LFMCW雷達液位計在核電廠示范應用的研究

梁 玲，于 洋，張 禹

（深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518000）

在核電廠工藝系統中液位是重要的工藝參數之一，液位信號除參與指示功能外，還參與反應堆保護系統、控制系統的自動控制功能，所以液位測量質量的好壞，關系到核電廠能否正常安全運行。線性調頻連續波（LFMCW）雷達液位計因其精度高、易于安裝維護、非接觸式等優勢在核電廠得到了越來越廣泛的應用。本文圍繞LFMCW雷達液位研發儀表在核電廠的示范應用開展了具體研究。

1 雷達液位計

1.1 雷達液位計測量原理

發射－反射－接收是雷達式液位計工作的基本原理。目前雷達液位計有脈沖波雷達液位計和LFMCW雷達液位計。

脈沖波雷達液位計天線以波束的形式發射雷達信號，反射回來的信號仍由天線接收。天線接收反射的微波脈沖，根據發射和反射信號之間的時差來計算液位。

LFMCW雷達液位計的發射頻率是一個等幅可調頻率，通過測量發射波和反射波之間的頻率差，可將頻率差轉換為與被測量液位成正比例關系的電信號。。

1.2 示范應用雷達液位計

示范應用的LFMCW雷達液位計基于上述工作原理，針對核電工況介質特點和工藝參數，綜合考慮測量量程和精度要求，設計W波段LFMCW雷達液位計方案。探究測量分辨率與調頻連續波掃頻帶寬、AD采樣器帶寬之間的相關性，找出掃頻帶寬與測量量程之間的約束關系，確定出微波電路方案和器件選型。研究W波段雷達信號對不同隔離材質的穿透能力、不同材質和形狀透鏡對其聚焦性能，以及不同材質的高溫和防護性能，確定出透鏡的材質和形狀，設計出天線系統的密封結構，力求產品一體化和小型化。通過軟件仿真對電路原理、PCB布局和天線結構進行優化，使微波電路和天線性能達到最優，并使兩者的阻抗達到最佳匹配。探索全新高精度實時LFMCW雷達中頻信號的相頻匹配機制，研究LFMCW雷達中頻信號頻率實時估計的相頻匹配方法，消除因非整周期采樣導致的相位失真及噪聲的影響，提高液位計測量精度，滿足核電廠液位測量需求，相頻匹配技術如圖1[1]。

圖1 相頻匹配技術線路圖Fig.1 Circuit diagram of phase-frequency matching technology

示范應用連續波雷達物位計通過透鏡天線發射連續的微波信號，該發射信號的頻率由鋸齒波進行線性調制。連續發射的微波信號遇到被測介質表面時，由于介電常數發生突變，微波信號的部分能量被連續地反射回來，并被透鏡天線系統所接收，工作原理框圖如圖2[2]。

圖2 雷達液位計工作原理框圖Fig.2 Block diagram of radar Level gauges working principle

接收信號的頻率與發射信號的頻率總是存在差值的，而該差值與雷達天線到被測介質表面的距離成正比，越大的頻率差值代表著越遠的液位距離，如圖3。

圖3 雷達液位計工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of radar Level gauges working principle

由公式D=1/2×c×（F/R）。其中，D為測量參考面到被測介質的距離；c為光（電磁波）在真空的傳播速度；F為接收信號與發射信號的頻率差；R為發射信號頻率隨時間的變化率。

然后根據用戶設定的空液位位置，由公式L=E-D即可計算出液位高度。其中，E為測量參考面到用戶設定的空液位位置；D為測量參考面到被測介質的距離；L為液位高度。

示范應用LFMCW雷達液位計特點如下：

1）高精度、四線制技術，是差壓、磁致伸縮、射頻導納、磁翻板等物位儀表的替代產品。

2）受壓力變化、真空、溫度變化、惰性氣體、煙塵、蒸汽等環境影響較小，測量結果穩定可靠。

3）安裝簡便、牢固耐用，免維護。

4）測量靈敏，刷新速度快。

5）儀表圖形點陣液晶支持現場波形顯示和建立虛假回波等復雜操作，降低儀表操作難度和維護工作量。

6）國內銷售的儀表預置全中文菜單，進一步降低儀表調試的難度。

2 核電廠雷達液位計選型要求

根據SH/T 3005-2016《石油化工自動化儀表選型設計規范》[3]，雷達液位計的選型應符合下列規定：

1）對于大型固定頂罐、浮頂罐、球形罐中儲存原油、成品油、瀝青、液化烴、液化石油氣、液化天然氣、可燃液體及其他介質的液位連續測量或計量，宜選用非接觸式雷達液位計。

2）應根據測量精確度要求選用控制級或計量級雷達液位計，用于液體介質的控制級滿量程精確度不宜低于±0.5%，計量級精確度不宜低于±3mm。

3）雷達液位計宜選用24V DC或220V AC外供電型，變送器輸出信號宜為4mA～20mA帶HART協議或總線信號。

4）非接觸式雷達液位計的天線（平面式、拋物線式、喇叭式、桿式）的結構形式及材質的選型應根據儲罐類型、介質特性、測量范圍、測量精度、儲罐內溫度及壓力等因素綜合確定。

5）用于罐區儲罐的雷達液位計宜帶有罐旁指示表。

6）壓力儲罐上安裝的雷達液位計一次儀表與設備法蘭之間宜設維修切斷球閥。

7）對于內部有影響微波傳播的障礙物的儲罐或介電常數低于1.4的介質，不得選用雷達液位計。

8）對于儲罐的界面測量，不得選用非接觸式雷達液位計。

工程實踐中，在進行雷達液位測量計選型時，應重點考慮一下幾點因素：

a）滿足核電廠與測量液位有關的各種規范要求。

b）滿足工藝系統對液位測量和控制的功能要求，如量程、精度、響應時間等。

c）液位計的結構要簡單、牢固、安全、可靠，安裝維護方便。

d）為便于電廠儀表的維護檢修，選用的液位計規格應盡量少，以提高備品備件的通用性和互換性，減少備品備件，降低運行成本。

e）盡量立足國產儀表，對于非安全級無鑒定、無抗震要求的常規儀表，國內雷達液位計已能滿足核電廠要求；對于核級液位計，國產已取得核級認證資質的儀表也可逐步應用到核電中。

f）考慮到核電廠儀表的特殊性，選型時需根據液位計安裝所在的工藝系統及其功能來確定測量儀表的如下要求：

◇安全級別：可參考IAEA“Safety Classification of Structures, Systems and Components in Nuclear Power Plants”（No.SSG-30）[4]和“Nuclear Power Plants Instrumentation and Control Systems Important to Safety Classification of Instrumentation and Control Functions”（IEC61226）[5]中的主要內容，根據物項執行的功能重要性對物項進行分級，確定液位計的安全級別，以確保物項在所有預期的運行工況下有適宜的質量，確保安全功能的實現。

◇鑒定等級：為確保液位計在正常運行和事故等各種工況下，保證其預定的安全功能，根據HAF102-2016《核動力廠設計安全規定》[6]5.5.2“安全重要物項的鑒定”章節：“必須采用安全重要物項的鑒定核動力廠安全重要物項，這些物項能夠在其整個設計運行壽期內以及支配性環境條件下執行其必要的預期功能，這里考慮的環境包括核動力廠的維修和試驗。重要安全物項鑒定程序必須考慮到安全重要物項預期壽期內各種環境因素（如振動、輻照、濕度、溫度）引起的老化效應。”因此，需要從液位計選型上，明確對設備的鑒定要求并開展設備鑒定活動。

◇抗震等級、抗震要求[7]及質保分級[8]。

3 核電廠雷達液位計示范應用選址

3.1 選址要求

儀表在核電廠示范應用，為保證應用儀表便于安裝、調試及維護，不影響電廠的正常運行，需滿足下列要求：

1）為便于儀表安裝并避免對現場設備的影響，應用儀表不宜選取罐體、管道等封閉體內的液位測量。

2）為便于應用儀表的日常維護，應用儀表不宜選取輻照劑量高區域內的液位測量。

3）為便于應用儀表的日常維護，考慮核電廠控制區進出管理嚴格，應用儀表不宜選取核電廠控制區內的液位測量。

4）應用于坑、池等開口液位測量時，必須做好防護，防止異物墜落，避免對核電廠的正常運行造成影響。

5）為更好地驗證應用儀表的性能，選用的坑、池內液位在儀表應用期間應有高低變化；優先選用有工程用液位計的坑、池，以便對示范應用儀表的測量數據進行對比分析。

3.2 選址范圍

1）反應堆廠房及核島廠房

反應堆廠房及核島廠房內坑、池液位測量需求多來自放射性廢水收集系統、核島疏水系統等，輻射劑量較高；反應堆廠房和核島廠房為核電廠控制區域，儀表應用期間的日常數據記錄及維護人員進出程序繁瑣，不適于進行儀表示范應用。

2）常規島及BOP廠房

常規島及BOP廠房輻射分區多為白區或綠區，輻照劑量低或無，適于人員進出，但仍有部分區域為核電廠控制區域，對于非控制區域內的坑、池液位測量，可進行儀表示范應用。

4 核電廠雷達液位計示范應用分析

基于上述選址要求及選址范圍，雷達液位計在某核電廠BOP輔助廠房的海水淡化系統和綜合用水系統的混凝土水池中進行示范應用，被測介質分別為海水和二次淡化水。

4.1 應用環境

海水淡化系統的功能是將海水經過預處理和反滲透脫鹽處理后，向除鹽水生產系統、綜合用水系統（包括循環水系統/重要廠用水系統/循環水過濾系統泵的軸封水、臨時鍋爐房補水、制氫站廠房冷卻水、空壓機房壓縮空氣生產系統冷卻水備用水等）、消防水系統，及生活用水系統供應符合質量要求的淡水。

排水池080BA接收來自超濾、反滲透沖洗等廢水，經過沉降的濃水由排水泵排至虹吸井。水池的高度（約6m）及池內介質的介電常數滿足應用儀表的要求，且現場已有基準儀表用于測量水池液位并送主控顯示，便于與示范性儀表進行比對。系統流程及示范應用儀表安裝示意如圖4。

圖4 示范應用儀表安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of demonstration application Instrument installations

4.2 示范應用儀表安裝要求

根據DL/T 5182-2004《火力發電廠熱工自動化就地設備安裝、管路及電纜設計技術規定》[9]，雷達液位計的安裝需要滿足下列規定：

1）罐（倉）內壁至天線安裝短管外壁的間距一般不小于300mm，在信號波束內避免安裝任何裝置。

2）微波天線不可安裝在入料扇區的正上方，也不可安裝在罐（倉）頂的中心位置。

示范應用儀表安裝要求如下：

①錐形罐頂和弧形罐頂，儀表勿安裝在罐頂中央位置，干擾會導致信號丟失。

②勿安裝在進料口位置。

③罐壁至安裝短管外壁的距離約為罐體直徑的1/4。

④建議安裝防護罩，以防儀表直接日曬雨淋，使用夾環即可方便地裝卸防護罩。

⑤固體測量時，盡量選用萬向法蘭，可通過調試儀表發射角度，確保儀表軸線與物料斜面垂直。

4.3 示范應用儀表工況要求

1）測量范圍從波束觸及罐底處開始。特別是當儲罐為圓盤底罐或罐體采用圓錐形排泄口時，物位低于此點便無法進行測量。

2）對于低介電常數的介質，若介質處于低液位（圖4，C點以下），則罐底可見。在此范圍內進行測量將降低測量精度，因此建議將測量零點設置在罐底距離為C點位置處。

3）理論上測量范圍可達儀表天線的末端。考慮到腐蝕及粘附的影響，測量范圍的終端距天線頂端的距離應至少為A（圖5），尤其是在有冷凝現象發生時需特別注意。

圖5 示范應用儀表安裝要求Fig.5 Demonstration application Instrument installations requirements

4）最小測量范圍B（圖5）與所選用的天線類型相關（表1）。

表1 示范應用儀表型號Table 1 Model of demonstration application instrument

5）罐體直徑應大于D（表1），罐體高度應至少為H（表1）[10]。

4.4 儀表現場應用情況

儀表經過離線調試后，通過加工專用支架及蓋板，現場安裝在080BA上方如圖6，用于測量080BA內液位，通過外接記錄儀顯示儀表趨勢，并安排專人每日對儀表進行巡檢，用巡檢表記錄應用儀表示數并與基準儀表062MN示數進行對比。

圖6 示范應用儀表現場安裝圖Fig.6 Connection diagram for suggestion

經過2個月的應用，示范應用雷達液位計顯示與基準儀表顯示基本一致。因儀表內部設置、響應時間及安裝不同，在動態過程中稍有偏差（最大偏差在儀表要求精度范圍內），總體趨勢一致。應用過程中，每天巡檢，未發現異常，現場應用效果良好。示范性應用期間，應用儀表與基準儀表數據趨勢如圖7。

圖7 數據對比曲線Fig.7 Data comparison curve

5 結論

本文根據核電廠液位儀表選型及安裝要求，結合LFMCW雷達液位計特點，完成雷達液位計在核電廠的示范應用。儀表顯示平穩，測量準確，應用效果良好，為在役核電廠及后續新建核電廠液位計改造及選型提供參考。