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    AP1000項目現場采用脈沖雷達物位計產生的問題分析及解決方案

    作者:朱建坡, 蔣義權,朱華東, 侯宇馳 來源:國核工程有限公司 發布時間:2017-09-19 10:41:24

     摘要: 雷達液位計是一種利用雷達波測量物位的儀表,按照測量原理,現在廣泛使用的雷達物位計有以下3種類型:脈沖雷達物位計,調頻連續波雷達物位計和導波雷達物位計。根據現場不同工況,液位計的錯誤選型影響儀表測量的可靠性。介紹AP1000項目現場采用脈沖雷達物位計產生的問題,進行問題分析,提出解決方案。

     
    0前言
             雷達信號是一種特殊形式的雷達波,其物理特性與可見光類似,傳播速度相當于光速。與超聲波雷達液位計相比,其不受傳播介質的影響,可以在缺少介質 (真空) 或者具體氣化介質的條件下傳播,介質的溫度變化也不影響雷達波的傳播速度 [1] 。與超聲波相比具有很多優勢,被廣泛應用到工業,工程中物位測量中。AP1000項目中使用雷達液位計用于測量罐體內液位,換料水池液位等應用,其中脈沖雷達液位計使用較多,但是在一些特殊工況下,脈沖雷達液位計無法正常工作,比如一些較小容器,罐體內測量工況比較復雜,干擾較大,這種情況下導波雷達液位計將比脈沖雷達液位計可靠性更高。本文以一個案例作基礎,介紹脈沖雷達和導波雷達的優缺點,以及實際應用中如何選型。
     
    1、脈沖雷達和導波雷達的測量原理
             脈沖雷達采用高頻,窄脈沖對微波源信號進行調制,以波束的形式發射固定頻率的脈沖波,脈沖波到達液位后再反射回接收器。從發射到接收信號的運行時間與容器中的液位成正比。通過計算脈沖波從發出到接收的時間,來確定物位的高度。測量原理如圖1所示。
     
             導波雷達與脈沖雷達原理類似,也是采用發射-反射-接收的工作方式 ,不同的是雷達波不是在空氣中傳播,而是通過金屬桿或柔性金屬纜繩進行傳播,導波雷達液位計的基礎是利用雷達波的時域反射(TDR)原理 ,TDR發生器可以每秒 產生20萬個能量脈沖,當脈沖遇到波導體與液面接觸時,由于波導體在氣體中和在液體中導電性能不同,介電常數發生突變,使波導體的阻抗發生變化,從而產生一個液位反射原始脈沖,同時在導體頂部具有一個預先設定好的阻抗,該阻抗產生一個可靠的基本脈沖,當原始脈沖與基本脈沖進行比較,存在時間差,可以計算出介質液位高度。測量原理如圖2所示。
    脈沖雷達液位計和導波雷達液位計的工作示意圖
             反射回來原始脈沖,經過信號處理,可以得到法蘭連接到被測介質表面的距離D,D與脈沖在導波桿上的傳播時間T成正比如圖3所示。
    雷達液位計工作原理圖
    脈沖/導波雷達液位計對比
    2、脈沖雷達液位計和導波雷達液位計比較
     
             通過表1,不難發現脈沖雷達液位計與導波雷達液位計相比,存在一些缺陷。脈沖雷達為非接觸測量,當測量范圍內有障礙物時容易產生虛假回波,脈沖雷達在安裝法蘭近端由于發射和接收回波的互相干擾,會有一定的盲區,并且影響精度;當液面有較大波動和較厚泡沫時,會造成雷達波被散射和吸收,造成測量受影響;當容器中存在攪拌器,或者管道等障礙物時,障礙物將反射雷達波,從而產生虛假液位信號,導致液位計測量受影響。在這些工況下,導波雷達液位計依據自身的特點,由于信號通過導波體傳播,安裝法蘭近端盲區很小,精度更高,戒指測量可以不受液面波動、泡沫的影響,如果罐體內有障礙物,可以采用同軸套管式導波雷達測量,雷達波在同軸套管內傳播,因此不受任何套管外障礙物的影響,因而儀表所接收的信號較強,返回信號的干擾信號也很弱,基本不受介質密度變化,介電常數變化 ,霧氣和泡沫等因素的影響,可以很好的彌補脈沖雷達液位計存在的缺陷。綜上所述,脈沖雷達適合較大儲罐,長量程,安裝條件理想的測量環境,導波雷達適合小量程、泡沫、凝露的測量環境。
     
    3案例分析
    3.1儀表異常表現
             在 AP1000 依托項目中 VYS 熱水采暖系統,MT01穩壓罐用來調節VYS系統熱水膨脹力平衡.罐體上方安裝有液位儀表VYS-JE-LT006,用來監測MT01罐體內部水位,根據水位高低來控制補水閥門開關,并發出報警。在進行VYS系統操作調試過程中,發現異常現象。當把除鹽水向MT01罐自動充水時,液位顯示會偶然出現跳變,有時液位突然顯示為 0,有時顯示液位高于實際量程。當手動關閉閥門,停止充水后,液位顯示恢復正常。類似情況出現多次,只有調試人員斷開電源,重新接通電源后,液位顯示才能恢復正常。有時,還會出現在不充水情況下,液位顯示上下震蕩。當檢查液位傳感器時,發現傳感器的喇叭口上出現凝結水。如圖4所示,儀表液位輸出信號的動態圖,從圖4可以看出,紫色線出現幾次突然跳變現象,突然跳到滿量程,從滿量程突然變為0的異常現象。
    脈沖雷達輸出信號動態圖
    3.2原因分析
             (1) 在正常工況下,VYS熱水采暖系統的介質水溫大概為90°C左右,盡管罐體是一個隔熱的罐體,但是在罐體頂部存在一個排氣孔,高溫水蒸氣會在天線上冷凝,形成凝結水,這將影響傳感器發射雷達波信號,變送器輸出顯示故障,液位變送器輸出信號錯誤或者超出測量范圍。
             (2) 由于進水口距離液位計天線較近,當充水時,水流正好處于雷達喇叭口的下方,雷達波剛好打在料流上,此時測量并輸出水流的高度值,根本找不到真實液位的真實回波,所以一直處于滿量程狀態,如圖5所示。
    脈沖雷達液位計安裝位置示意圖
    脈沖雷達信號回波圖
             回波圖型如圖6所示。
     
             (3)進水管管徑較大,管徑為2”,水液位比較大,容易使液面濺起水花和漩渦,導致雷達波散射測量數值不準確。
     
    3.3解決辦法
             (1)改變液位計選型,使用同軸套管式導波雷達液位計,替換脈沖雷達液位計,如圖7所示;
             (2) 更改進水管管徑,使進水管管徑由2”變為 1”。
     
             圖8為脈沖雷達更改為導波雷達后,液位輸出動態圖,從圖8可以看出,液位輸出信號不再出現突然跳變的現象。
    導波雷達液位計 安裝示意圖導波雷達信號 輸出動態圖
    4總結
             在液位計的選型上,應充分考慮被測介質的具體情況,根據過程壓力和溫度選擇合適的法蘭,根據量程及介質的介電常數,決定天線尺寸,一般情況,量程越大,介電常數越低,天線尺寸就應該越大。當容器內工況復雜,容易產生虛假回波,或者容易產生冷凝水,介電常數和介質密度變化對液位測量產生影響,導波雷達會是非常合適的選擇。

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