KQ-ZLDH雷达液位计工厂

　　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。

　　BFRD701

　　BFRD702

　　BFRD703

　　BFRD700系列导波雷达物位计

　　应用:液体和固体料位连续，测量量程30米。

　　BFRD701-缆式探头:主要用于固体料位及液体料位的测量，量程30米。

　　BFRD702-杆式探头:主要用于液体料位，量程6米。

　　BFRD703-同轴探头:主要用于测量介电常数较低的液体，量程6米。

　　概述

　　BF系列导波雷达液位变送器运用了TDR（时域反射原理）技术，TDR 发生器产生一个沿导波杆或缆绳传送的电磁脉冲波，当遇到比先前传导介质（空气或蒸发汽）介电常数大的介质表面时，脉冲波会被反射。用超高速计时电路来计算脉冲波的传导时间，从而达到稳定的液位测量。

　　BF系列导波雷达物位变送器是取代浮筒变送器和射频导纳（电容）液位变送器的更新换代产品。它与浮筒变送器相比不受介质比重的影响，与射频导纳（电容）液位变送器相比不受介电

　　常数变化的影响。不需要现场校调，只需输入物位数据进行组态即可，是现有的一种物位测量仪表都无可比拟的优点。

　　BF系列导波雷达液位变送器是针对复杂的物位工况而设计生产的，信号通过导波杆传播，而不是通过空气传送，导波杆上的空气和凝结水不会影响性能，可测量介电常数低至1.4 的介质（如丁烷）。并且不受压力、温度、密度的限制。

　　特性及优势

　　测量不受下列因素影响:

　　液体的密度，固体物料的疏松程度和温度

　　加料时的粉尘和液体表面的泡沫对测量无影响

　　同轴杆式探头的测量不受罐体及安装短管的内部结构的影响

　　探杆和缆式探头可以更换

　　安装指南

　　下述的安装指南适用于缆式和杆式探头测量固体颗粒料和液体物体管式探头只适用于液体物体。

　　安装位置:

　　尽量远离出料口和进料口。

　　对金属罐和塑料罐，在整个量程范围内不碰壁。如果是金属罐，物位仪表不要安装在罐的。

　　建议安装在料仓直径的1/4处。

　　缆式探头或杆式探头里罐壁距离不小于50厘米。

　　探头底部距罐底大约30mm。

　　探头距罐内障碍物距离不小于300mm。

　　.

　　特点:

　　可以测量介电常数大于等于1.4的介质。

　　一般用于测量粘度≤500cst而且不容易产生粘附的介质。

　　量程可以达到6米。

　　对蒸汽和泡沫有很强的抑制能力，测量不受影响。

　　对于介电常数比较小的液体物料可以采用双探杆式测量方式，以保障良好的准确测量。

　　接线方式

　　缆式探头的固定

　　如果缆式探头距离罐壁小于50厘米或有可能碰到罐壁上时，缆式探头的末端需要固定在罐底。

　　为了避免缆式探头在下料时过度受力，用户需将缆绳底部固定在罐底，固定时，应该尽量让缆绳保持一定的松紧度。选择缆式探头时应比实际距离稍长一些。

　　仪表尺寸

　　技术参数

　　参数:          工作频率:100MHZ-1.8GHZ

　　测量范围:缆式:0 - 30m；杆式、同轴式:0 - 6m

　　重复性:±3mm

　　分辨率:1mm

　　采样:回波采样54 次/s

　　响应速度:>0.2S（根据具体使用情况而定）

　　输出电流信号:4 - 20mA

　　精度:

　　通讯接口:      HART 通讯协议

　　过程连接:       G1-1/2 (BFRD701、BF-802)

　　法兰DN50，DN80，DN100，DN150(BF-803)

　　过程压力:       2Mpa

　　电源:          电源:24VDC(±10%),纹波电压:1Vpp

　　耗电量:max 22.5mA

　　环境条件:      温度-40OC～+100OC

　　外壳防护等级:  IP68

　　两线制接线:    仪表供电和信号输出共用一根两芯导线

　　电缆入口:2个M20*1.5(电缆直径5----9mm)

　　雷达料位计的工作原理与分类

　　雷达料位计通过发射6-80GHz的微波信号并接收回波来测量物料高度，分为脉冲波（量程30m）和调频连续波FMCW（精度±1mm）两种。26GHz设备适用于大多数工况，80GHz高频型号可检测介电常数低至1.4的物料。某化工厂应用显示，80GHz雷达测量ε=1.8的塑料颗粒时，信号强度比26GHz型号提升20dB。最新相控阵技术实现电子波束偏转，能自动避开仓内障碍物，安装灵活性提高40%。

　　705型导波雷达液位变送器适用于对液体、浆料及颗粒料的物位进行非接触式连续测量，适用于温度、压力变化大；有惰性气体及挥发存在的场合。

　　采用微波脉冲的测量方法，并可在工业频率波段范围内正常工作。波束能量较低，可安装于各种金属、非金属容器或管道内，对人体及环境均无伤害。

　　产品简介:

　　D800系列雷达液位计

　　类 别

　　D801

　　D802

　　D803

　　应 用

　　过程条件简单，腐蚀性的液体、浆料、固体

　　比如:

　　水液储罐

　　酸碱储罐

　　浆料储罐

　　固体颗粒

　　小型储油罐

　　存储或过程容器腐蚀性的液体、浆料、固体

　　比如:

　　水液储罐

　　酸碱储罐

　　浆料储罐

　　固体颗粒

　　小型储油罐

　　适应各种存储容器或过程计量环境，液体、浆料、固体

　　比如:

　　原油、轻油储罐

　　原煤、粉煤仓位

　　挥发性液体储罐

　　焦碳料位

　　浆料储罐

　　固体颗粒

　　测 量 范 围

　　20米

　　20米

　　35米

　　过 程 连 接

　　螺纹

　　法兰

　　法兰

　　过 程 温 度

　　-40-130℃

　　-40-150℃

　　-40-250℃

　　过 程 压 力

　　-1.0-3bar

　　-1.0-20bar

　　-1.0-40bar

　　重 复 性

　　± 3mm

　　± 3mm

　　± 3mm

　　精 度

　　0.2s(根据具体使用情况而定)

　　电流信号:4…20mA

　　精度 :<0.1%

　　天线材质  D801、D802为PP/PTFE

　　D803 为316L不锈钢

　　通讯接口 HART通讯协议

　　过程连接 D801 (PP，PTFE天线) :G1-1/2 316L不锈钢，:

　　D802(棒式天线) :翻边法兰DN50，DN80，DN100，DN150

　　D803(喇叭口形式天线):法兰DN50，DN80，DN100，DN150，DN200，DN250

　　电源 电源:24V DC(+/-10%)，波纹电压:1Vpp

　　耗电量:max22.5mA

　　环境条件 温度:－40℃…＋80℃

　　容器压力（表压）－1…40bar

　　防爆认 ExiaII C T6

　　外壳保护等级 IP68

　　两线制接线 供电和信号输出共用一根两芯导线

　　电缆入口:2个M20×1.5（电缆直径5…9mm）

　　705型导波雷达液位变送器

　　智能雷达水位计基于时间测量的电磁波测距技术。传感器发射电磁波照射水面并接收其回波，由此获得水面至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。

　　智能雷达水位计，是工业测距雷达在水位测量领域的应用，实现了水位计向高精度（毫米级），大量程(35米)，高，安装简便，免维护的技术跨越。

　　智能雷达水位计通过标准信号接口，与计算机、PLC等连接，也可以与相应的显示、记录、控制装置（如RTU）连接，构成水位监测系统。

　　KQ-ZLDH雷达液位计工厂

　　一、前言

　　在形形的传感器大军中，液位计占有重要的，它是我们生产生活的保障。市面上出现的液位计有数十余种，目前企业常用的有浮筒液位计、浮球液位计、差压式液位计、导波雷达液位计等。

　　二、浮筒液位计

　　1、 工作原理 浮筒液位计由四个基本部分组成:浮筒、弹簧、磁钢室和指示器。浸在液体中的浮筒受到向下的重力，向上的浮力和弹簧弹力的复合作用。当这三个力达到平衡时，浮筒就静止在某一位置。当液位发生变化时，浮筒所受浮力相应改变，平衡状态被，从而引起弹力变化即弹簧的伸缩，以达到新的平衡。弹簧的伸缩使其与刚性连接的磁钢产生位移。这样，通过指示器内磁感应元件和传动装置使其指示出液位。

　　2、特点及适用场合

　　2.1现场指示、远传兼容；

　　2.2测量范围大，大可达3000mm；

　　2.3工作，良好的精度和灵敏度；

　　2.4耐高温、高压，耐腐蚀性能强；

　　2.5现场调试方便，易于检查和维护。由于它直观、稳定、性高、因而对连续生产的炼油、化工中的重要容器、设备，如塔类、贮罐中间容器等的液位测量都适用，但不适合高粘度介质液位的测量。

　　3、故障现象及处理

　　3.1高输出:检查过程变量是否超出范围；检查接线端子、针脚或插座；检查电源电压；电子线路组件故障。

　　3.2输出不稳定:检查线路电压；是否有间歇短路、开路或多点接地；电路板故障。

　　3.3无输出或低输出:检查线路电压；是否有短路或多点接地；检查信号线性；检查回路电阻；检查量程；电路板故障；赃物在浮筒内部堆积。

　　三、 浮球液位计

　　1、工作原理

　　浮球液位计结构主要是基于浮力和静磁场原理设计生产的。带有磁体的浮球在被测介质中的位置受浮力作用影响，液位的变化导致磁性浮子位置的变化。浮球中的磁体和传感器(磁簧开关)作用，使串连入电路的元件(如定值电阻)的数量发生变化，进而使仪表电路系统的电学量发生改变。也就是使磁性浮子位置的变化引起电学量的变化。通过测量电学量的变化来反映容器内液位的情况。

　　2、特点及适用场合

　　2.1结构简单、使用方便

　　2.2性能稳定、使用寿命长、便于安装维护 几乎可以适用于各种工业自动化过程控制中的液位测量和控制，可以广泛运用于石油加工、食品加工、化工、水处理、制、电力、造纸、冶金、船舶和锅炉等领域中的液位测量、控制与检测。

　　3、故障现象及处理

　　3.1现场变化，显示不随液位变化:检查转轴与变送器是否接触良好；检查电源电压；检查零点、量程；传感器故障；电路板故障。

　　3.2实际液位变化，现场不变化:外平衡杆与转轴脱开；重锤未调整好；内连接件松动脱落；球杆变形；浮球脱落；浮球破裂；介质汽化

　　四、差压式液位计

　　1 、工作原理

　　差压式液位汁是利用容器内液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的，如图1所示。差压变送器的一端接液相，另一端接气相时根据流体静力学原理，我们知道，变送器正压室受到的压力为:Pl=P气十ρgH。式中H:液位高度;ρ:介质密度;g:重力加速度;P气:气相压力。图1差压变送器测量液位计示意图 差压变送器负压室压力P2=P气，则正负压室的差压为:ΔP=P1-P2。通常，被测介质的密度是已知的。因此，测得差压值就能知道液位高度。

　　2、特点及适用场合

　　2.1可做到高密封、防泄漏

　　2.2高温、高压、高粘度、强腐蚀性条件下地测量液位

　　2.3全过程测量无盲区、显示醒目，读数直观，并且测量范围大 配上液位报警、控制开关，可实现液位或界位的上下限报警和控制。安装方便，容易实现远传和自动调节，工业上应用较多。为比较成熟的液位测量仪表，测量精度较高，维护量少。单法兰(单引压线)液位计一般用于敞口或常压容器，密闭带压设备应选用双法兰(双引压线)液位计。

　　3、故障现象及处理

　　3.1液位变化较大:介质波动大或汽化严重；上引压线或下引压线不畅通；介质有结晶；毛细管内传压介质跑损；膜盒损坏；伴热温度过高。

　　3.2显示不变化:切断阀未打开；引压线堵塞；量程、零点未调整好；膜盒处有杂物堆积；毛细管被挤压不通；电路板故障。

　　五、导波雷达液位计

　　1 工作原理

　　导波雷达液位计的基础是电磁波的时域反射原理，微波脉冲不是通过空间传播，而是通过金属导波杆传播，当遇到与液面的接触面时，由于波导体在气体和液体中的导电性能不同，使波导体的阻抗发生骤然变化，从而产生一个液位原始脉冲，同时在波导体顶部具有一个预先设定的阻抗，该阻抗产生一个的基本脉冲，雷达液位计检测到液面脉冲后与基本脉冲进行比较，从而计算出液面高度。

　　2、特点及适用场合

　　2.1测量不受罐体形状的影响

　　2.2不受介电常数、温度、压力和密度的影响

　　2.3不受物位表面波动、粉尘、蒸汽和泡沫的影响

　　2.4测量长度可以灵活变更，无须标定

　　2.5测量结果具有高精度、可重复性、高分辩率

　　2.6 适用的压力范围高达40bar 导波雷达液位计应用于水液储罐、酸碱储罐、浆料储罐、固体颗粒、小型储油罐。各类导电、非导电介质、腐蚀性介质。如煤仓、灰仓、油罐、酸罐等。

　　3、与普通雷达液位计的比较

　　3.1普通雷达为非接触式测量，导波雷达为接触式测量，这样就意味导波雷达更需考虑介质的腐蚀性和粘附性，而且过长的导波雷达安装和维护更加困难。普通雷达可以互换使用，而导波雷达由于导波杆(缆)长度根据原工况固定，一般不能互换使用，受此影响导波雷达的选型要比普通雷达麻烦。测量固体物料时，导波雷达还要考虑导波杆(缆)的受力情况，也是由于受力的原因一般用导波雷达的测量距离不会很长，而普通雷达在30、40m的罐体上应用比较常见，甚至可测到60m。另外一般的导波雷达还有底部探测功能，可以根据底部回波信号能测量值加以修正，使信号更为稳定准确。

　　3.2不过在一些工况导波雷达有明显的优势，如罐内有搅拌，介质波动大，这样的工况用底部固定的导波雷达测量值要比变通雷达稳定；还有小罐体内的物位测量，由于安装测量空间小(或罐内干扰物较多)，一般普通雷达不适用，这时导波雷达的优势就显现出来了；再有是低介电常数的工况，无论雷达还是导波雷达测量原理都是基于介质介电常数差别，由于普通雷达的发射的波是发散的，当介质介电常数过低时，信号太弱测量不稳定，而导波雷达波是沿导波杆传播信号相对稳定。

　　4、故障现象及处理

　　4.1液位、输出百分数与回路值波动:重新组态探头长度和偏差；依靠其他设备确认准确液位；调整阻尼系数；重新组态回路值。

　　4.2不论液位高低，输出为同一数值:确认探头长度；调整偏置值，已达到数值。

　　4.3无液位信号:检查介质介电常数；液位在顶部过渡区，组态时没有设置；线路板或16针连接器工作不正常；检查探头长度组态；可能有介质在探头上搭桥；介电常数选择不正确。4.4.4输出或大，或小，不:介质不纯，如油带水；介质或杂物在探头上搭桥；导波杆堵塞；有泡沫或粘稠物；探头顶部密封处有杂物

　　六、常用液位计的使用

　　1、安装使用及注意事项

　　1.1上、下法兰不能偏向受力；

　　1.2表体要垂直；

　　1.3各附件连接；

　　1.4要考虑到日后操作、观察、检修的方便；

　　1.5投用时一般先打开上切断阀，后开下切断阀；

　　1.6尽量避开震动较大部位。

　　2、液位计的选型原则

　　2.1考虑工况，如介质的性质、工作温度、工作压力、是密闭容器还是敞口容器等的要求。

　　2.2考虑工作要求，性、测量精度、测量范围等。

　　2.3经济性要求。综合考虑上述要求，选出合适的液位计。

　　结论 本文介绍了几种常用的液位计的工作原理、特点及适用场合、应用故障和排除、安装使用注意事项及选型原则。给读者在应用时做参考。

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