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)”兩項基本原則，并在重點任務(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)供電情況下對液位和溫度測量的供電。

1 液位計選型

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、電接點式、熱效應(yīng)式、非接觸式等多種原理型式。然而對于核電站已經(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，因此對于壓差式、電接點式、熱效應(yīng)式等接觸式液位計，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超聲波及雷達(dá)液位計得到廣泛應(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間來確定液體的液位。超聲波是機(jī)械波，因聲波要靠振動發(fā)聲，環(huán)境壓力大時發(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）超聲波液位計精度不如雷達(dá)。

2）超聲波液位計不能應(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）不會影響被測物體的測量范圍和精度；

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

2 測量原理

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

2.1 脈沖—時域

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

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)相對導(dǎo)磁率；εr：相對介電常數(shù)，其中可由式（5）計算εr

式中：

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

θ：液位計所處環(huán)境溫度。K；

p：液位計所處環(huán)境壓力，絕對壓力，kPa；

pN：常壓，為絕對壓力，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，利用雷達(dá)液位計測量液位，需要根據(jù)使用現(xiàn)場的壓力、溫度等參數(shù)對雷達(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級的高頻信號。雷達(dá)信號被液體表面反射后，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)射頻率隨時間線性增加，增加的斜率為k，當(dāng)遇到液面發(fā)生反射時，反射回來的信號比發(fā)射信號滯后了一定時間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，由此可計算天線到反射面的距離。

3 適用性評價

運(yùn)行核電廠的乏燃料水池在正常情況下，由于儲存有乏燃料時，水位均保持在安全高度狀態(tài)，同時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采取相應(yīng)措施，乏池中水位必須進(jìn)行實時監(jiān)測。

乏燃料儲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安裝平臺，其上安裝雷達(dá)液位計以實現(xiàn)對乏池的水位測量。

乏池液位在19.3m時為其液位低報警，正常運(yùn)行期間提示正常補(bǔ)水；19.55m時液位高報警，停止所有補(bǔ)水操作。因此其液位高度固定，處于室內(nèi)，也不會出現(xiàn)由于風(fēng)吹而產(chǎn)生液位波動的情況，因此基本不會出現(xiàn)由于液位大幅增加、而產(chǎn)生雷達(dá)波發(fā)射到接收的時間大幅變短、從而引起計時困難的情形，即利用脈沖-時間法測量精度不會產(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時獲知乏池的液位信息，故需將液位計的探測部分（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上，并保證天線正下方無干擾物，而將液位計的電子部分（電源和信號）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控制），根據(jù)《改進(jìn)行動要求》，液位計電源需設(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，具有功耗低、易實現(xiàn)且安全可靠等優(yōu)點。

4 提高液位計可靠性的措施

基于雷達(dá)液位計的距離測量原理，現(xiàn)場安裝使用時，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的位置[4]。

4）為避免出現(xiàn)虛假信號，雷達(dá)液位計的安裝位置應(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)液位計應(yīng)設(shè)置好接地保護(hù)和瞬間過電壓保護(hù)，安裝時應(yīng)做雷擊保護(hù)[3]。

7）根據(jù)《改進(jìn)行動要求》，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，則液位計所處的環(huán)境會成為高溫高濕的環(huán)境，因此液位計的現(xiàn)場接線端子一定要密封等級較高，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)液位計安裝示意圖Fig.3 Radar level gauge installation schematic diagram

雖然液位計的類型較多，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)液位計具有非接觸測量優(yōu)勢，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)行動通用技術(shù)要求(試行)[R].2012:20-21.

[2]陳桂華.SAAB雷達(dá)液位計在液化石油氣儲罐上的應(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)液位計損壞的原因及防范對策[J].石油化工自動化,2011,47(5):72-73.

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