雷達(dá)液位計(jì)在乏燃料水池監(jiān)測中的應(yīng)用

黃玥，張麗芹

（1.杭州供電公司,杭州 311600；2.中科華核電技術(shù)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(lián)合下發(fā)的《核安全與放射性污染防治“十二五”規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》的基本原則中提出了“預(yù)防為主，縱深防御”和“依靠科技、持續(xù)改進(jìn)”兩項(xiàng)基本原則，并在重點(diǎn)任務(wù)中提出了需要增強(qiáng)乏燃料水池（以下簡稱“乏池”）的補(bǔ)水和監(jiān)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(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求》（以下簡稱“改進(jìn)要求”）[1]，明確定義“乏池監(jiān)測”應(yīng)針對(duì)各種工況下的乏池參數(shù)（如溫度、液位、放射性水平等）進(jìn)行監(jiān)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(yīng)急柴油機(jī)供電情況下對(duì)液位和溫度測量的供電。

1 液位計(jì)選型

目前工業(yè)領(lǐng)域已被成熟應(yīng)用的水位測量的技術(shù)方式有壓差式、電接點(diǎn)式、熱效應(yīng)式、非接觸式等多種原理型式。然而對(duì)于核電站已經(jīng)運(yùn)營的機(jī)組，由于乏池中已充滿冷卻水并儲(chǔ)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(duì)于壓差式、電接點(diǎn)式、熱效應(yīng)式等接觸式液位計(jì)，現(xiàn)場無法提供安裝條件，故無法應(yīng)用。

目前新型的非接觸式液位計(jì)超聲波及雷達(dá)液位計(jì)得到廣泛應(yīng)用。其測量原理是通過發(fā)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(shí)間來確定液體的液位。超聲波是機(jī)械波，因聲波要靠振動(dòng)發(fā)聲，環(huán)境壓力大時(shí)發(fā)聲部件受影響；且其傳播速度與傳播媒介的狀態(tài)密切相關(guān)，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(hào)傳輸過程中，衰減較大；此外超聲波發(fā)射器不能耐受高溫。雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射的是電磁波，頻率一般在6G～26GHz之間，波速與環(huán)境溫度、煙霧、壓力等沒有關(guān)系，傳播速度始終為光速。因此兩者主要區(qū)別有：

1）超聲波液位計(jì)精度不如雷達(dá)。

2）超聲波液位計(jì)不能應(yīng)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(tài)下測量，外部環(huán)境（霧氣等）不會(huì)影響被測物體的測量范圍和精度；

3）雷達(dá)液位計(jì)測量范圍要比超聲波大很多，方式多樣，相對(duì)超聲波能夠應(yīng)用于更復(fù)雜的工況。

2 測量原理

雷達(dá)液位計(jì)按其電磁波發(fā)射種類的不同，可分為兩類：脈沖一時(shí)域和調(diào)頻連續(xù)波。[2]

2.1 脈沖—時(shí)域

雷達(dá)發(fā)射器發(fā)射一個(gè)固定頻率的雷達(dá)波，波束以恒速v向下傳播，檢測發(fā)射和接收的時(shí)間差，計(jì)算出液位。

由上圖可知，被測介質(zhì)的高度可由罐高和雷達(dá)波傳播的距離算出，其式為：

雷達(dá)液位計(jì)從開始發(fā)射電磁波到探頭接收到液面反射的電磁波之間的時(shí)間差為：

式中：

ν——雷達(dá)波在空氣中傳播速度，即光速；

T——從發(fā)射到接收到反射波的時(shí)間差。

由上可推出被測介質(zhì)的液位深度與雷達(dá)波運(yùn)行時(shí)間關(guān)系：

正常工況條件下乏燃料池廠房為常溫常壓環(huán)境，但一旦出現(xiàn)水池冷卻系統(tǒng)故障，工況可能變成高溫高濕環(huán)境，即液位計(jì)的雷達(dá)波不一定在理想狀態(tài)下運(yùn)行,故雷達(dá)波運(yùn)行速度ν須根據(jù)介質(zhì)具體情況進(jìn)行修正：

式中，μr：介質(zhì)相對(duì)導(dǎo)磁率；εr：相對(duì)介電常數(shù)，其中可由式（5）計(jì)算εr

式中：

εrN：常態(tài)下氣體的介電常數(shù)，1.000633；θN：絕對(duì)溫度、273K；

θ：液位計(jì)所處環(huán)境溫度。K；

p：液位計(jì)所處環(huán)境壓力，絕對(duì)壓力，kPa；

pN：常壓，為絕對(duì)壓力，其值是100kPa。

由式（4）和（5）知，當(dāng)乏燃料廠房出現(xiàn)異常情況時(shí)，利用雷達(dá)液位計(jì)測量液位，需要根據(jù)使用現(xiàn)場的壓力、溫度等參數(shù)對(duì)雷達(dá)波運(yùn)行速度引起的測量誤差進(jìn)行修正。

2.2 調(diào)頻連續(xù)波FMCW

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

如果設(shè)定雷達(dá)波發(fā)射頻率隨時(shí)間線性增加，增加的斜率為k，當(dāng)遇到液面發(fā)生反射時(shí)，反射回來的信號(hào)比發(fā)射信號(hào)滯后了一定時(shí)間t。根據(jù)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(dá)液位儀的距離。

信號(hào)反射頻率與發(fā)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(dá)天線的距離越遠(yuǎn)，則所產(chǎn)生的差頻頻率Δf越大，由此可計(jì)算天線到反射面的距離。

3 適用性評(píng)價(jià)

運(yùn)行核電廠的乏燃料水池在正常情況下，由于儲(chǔ)存有乏燃料時(shí)，水位均保持在安全高度狀態(tài)，同時(shí)也為操作人員提供良好的生物防護(hù)。由于恐怖襲擊、自然災(zāi)害、系統(tǒng)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(dǎo)致乏燃料組件裸露甚至熔化等事故的發(fā)生。為保證乏燃料的正常冷卻和及時(shí)采取相應(yīng)措施，乏池中水位必須進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

乏燃料儲(chǔ)存水池位于核電站燃料廠房內(nèi)，燃料廠房用于燃料裝卸、運(yùn)輸、貯存系統(tǒng)（PMC）的設(shè)備布置及操作，同時(shí)也用于反應(yīng)堆換料水池和乏池冷卻和處理系統(tǒng)（PTR）、燃料廠房通風(fēng)系統(tǒng)（DVK）的布置。乏燃料儲(chǔ)存水池所在的房間為輻射控制區(qū)，在燃料廠房區(qū)域的+7.50m至+20.OOm標(biāo)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(huì)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(gè)安裝平臺(tái)，其上安裝雷達(dá)液位計(jì)以實(shí)現(xiàn)對(duì)乏池的水位測量。

乏池液位在19.3m時(shí)為其液位低報(bào)警，正常運(yùn)行期間提示正常補(bǔ)水；19.55m時(shí)液位高報(bào)警，停止所有補(bǔ)水操作。因此其液位高度固定，處于室內(nèi)，也不會(huì)出現(xiàn)由于風(fēng)吹而產(chǎn)生液位波動(dòng)的情況，因此基本不會(huì)出現(xiàn)由于液位大幅增加、而產(chǎn)生雷達(dá)波發(fā)射到接收的時(shí)間大幅變短、從而引起計(jì)時(shí)困難的情形，即利用脈沖-時(shí)間法測量精度不會(huì)產(chǎn)生大幅降低的情況。

由于核電站乏燃料廠房很少有人進(jìn)入，在雷達(dá)液位計(jì)電磁波波束所輻射的范圍內(nèi)或其周圍，鮮少出現(xiàn)數(shù)字無線電話系統(tǒng)等強(qiáng)電磁干擾的設(shè)備。而核電站電氣室需要實(shí)時(shí)獲知乏池的液位信息，故需將液位計(jì)的探測部分（雷達(dá)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(tái)上，并保證天線正下方無干擾物，而將液位計(jì)的電子部分（電源和信號(hào)）放置在電站電氣廠房內(nèi)，設(shè)置專門的電氣柜進(jìn)行信號(hào)的顯示和遠(yuǎn)傳（遠(yuǎn)傳到控制室，以進(jìn)行乏燃料池水位的自動(dòng)控制），根據(jù)《改進(jìn)行動(dòng)要求》，液位計(jì)電源需設(shè)置冗余的兩路來源，一路由電站電力供應(yīng)系統(tǒng)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(yīng)急供電系統(tǒng)（事故情況下）。綜上，采用二線制的24VDC供電的雷達(dá)脈沖波技術(shù)的液位計(jì)，具有功耗低、易實(shí)現(xiàn)且安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

4 提高液位計(jì)可靠性的措施

基于雷達(dá)液位計(jì)的距離測量原理，現(xiàn)場安裝使用時(shí)，應(yīng)做到：

1）雷達(dá)發(fā)射天線到最低液位之間的距離應(yīng)小于該雷達(dá)液位計(jì)的量程。

2）雷達(dá)天線到最高液位之間的距離應(yīng)大于其盲區(qū)，如圖3所示。

3）探頭的正下方應(yīng)盡量避開進(jìn)水口等液面有劇烈波動(dòng)的位置[4]。

4）為避免出現(xiàn)虛假信號(hào)，雷達(dá)液位計(jì)的安裝位置應(yīng)距離池壁30cm以上，以免誤將池壁作為液面[4]。

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

6）雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)設(shè)置好接地保護(hù)和瞬間過電壓保護(hù)，安裝時(shí)應(yīng)做雷擊保護(hù)[3]。

7）根據(jù)《改進(jìn)行動(dòng)要求》，乏池液位測量系統(tǒng)需保持事故條件下的可用。若乏池冷卻系統(tǒng)失效，則液位計(jì)所處的環(huán)境會(huì)成為高溫高濕的環(huán)境，因此液位計(jì)的現(xiàn)場接線端子一定要密封等級(jí)較高，以免侵入液體或蒸汽，造成電氣短路、測試設(shè)備失效等故障。

5 結(jié)論

圖1 時(shí)差法測量原理圖Fig.1 The time difference method measuring principle diagram

圖2 調(diào)頻連續(xù)波原理圖Fig.2 The principle diagram of the frequency modulated continuous wave

圖3 雷達(dá)液位計(jì)安裝示意圖Fig.3 Radar level gauge installation schematic diagram

雖然液位計(jì)的類型較多，但通過比較分析可知，能適用于已運(yùn)行核電廠乏燃料水池液位測量的類型卻不多。由于雷達(dá)液位計(jì)具有非接觸測量優(yōu)勢(shì)，通過相關(guān)技術(shù)及安裝措施改進(jìn)，可在非放射性/放射性工況下可靠性的應(yīng)用，因此可推動(dòng)雷達(dá)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(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求(試行)[R].2012:20-21.

[2]陳桂華.SAAB雷達(dá)液位計(jì)在液化石油氣儲(chǔ)罐上的應(yīng)用[J].中國儀器儀表,2012,7:46-49.

[3]張權(quán),胡勇.雷擊致雷達(dá)液位計(jì)損壞的原因及防范對(duì)策[J].石油化工自動(dòng)化,2011,47(5):72-73.

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