HBRD-FMW13SL雷达物位计生产厂商
摘 要: 液位测量是核电站自动控制系统中的重要组成部分。导波雷达液位计基于电磁波时域反射( TDＲ) 原理，具有受环境影响小、测量精度高等特点。导波雷达液位计作为一种新型的液位测量手段，已经在核电领域有了广泛的应用，但是在其应用过程中也遇到了一定的问题。针对福清核电汽水分离再热系统疏水箱液位计频繁出现的支撑件破碎、密封失效以及蒸汽补偿漂移等问题，进行了原因分析并给出了解决措施。通过对导波雷达液位计的改造，使得导波雷达液位计在核电高温蒸汽系统中得到了应用，提高了汽水分离再热疏水液位测量的性，保障了机组运行。该研究对推动导波雷达液位计在蒸汽系统中应用提供有力支持，对导波雷达这种新型液位计未来在更多测量环境中的应用起到了积作用。wfP压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
引言
导波雷达液位计作为一种新兴的液位测量仪表，克服了传统仪表的不足，在核电厂的应用逐渐增多。但导波雷达液位计在高温高压蒸汽系统使用时，还存在一些不足，导致系统液位测量失真［1］。汽水分离再热系统是核电厂汽轮机的重要辅助系统，主要应用于汽轮机运行期间，通过控制进入二级再
热管束的蒸汽量，对高压缸排气进行和再热，使进入低压缸的蒸汽有一定的过热度。其应用改善了汽轮机低压缸的工作条件，提高了汽轮机的相对内效率，减少了湿蒸汽对汽轮机零部件的刷蚀。在福清 1 ～ 4 号机组调试及运行期间，汽水分离再热系统二级疏水箱液位计多次出现故障，如液位计探杆泄漏、测量失效等。针对二级疏水箱液位计问题，采用新型测量方案，对汽水分析再热系统二级疏水液位测量作优化改进。
1 导波雷达物位计测量原理及特点
( 1) 导波雷达液位计的工作原理。
导波雷达液位计基于电磁波时域反射原理［2］，由电磁波发生器发射一个电磁脉冲信号发射到导波体上，以导波体作为信号的传输载体。当遇到被测介质表面时，部分信号被反射形成回波并沿相同路径返回脉冲发射装置。发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比，测量发射与反射脉冲［3］。导波雷达液位计测量原理如图 1 所示。
导波雷达液位计测量原理图
( 2) 导波雷达液位计的测量特点。
①电磁波信号沿导波杆传输可消除假回波信号，减少信号丢失。
②整个测量装置无活动部件，无机械磨损。
③安装调试方便。
④不受介质 密度变 化 的 影 响 ( 但 是 需 要 单 一 介质) 。
⑤使用与高温、高压的物位测量。
2 现有设计缺陷导致测量不稳定的原因分析
核电厂二回路液位控制是核电厂重要的控制系统之一，其测量环境需考虑真空、高温、泡沫等多方面因素。传统液位仪表因其固有原理，无法通过自身技术的改进来消除误差。故本文采用了导波雷达液位计［4］。但在机组运行过程中，汽水分离再热系统原有导波雷达液位计导波杆的支撑件会破碎，支撑件碎片会进入到二回路系统中，形成异物，危及机组［5］。同时，导波杆内支撑件破碎后，因振动、冲击等因素会导致导波杆触碰到水位测量筒，使液位测量产生跳变，存在汽水分离再热系统二级隔离风险。受制于现场使用条件，汽水分离再热器二级疏水箱内充满饱和蒸汽。蒸汽是性气体，即蒸汽的介电常数会根据环境的压力、温度而改变。介电常数的变化会影响电磁波的传播速度。波速度公式为&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
由式( 1) 可见，当介质的介电常数变化，则波速度会随之变化。由于电磁波在不同介质中的传输速度不同，比如在空气中的传输速度比在蒸汽中传输速度大，因此 汽 水 分 离 再 热 系 统 ( gas-liquid seperate system，GSS) 二级疏水箱液位计选用的都是蒸汽型导波雷达液位计［7］。
经统计，在功率运行期间，汽水分离再热系统二级液位计共计出现缺陷 91 项。其中，导波雷达液位计漏汽缺陷共计 38 项，二级疏水箱液位计偏差大共计 46项，因仪表故障导致通道测量不可用共计 7 项。
根据现场液位计缺陷情况来看，目前汽水分离再热系统二级液位计主要存在以下故障。
①液位计探杆支撑杆破碎。经分析，原汽水分离再热系统二级液位计所用的高温型导波雷达液位计，其探杆支撑件采用聚醚醚酮( PEEK) ［8］高分子合成材料。在运行过程中，该支撑件会逐渐脆化，在系统冲击工况下破裂。处理方式: 在测量系统改进前，机组只能通过每次大修期间，对探杆进行定期更换。
②液位计探杆密封失效。液位计探杆内部密封件采用 PEEK 材料进行隔热，靠近连接部位采用 2 个 O型圈进行密封。O 型圈耐温范围为 150 ℃ 。因汽水分离再热系统二级疏水箱内部温度达 280 ℃ ，探杆隔热材料失效，进而使 O 型圈失效，探杆密封泄漏，测量闪发质量位。处理方式: 目前出现探杆密封失效后，无法进行更换。
③液位计冷热态工况，液位测量出现偏差。液位计大修冷态调试时，3 支液位计偏差小于 20 mm。但汽轮机冲转并网后，因系统温度上升，3 支液位计偏差会达到 100 mm。在机组运行时间长后，液位计偏差也会逐渐增加，导致偏差超过 100 mm。处理方式: 目前只能在热态后，对偏差大液位计进行修正。机组功率运行后，每周定期巡检方式，检查液位计偏差，并及时进行修正。
3 改进方案
3． 1 导波雷达液位计支撑件改进
原汽水分离再热系统二级导波雷达液位计采用PEEK 支撑件，同时也作为探杆隔热材料。PEEK 是芳香族结晶型热塑性高分子材料。PEEK 玻璃化转变温度为 143 ℃ ，其熔点为 334 ℃ 。这种材料耐抗有机和水环境，具有优良的化学性、热稳定性和抗氧化性。目前，应用汽水分离再热系统二级疏水箱实际运行温度为 280 ℃ ，仪表的设计温度为350 ℃ ，而 PEEK 物理特性耐温只有 250 ℃ ，因此运行时间过长会产生变形或碎裂。
为应对导波雷达液位计支撑件破碎及密封失效情况，此次支撑件设计采用 99． 7% 纯度的 Al2 O3 陶瓷材料［8］。该材料具有硬度大、耐磨性能好、质量轻等特点。其熔点在 2 000 ℃ 以上，具有良好的导热性、缘性以及透光性，介电常数为 9． 0 左右，适用于高温蒸汽型导波雷达液位计测量原理。Al2 O3 陶瓷的物理和力学特性如表 1 所示。
改进后探杆内部结构精密。蒸汽部分主元件采用氧化铝陶瓷，不会因为温度增高而变形、渗漏。密封元件采用耐高温的石墨密封 Graphite，是目前仪表产品在高温蒸汽方面的理想材料。其物理性能远远优于以前使用的 PF128、PEEK、铝矾土等材质，十分稳定。该结构整体密封结合紧密，可杜蒸汽进入。
3． 2 导波雷达液位计高温补偿改进
原汽水分离再热系统二级导波雷达液位计采用点补偿方式，补偿点到电磁波发射口距离为 125 mm。如果测量点以上或者测量点位置有凝露或者误差，会放大传导到下方实际液位测量。为了地说明上述结论，定义系数 K。
德国E+H导波雷达液位计FMP52
FMP51 带涂层的探杆，适用于腐蚀性的介质的液位测量
应用
• FMP51 - Premium 仪表，用于液位测量和界面测量
• FMP52 - Premium 仪表，带涂层探头，用于腐蚀性液体的测量。接液部件采用
认和 USP Cl. VI 认材料
• FMP54 - Premium 仪表，主要用于高温和高压应用场合中的液体测量
• 较大量程:45 m (148 ft)
•
过程连接:3/4"螺纹，或法兰
•
温度范围:–196…+450 °C (–321…+842 °F)
•
压力范围:–1…400 bar (–14.5~5 800 psi)
•
提供下列系统集成接口:
– 4...20 mA HART (模拟量信号)
– PROFIBUS PA (Profile 3.02)
–
基金会现场总线(FF)
•
可以进行限位监控(低限(MIN)、高限(MAX)、量程范围内)，具有 SIL 2 (单台仪
表测量)或 SIL 3 (同构冗余测量)等级，
通过 TÜV 认，符合 IEC 61508 标
准
优势
•
测量:
–
存在波动液面和泡沫液面时
–
介质类型改变时
–
存在粉尘的应用场合中(仅适用于 FMP54)
•
适用范围广
•
内置数据储存单元
•
工厂预标定探头长度
•
全中文显示的直观菜单引导式操作方法
•
便捷地集成至控制系统或资产管理系统中
• 准确的仪表诊断和过程诊断，有助于发现问题
•
防爆认:ATEX、IEC Ex、CSA、FM、NEPSI
压力设备指令(PED) (仅适用于 FMP54)
3A 认(仅适用于 FMP52)
物位，流量，压力，水分析测量测控:德国E+H，德国VEGA，北京瑞普三元压力传感器， 美国EMA流量传感器， 公众平台:西安宏略贸易有限公司。 水分析:CPM223，CPM253，CM442，CPS11，CPS11D等；物位计:FMR10, FMU30. FMU40等；压力变送器:P31 PMP11，PMC11,PMC131 等现货。
导波雷达液位计在检测液位时采用的是时域反射（TDR）原理，信号的传输介质是同轴电缆和导波杆，可以认为导波雷达液位计进行液位检测是基于传输线的特性的。以下简要介绍 TDR 的原理。
同轴电缆和导波杆是比较常用的信号传输线，我们可以把它等效为理想的双导线传输线，由相同的很多小的部分组成，每个小的部分又由很多的电阻 R、电容C、电感 L 和电导 G 等元件一起组成，并且同轴电缆和同轴导波杆的特性阻抗在每处都是一样的。
同轴电缆等效传输线原理图如图 2-1 所示。
图 2-1 同轴电缆等效传输线原理图
由上图知道，如果同轴电缆与其他介质相接触，由于介电常数（这里用rε 来表示）是不同的，会使相接触部分的等效阻抗发生一定变化。当同轴电缆的某一端发射出脉冲信号时，脉冲信号会沿电缆进行传输。如果传输中没有与其他介质的接触时，那么对应的负载阻抗和电缆的特征阻抗相等，那么脉冲会被吸收因此没有回波信号产生；如果发生与其他介质的接触时，那么对应的负载阻抗就会发生变化，使之和特征阻抗不相等，就会产生回波信号。
这里定义一个反射系数为 ρ ，它是反射信号与发射信号的幅度的比值，我们用它来用来表示负载阻抗和特性阻抗的关系。
其中:tZ 表示任意一点的阻抗，cZ 表示特性阻抗。因此，在各种情况时阻抗和反射系数的不同如下所示:1．当同轴电缆传输正常时，那么t cZ =Z
， ρ =0 ，发射脉冲会被吸收，没有回其中:tZ 表示任意一点的阻抗，cZ 表示特性阻抗。因此，在各种情况时阻抗和反射系数的不同如下所示:
1．当同轴电缆传输正常时，那么t cZ =Z ， ρ =0 ，发射脉冲会被吸收，没有回
图 2-2 断路回波信号示意图
3．当同轴电缆传输短路（即为与其他介质接触时）时，那么tZ =0 ， ρ = −1，同样产生全反射，但是短路回波信号和发射信号具有相反的性，短路回波示意图如图 2-3 所示。
图 2-3 短路回波信号示意图
当脉冲信号在导波杆上传输时，如果碰上其他介质就会使该点的阻抗变化，从而反射系数也会发生变化，会产生回波信号。我们可以进一步计算发射脉冲和回波脉冲的时间差就能计算出发射电路到该介质接触点的距离。
导波雷达测量系统原理:
导波雷达液位计就是时域反射原理来进行测量的，测量过程我们分为信号传播和整个测量系统来作介绍。
导波雷达信号传播示意图如图2-4所示。
在机械机构上，仪表的表头内部的收发电路会通过同轴射频接插件和同轴电缆相连。同轴电缆的另一端将会在法兰的位置与同轴导波杆连接。导波杆则是直接插入到罐体的介质内，导波杆的末端与罐底底部则是有一段距离的。
根据左图可以看到，电路板输出的脉冲信号会通过同轴电缆，再在同轴导波杆上进行传播。由2.1节的介绍，在同轴电缆和导波杆的连接处会首先发生断路，进而一部分信号会产生一个顶部回波信号，但是仍有一部分信号还会继续沿导波杆传播。当信号与被测液体表面接触时，其阻抗特性会发生变化，其一部分也会被反射，会再产生一个真正的液位回波信号。也会有另外一部分信号仍然会继续向下传播，***终会损耗在不断发射中。液位计可以判断出液位回波和顶部回波之间的时间差，根据这个时间差，我们用单片机进行计算就可以得到液位的高度。
根据右图所示，在罐体为空的时候，没有液位就不会发生液位回波信号，但是仍然会有顶部回波信号，而且在导波杆的底部会断路而产生一个的底部回波信号‘。
假如罐体内有两种不同的介质，由于密度不同这两种介质会分别存在于液体的上部和下部。如果这两种介质的介电常数大不相同，那么就可以通过回波的不同来判断两种介质的分界面，进而也可以得出这两种介质的不同高度。由于脉冲信号是通过导波杆传播，导波杆上的空气、气态的凝结不会影响性能，因此可以长时间测量低介电常数的产品。一般情况下被测液体的介电常数越大回波信号也就越强，也就更容易检测出液位，比如水比丁烷更容易测量。
假设电磁信号在介质中传输无损耗，则信号在其中的传播速度可以表示为:
其中:c为电磁波在真空中的传播速度(3×10八立方米m/s）。
Y为介质的相对介电常数，
从为同轴电缆的相对磁导率(大多数液体其近似等于l}o
我们可以得到:
若电磁波在同轴导波杆上的传播距离为L，那么回波信号的传播时间为:根据这个实际传播速度结合时间就可以计算出液位[[19]。因此，的深度:
L可以表示为液位因罐体高度为H，***后得到的液位高度为:
h=H一L导波雷达测量系统示意图如图2-5所示。
图中为整个导波雷达测量系统，导波雷达液位计发送的是窄脉冲信号，对刚性杆***大测量范围为6.1 m，柔性杆为***大范围则为30m。在实际测量中，在量程的上部和下部都会存在一段死区，分别为上部死区和下部死区，其长度分别为Lz和L,，这两个死区的特性是非线性的，所以造成测量误差会偏大。我们把上部死区的较低点定义为上参考点，用它来代表液位的满点(***高可测点)和20mA输出电流。下部死区的***高点则定义为下参考点，用它来代表液位的零点(较低可测。
点)和4mA输出电流。在导波杆末端到罐底的距离为L。
由此，在实际应用时，液位的计算需要考虑到上部死区和下部死区的因素。在液位显示时需要加上杆末端距离罐底的距离L。和下部死区的高度L1 [21] o
一般液位测量时只需要测量一定范围内的高度，即有效量程为两个死区之间的高度，也叫线性区。
在罐体内实际显示的液位高度(即以下参考点作为零点)为:
hD = h一L。一L, 这里L+L、是液位的整体迁移量。
本章主要是对导波雷达液位计进行了理论分析，首先介绍了导波雷达液位计测量所需要的时域反射原理，接着详细讲述了导波雷达测量系统的原理，***后则概括了本课题所设计的导波雷达液位计所要实现的功能和特点。
安装规范与精度保障要点
安装位置应距仓壁>200mm，倾斜度<3°。导波雷达探杆垂直度要求每米弯曲<1mm。某溶剂罐测试显示，5°倾斜会导致1%满量程误差。最新电子水平仪实时显示安装偏差，辅助调校精度0.1°。定期校准采用靶板法，空罐验证误差应<0.05%FS。