LFMCW雷達(dá)液位計(jì)在核電廠示范應(yīng)用的研究

梁 玲，于 洋，張 禹

（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518000）

在核電廠工藝系統(tǒng)中液位是重要的工藝參數(shù)之一，液位信號(hào)除參與指示功能外，還參與反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能，所以液位測(cè)量質(zhì)量的好壞，關(guān)系到核電廠能否正常安全運(yùn)行。線性調(diào)頻連續(xù)波（LFMCW）雷達(dá)液位計(jì)因其精度高、易于安裝維護(hù)、非接觸式等優(yōu)勢(shì)在核電廠得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文圍繞LFMCW雷達(dá)液位研發(fā)儀表在核電廠的示范應(yīng)用開展了具體研究。

1 雷達(dá)液位計(jì)

1.1 雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理

發(fā)射－反射－接收是雷達(dá)式液位計(jì)工作的基本原理。目前雷達(dá)液位計(jì)有脈沖波雷達(dá)液位計(jì)和LFMCW雷達(dá)液位計(jì)。

脈沖波雷達(dá)液位計(jì)天線以波束的形式發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，反射回來(lái)的信號(hào)仍由天線接收。天線接收反射的微波脈沖，根據(jù)發(fā)射和反射信號(hào)之間的時(shí)差來(lái)計(jì)算液位。

LFMCW雷達(dá)液位計(jì)的發(fā)射頻率是一個(gè)等幅可調(diào)頻率，通過測(cè)量發(fā)射波和反射波之間的頻率差，可將頻率差轉(zhuǎn)換為與被測(cè)量液位成正比例關(guān)系的電信號(hào)。。

1.2 示范應(yīng)用雷達(dá)液位計(jì)

示范應(yīng)用的LFMCW雷達(dá)液位計(jì)基于上述工作原理，針對(duì)核電工況介質(zhì)特點(diǎn)和工藝參數(shù)，綜合考慮測(cè)量量程和精度要求，設(shè)計(jì)W波段LFMCW雷達(dá)液位計(jì)方案。探究測(cè)量分辨率與調(diào)頻連續(xù)波掃頻帶寬、AD采樣器帶寬之間的相關(guān)性，找出掃頻帶寬與測(cè)量量程之間的約束關(guān)系，確定出微波電路方案和器件選型。研究W波段雷達(dá)信號(hào)對(duì)不同隔離材質(zhì)的穿透能力、不同材質(zhì)和形狀透鏡對(duì)其聚焦性能，以及不同材質(zhì)的高溫和防護(hù)性能，確定出透鏡的材質(zhì)和形狀，設(shè)計(jì)出天線系統(tǒng)的密封結(jié)構(gòu)，力求產(chǎn)品一體化和小型化。通過軟件仿真對(duì)電路原理、PCB布局和天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使微波電路和天線性能達(dá)到最優(yōu)，并使兩者的阻抗達(dá)到最佳匹配。探索全新高精度實(shí)時(shí)LFMCW雷達(dá)中頻信號(hào)的相頻匹配機(jī)制，研究LFMCW雷達(dá)中頻信號(hào)頻率實(shí)時(shí)估計(jì)的相頻匹配方法，消除因非整周期采樣導(dǎo)致的相位失真及噪聲的影響，提高液位計(jì)測(cè)量精度，滿足核電廠液位測(cè)量需求，相頻匹配技術(shù)如圖1[1]。

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

示范應(yīng)用連續(xù)波雷達(dá)物位計(jì)通過透鏡天線發(fā)射連續(xù)的微波信號(hào)，該發(fā)射信號(hào)的頻率由鋸齒波進(jìn)行線性調(diào)制。連續(xù)發(fā)射的微波信號(hào)遇到被測(cè)介質(zhì)表面時(shí)，由于介電常數(shù)發(fā)生突變，微波信號(hào)的部分能量被連續(xù)地反射回來(lái)，并被透鏡天線系統(tǒng)所接收，工作原理框圖如圖2[2]。

圖2 雷達(dá)液位計(jì)工作原理框圖Fig.2 Block diagram of radar Level gauges working principle

接收信號(hào)的頻率與發(fā)射信號(hào)的頻率總是存在差值的，而該差值與雷達(dá)天線到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比，越大的頻率差值代表著越遠(yuǎn)的液位距離，如圖3。

圖3 雷達(dá)液位計(jì)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(cè)量參考面到被測(cè)介質(zhì)的距離；c為光（電磁波）在真空的傳播速度；F為接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的頻率差；R為發(fā)射信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化率。

然后根據(jù)用戶設(shè)定的空液位位置，由公式L=E-D即可計(jì)算出液位高度。其中，E為測(cè)量參考面到用戶設(shè)定的空液位位置；D為測(cè)量參考面到被測(cè)介質(zhì)的距離；L為液位高度。

示范應(yīng)用LFMCW雷達(dá)液位計(jì)特點(diǎn)如下：

1）高精度、四線制技術(shù)，是差壓、磁致伸縮、射頻導(dǎo)納、磁翻板等物位儀表的替代產(chǎn)品。

2）受壓力變化、真空、溫度變化、惰性氣體、煙塵、蒸汽等環(huán)境影響較小，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠。

3）安裝簡(jiǎn)便、牢固耐用，免維護(hù)。

4）測(cè)量靈敏，刷新速度快。

5）儀表圖形點(diǎn)陣液晶支持現(xiàn)場(chǎng)波形顯示和建立虛假回波等復(fù)雜操作，降低儀表操作難度和維護(hù)工作量。

6）國(guó)內(nèi)銷售的儀表預(yù)置全中文菜單，進(jìn)一步降低儀表調(diào)試的難度。

2 核電廠雷達(dá)液位計(jì)選型要求

根據(jù)SH/T 3005-2016《石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，雷達(dá)液位計(jì)的選型應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）對(duì)于大型固定頂罐、浮頂罐、球形罐中儲(chǔ)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(zhì)的液位連續(xù)測(cè)量或計(jì)量，宜選用非接觸式雷達(dá)液位計(jì)。

2）應(yīng)根據(jù)測(cè)量精確度要求選用控制級(jí)或計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)，用于液體介質(zhì)的控制級(jí)滿量程精確度不宜低于±0.5%，計(jì)量級(jí)精確度不宜低于±3mm。

3）雷達(dá)液位計(jì)宜選用24V DC或220V AC外供電型，變送器輸出信號(hào)宜為4mA～20mA帶HART協(xié)議或總線信號(hào)。

4）非接觸式雷達(dá)液位計(jì)的天線（平面式、拋物線式、喇叭式、桿式）的結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)的選型應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)罐類型、介質(zhì)特性、測(cè)量范圍、測(cè)量精度、儲(chǔ)罐內(nèi)溫度及壓力等因素綜合確定。

5）用于罐區(qū)儲(chǔ)罐的雷達(dá)液位計(jì)宜帶有罐旁指示表。

6）壓力儲(chǔ)罐上安裝的雷達(dá)液位計(jì)一次儀表與設(shè)備法蘭之間宜設(shè)維修切斷球閥。

7）對(duì)于內(nèi)部有影響微波傳播的障礙物的儲(chǔ)罐或介電常數(shù)低于1.4的介質(zhì)，不得選用雷達(dá)液位計(jì)。

8）對(duì)于儲(chǔ)罐的界面測(cè)量，不得選用非接觸式雷達(dá)液位計(jì)。

工程實(shí)踐中，在進(jìn)行雷達(dá)液位測(cè)量計(jì)選型時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮一下幾點(diǎn)因素：

a）滿足核電廠與測(cè)量液位有關(guān)的各種規(guī)范要求。

b）滿足工藝系統(tǒng)對(duì)液位測(cè)量和控制的功能要求，如量程、精度、響應(yīng)時(shí)間等。

c）液位計(jì)的結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單、牢固、安全、可靠，安裝維護(hù)方便。

d）為便于電廠儀表的維護(hù)檢修，選用的液位計(jì)規(guī)格應(yīng)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(yùn)行成本。

e）盡量立足國(guó)產(chǎn)儀表，對(duì)于非安全級(jí)無(wú)鑒定、無(wú)抗震要求的常規(guī)儀表，國(guó)內(nèi)雷達(dá)液位計(jì)已能滿足核電廠要求；對(duì)于核級(jí)液位計(jì)，國(guó)產(chǎn)已取得核級(jí)認(rèn)證資質(zhì)的儀表也可逐步應(yīng)用到核電中。

f）考慮到核電廠儀表的特殊性，選型時(shí)需根據(jù)液位計(jì)安裝所在的工藝系統(tǒng)及其功能來(lái)確定測(cè)量?jī)x表的如下要求：

◇安全級(jí)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(nèi)容，根據(jù)物項(xiàng)執(zhí)行的功能重要性對(duì)物項(xiàng)進(jìn)行分級(jí)，確定液位計(jì)的安全級(jí)別，以確保物項(xiàng)在所有預(yù)期的運(yùn)行工況下有適宜的質(zhì)量，確保安全功能的實(shí)現(xiàn)。

◇鑒定等級(jí)：為確保液位計(jì)在正常運(yùn)行和事故等各種工況下，保證其預(yù)定的安全功能，根據(jù)HAF102-2016《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》[6]5.5.2“安全重要物項(xiàng)的鑒定”章節(jié)：“必須采用安全重要物項(xiàng)的鑒定核動(dòng)力廠安全重要物項(xiàng)，這些物項(xiàng)能夠在其整個(gè)設(shè)計(jì)運(yùn)行壽期內(nèi)以及支配性環(huán)境條件下執(zhí)行其必要的預(yù)期功能，這里考慮的環(huán)境包括核動(dòng)力廠的維修和試驗(yàn)。重要安全物項(xiàng)鑒定程序必須考慮到安全重要物項(xiàng)預(yù)期壽期內(nèi)各種環(huán)境因素（如振動(dòng)、輻照、濕度、溫度）引起的老化效應(yīng)?！币虼?，需要從液位計(jì)選型上，明確對(duì)設(shè)備的鑒定要求并開展設(shè)備鑒定活動(dòng)。

◇抗震等級(jí)、抗震要求[7]及質(zhì)保分級(jí)[8]。

3 核電廠雷達(dá)液位計(jì)示范應(yīng)用選址

3.1 選址要求

儀表在核電廠示范應(yīng)用，為保證應(yīng)用儀表便于安裝、調(diào)試及維護(hù)，不影響電廠的正常運(yùn)行，需滿足下列要求：

1）為便于儀表安裝并避免對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的影響，應(yīng)用儀表不宜選取罐體、管道等封閉體內(nèi)的液位測(cè)量。

2）為便于應(yīng)用儀表的日常維護(hù)，應(yīng)用儀表不宜選取輻照劑量高區(qū)域內(nèi)的液位測(cè)量。

3）為便于應(yīng)用儀表的日常維護(hù)，考慮核電廠控制區(qū)進(jìn)出管理嚴(yán)格，應(yīng)用儀表不宜選取核電廠控制區(qū)內(nèi)的液位測(cè)量。

4）應(yīng)用于坑、池等開口液位測(cè)量時(shí)，必須做好防護(hù)，防止異物墜落，避免對(duì)核電廠的正常運(yùn)行造成影響。

5）為更好地驗(yàn)證應(yīng)用儀表的性能，選用的坑、池內(nèi)液位在儀表應(yīng)用期間應(yīng)有高低變化；優(yōu)先選用有工程用液位計(jì)的坑、池，以便對(duì)示范應(yīng)用儀表的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 選址范圍

1）反應(yīng)堆廠房及核島廠房

反應(yīng)堆廠房及核島廠房?jī)?nèi)坑、池液位測(cè)量需求多來(lái)自放射性廢水收集系統(tǒng)、核島疏水系統(tǒng)等，輻射劑量較高；反應(yīng)堆廠房和核島廠房為核電廠控制區(qū)域，儀表應(yīng)用期間的日常數(shù)據(jù)記錄及維護(hù)人員進(jìn)出程序繁瑣，不適于進(jìn)行儀表示范應(yīng)用。

2）常規(guī)島及BOP廠房

常規(guī)島及BOP廠房輻射分區(qū)多為白區(qū)或綠區(qū)，輻照劑量低或無(wú)，適于人員進(jìn)出，但仍有部分區(qū)域?yàn)楹穗姀S控制區(qū)域，對(duì)于非控制區(qū)域內(nèi)的坑、池液位測(cè)量，可進(jìn)行儀表示范應(yīng)用。

4 核電廠雷達(dá)液位計(jì)示范應(yīng)用分析

基于上述選址要求及選址范圍，雷達(dá)液位計(jì)在某核電廠BOP輔助廠房的海水淡化系統(tǒng)和綜合用水系統(tǒng)的混凝土水池中進(jìn)行示范應(yīng)用，被測(cè)介質(zhì)分別為海水和二次淡化水。

4.1 應(yīng)用環(huán)境

海水淡化系統(tǒng)的功能是將海水經(jīng)過預(yù)處理和反滲透脫鹽處理后，向除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)、綜合用水系統(tǒng)（包括循環(huán)水系統(tǒng)/重要廠用水系統(tǒng)/循環(huán)水過濾系統(tǒng)泵的軸封水、臨時(shí)鍋爐房補(bǔ)水、制氫站廠房冷卻水、空壓機(jī)房壓縮空氣生產(chǎn)系統(tǒng)冷卻水備用水等）、消防水系統(tǒng)，及生活用水系統(tǒng)供應(yīng)符合質(zhì)量要求的淡水。

排水池080BA接收來(lái)自超濾、反滲透沖洗等廢水，經(jīng)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(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)滿足應(yīng)用儀表的要求，且現(xiàn)場(chǎng)已有基準(zhǔn)儀表用于測(cè)量水池液位并送主控顯示，便于與示范性儀表進(jìn)行比對(duì)。系統(tǒng)流程及示范應(yīng)用儀表安裝示意如圖4。

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

4.2 示范應(yīng)用儀表安裝要求

根據(jù)DL/T 5182-2004《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化就地設(shè)備安裝、管路及電纜設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[9]，雷達(dá)液位計(jì)的安裝需要滿足下列規(guī)定：

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

2）微波天線不可安裝在入料扇區(qū)的正上方，也不可安裝在罐（倉(cāng)）頂?shù)闹行奈恢谩?/p>

示范應(yīng)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(huì)導(dǎo)致信號(hào)丟失。

②勿安裝在進(jìn)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(hù)罩，以防儀表直接日曬雨淋，使用夾環(huán)即可方便地裝卸防護(hù)罩。

⑤固體測(cè)量時(shí)，盡量選用萬(wàn)向法蘭，可通過調(diào)試儀表發(fā)射角度，確保儀表軸線與物料斜面垂直。

4.3 示范應(yīng)用儀表工況要求

1）測(cè)量范圍從波束觸及罐底處開始。特別是當(dāng)儲(chǔ)罐為圓盤底罐或罐體采用圓錐形排泄口時(shí)，物位低于此點(diǎn)便無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。

2）對(duì)于低介電常數(shù)的介質(zhì)，若介質(zhì)處于低液位（圖4，C點(diǎn)以下），則罐底可見。在此范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量將降低測(cè)量精度，因此建議將測(cè)量零點(diǎn)設(shè)置在罐底距離為C點(diǎn)位置處。

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

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

4）最小測(cè)量范圍B（圖5）與所選用的天線類型相關(guān)（表1）。

表1 示范應(yīng)用儀表型號(hào)Table 1 Model of demonstration application instrument

5）罐體直徑應(yīng)大于D（表1），罐體高度應(yīng)至少為H（表1）[10]。

4.4 儀表現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

儀表經(jīng)過離線調(diào)試后，通過加工專用支架及蓋板，現(xiàn)場(chǎng)安裝在080BA上方如圖6，用于測(cè)量080BA內(nèi)液位，通過外接記錄儀顯示儀表趨勢(shì)，并安排專人每日對(duì)儀表進(jìn)行巡檢，用巡檢表記錄應(yīng)用儀表示數(shù)并與基準(zhǔn)儀表062MN示數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

圖6 示范應(yīng)用儀表現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.6 Connection diagram for suggestion

經(jīng)過2個(gè)月的應(yīng)用，示范應(yīng)用雷達(dá)液位計(jì)顯示與基準(zhǔn)儀表顯示基本一致。因儀表內(nèi)部設(shè)置、響應(yīng)時(shí)間及安裝不同，在動(dòng)態(tài)過程中稍有偏差（最大偏差在儀表要求精度范圍內(nèi)），總體趨勢(shì)一致。應(yīng)用過程中，每天巡檢，未發(fā)現(xiàn)異常，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。示范性應(yīng)用期間，應(yīng)用儀表與基準(zhǔn)儀表數(shù)據(jù)趨勢(shì)如圖7。

圖7 數(shù)據(jù)對(duì)比曲線Fig.7 Data comparison curve

5 結(jié)論

本文根據(jù)核電廠液位儀表選型及安裝要求，結(jié)合LFMCW雷達(dá)液位計(jì)特點(diǎn)，完成雷達(dá)液位計(jì)在核電廠的示范應(yīng)用。儀表顯示平穩(wěn)，測(cè)量準(zhǔn)確，應(yīng)用效果良好，為在役核電廠及后續(xù)新建核電廠液位計(jì)改造及選型提供參考。