結論

本文詳細講解了導波雷達液位變送器的原理以及特點，根據導波雷達液位變送器在核電廠中的實際應用，總結出了導波雷達液位變送器的安裝、參數設置、調試的方法，以及在使用過程中出現的一些問題和應對策略，對后續機組或者是其他電廠中導波雷達液位變送器的使用具有一定的指導意義。