0 前言
液位测量是核电站自动控制系统中的重要组成部分。AP1000核电站用于液位测量的仪表有四种：差压液位计、雷达液位计、超声波液位计、浮子液位计。不同的液位计有各自的优缺点，针对不同的测量环境、测量介质以及经济上的考虑，应选择合适的液位计。超声波液位计基于其工作原理，在安装过程中需要特别注意不能使其探头部不能收到挤压。在AP1000核电站的建造过程中，有过液位计选型不当以及安装不当的案例。这边文章结合案例分析和工作原理分析来给后续的核电站建设提供经验反馈。
1 液位测量原理
液位计所测的工艺介质有着复杂多变的特点，熟悉了解所要测量的工艺介质特点对于液位计的选型是很重要的前提工作。
1.1 液位测量的工艺特点
（1）通常情况下，液面是一个规则的表面。但当物料流进、流出时会有波动，或者在生产过程中出现沸腾、起泡等现象时也会发生明显波动。
（2）大型容器中常会出现液体各处温度、密度或黏度等物理量不均匀的现象。
（3）容器中常会有高温、高压，或液体黏度很大、或含有大量杂志悬浮物等。
1.2 四种液位计的特点介绍
1.2.1 差压式液位计测量原理
差压液位计计属于接触式的过程测量仪表，主要用于密闭有压容器的液位测量，通过测量由被测液体的液位高度而产生的静压力来测定液体液位（同样是P=ρgH原理）。将压力变送器中的扩散硅等压敏检测元件和变换信号用的电子装置集成封装。当把液位变送器的传感器投入液体介质中时，传感器把液位的静压转换为电压信号，电压信号经过放大后转换成4-20mA标准信号输出 。液面下取压口中心高度的静压与其液位高度成正比：P=ρgH
其中：ρ——液体密度；g——重力加速度；H——液体高度；P——液面相对取压口产生的势能压力（变送器输入压力）。 如图1所示。
图1 差压液位计
1.2.2 磁浮子液位计测量原理
磁浮子液位计适用于高温高压、强酸强碱等运行环境，具有结构简单、可靠耐用的特点。其变送器包括传感器和变送器两部分。仪表传感器部分由干簧链组件、测量管、磁浮子等部件组成。干簧链组件包含一系列串联的精密电阻和与每个电阻相连的磁力驱动的常开干簧管，将电阻和干簧管组装在密封管内即称为干簧链组件，再将其固定于测量管外部。浮子置于测量管内，它随液位的变化上下移动。测量管垂直安装，干簧链组件内的每个电阻值对应于一定的液位高度，当浮子移动到相应的高度时，磁浮子所产生的磁力通过测量管管壁驱动管壁外对应的干簧管接通。对应于水位深度的总电阻值通过液面高度对应的干黄管开关的闭合作用被引出，并作为变送器的输入信号，再经仪表变送器转换成规范的电流信号输出。以二线制4-20mA或三线制4-20mA输出液位测量信号。该仪表属于液位开关式的步式测量，经转换后变为连续输出信号。如图2所示。
图2 磁浮子液位计
1.2.3 超声波液位测量原理
超声波液位计是利用超声波在液面处反射原理进行液位高度检测，即应用回波测距原理工作的，可以做到非接触测量。如下图，当超声波探头向液面发射超声波脉冲时，经过一定时间后，探头接收到从液面反射回来的回声脉冲。只需知道声速和容器高度，即可计算得出容器中的液位高度。H =L - C×Δt/2 其中：C——超声
波在空气中传播速度；Δt——超声脉冲来回传播时间；H——被测物位；L ——超声波传感器辐射面至零位（罐底）的距离。如图3所示。
图3 超声波液位计
不同的超声波频率适用于不同量程的超声波液位计。一般规律是量程越小，超声波频率越高；量程越大，超声波频率越低。这是因为超声波的能量在发射和返回经过的介质中会被大大地衰减，低频长波的能量相对较大，能传播更长的空间。但超声波能量太强，被测液面会产生大量空化气泡，导致能量消耗，反而会降低返回波的能量，影响测量精度，所以应根据测量范围的大小选择合适的发射频率和能量。
1.2.3 雷达液位计测量原理
雷达液位计也属于非接触式过程测量仪表，结构上分为两类：天线式和导波式。天线式是用天线来发射与接收微波，微波在自由空间传播，在被测液面上反射；导波式是以金属导波体插入被测物料，微波沿金属导波体传播，在被测液面上反射。AP1000采用的雷达液位计均属于导波式雷达液位计。导波式雷达液位计是接触式测量方式，仪表传感部分是一个金属导波体(杆式或柔性缆式)，安装时从测量罐的顶部伸入，直达罐底。导波式雷达液位计采用微波的时域反射技术，测量时微波脉冲沿着导波体向下传播，在碰到液面时，由于被测液体介电常数与空气不同，就会产生反射，回波被接收。根据微波脉冲的行程时间可以测出液位。导波式雷达液位计的探头(导波体)在结构上可以分为三种类型：同轴式、单杆式（金属杆或柔性金属缆）和缆式（金属杆或柔性金属缆）。如图4所示。
图4 导波式雷达液位计
2 液位计的选型及经验反馈
超声波液位计和雷达液位计均属于非接触式过程测量仪表，但有各自的优缺点。
2.1 超声波液位计的优缺点
超声波架构下的液位计，便于安装及维修。但是超声波带有不断更替的特性，各时段的声波储存、曲线解析，耗时偏长，因此，不适宜安设在液位变更速率偏快的环境。此外，超声波液位计不适宜高温高压、蒸汽弥散的雾状空间、夹带着粉尘的空间。
泡沫是声波反射不充分的表面，会吸收一部分或是全部的声波脉冲能量，减少或是完全消除回波信号。因此，在被测液体存在泡沫的场合，不能使用。
2.2 雷达液位计的优缺点
雷达液位计和超声波液位计都是利用回波测距原理的仪表。但雷达液位计利用电磁波作为能量波，由于电磁波传播不依赖介质，所以雷达液位计受到环境特有的干扰偏小，这是其主要优势。可以适应高温高压、蒸汽弥散的雾状空间、夹带着粉尘的空间，可以使用在工况变化较大的场合。
电磁波以光速传播，使得雷达液位计测量更灵敏，刷新速度更快。此外，雷达液位计的精度一般要高于超声波。
2.3 选型不当的经验反馈
AP1000核电站在调试阶段，发现安装在反应堆冷却剂疏水箱（RCDT）和脱气塔分离器上的超声波液位计WLS-JE-LT002，WLS-JE-LT021发生多次液位跳变，偶发的突然跳变导致连锁的阀门误动作。
原因分析：稳压器向放射性废液系统向RCDT排气时，由相关压力测量仪表显示得知RCDT压力瞬间上涨至2.36Mpa，说明虽然管线较长，但用时较短，可以认为排气过程是绝热过程。查询水和蒸汽性质表， 221℃（冷却剂工作温度）， 2．36MPa 对应的比熵6．27KJ /( kg·℃) ，比焓2801 KJ /kg，取RCDT背压0．1-0．14MPa，假设排气过程可逆，且排气过程稳定，查询水和蒸汽性质表，根据等熵过程计算得出，排向RCDT介质对应的温度在99-109℃，介质处于湿蒸汽区，即RCDT此时含有蒸汽，容易在探头表面产生凝结水，导致WLS-JE-LT002超声波液位计测量不准确和跳变。将超声波液位计更换为雷达式液位计，补充热态功能测试期间，相同工况下，执行排气操作，液位计显示正常，无波动。
执行脱气塔真空泵启动命令时，真空泵启动，排气瞬间造成了脱气塔分离器上部气相密度骤增影响了波的传播速度，同时排气的初始阶段液位出现剧烈跳动，是由于排气瞬间，分离器气体密度不均匀，超声波出现折射失波现象。更换为雷达液位计后，在真空泵启动过程和正常脱气过程均未出现波动。
除了冷凝水、蒸汽以及空气压力影响外，如果液位波动大，罐内结构复杂，也会对超声波液位计的正常运行造成影响。
AP1000后续项目在设计上已根据此经验反馈将CCS-JE-LT130A/B,CCS-JE-LT131A/B，PXS-JE-LT052/055，WLS-JE-LT002/021，PCS-JE-LT037，CVS-JE-LT109由超声波液位计更换为雷达液位计。
3 液位计的安装及经验反馈
AP1000核电站在调试阶段发现WLS-LT320仪表无法正确显示废液罐液位，厂家人员到场后在拆卸仪表过程中发现一次元件需要用力才能从接口法兰短管取出。如图5所示。取出后发现该一次元件在安装过程中受挤压而损坏。经测量废液罐的法兰口和短管内侧直径52.4 MM，小于该一次元件的根部直径（52.78）MM。根据超声波液位计震动发波工作原理，如果短管尺寸过于接近甚至小于一次元件内径，即便一次元件没有损坏，也会因为被短管箍紧，无法发出超声波或超声波很弱,从而影响测量。通过排除，WLS-JE-LE111A/B，WLS-JE-lE200A/B也有类似问题。
图5 现场安装示意图
通过液位计的规格书查询可知，仪表WLS-JE-LE111A/B，WLS-JE-LE200A/B，WLS-JE-LE320需要与2寸ASME B16.5 150级法兰连接。
根据ASME B16.5 CL150能与仪表连接的法兰仅有Socket Weld 和Weld Neck两种类型法兰。现场MT3L和MT3N罐体上法兰为SW型。如图6所示。
（a）Socket welding
（a）承插焊
（b）welding neck
（b）对焊
图6 仪表法兰连接方式
此两种2寸法兰内侧直径均为52.5mm，而仪表探头实测的结果为：一次元件根部直径为52.2~52.7mm，与法兰内径接近，这造成安装时仪表被挤压在法兰内。
现场通过将WLS废液罐接口法兰及连接管内壁打磨1mm，使得仪表WLS-LE320正常插入接口法兰。但这种方法不是根本的解决方案，后续项目中设计根据此经验反馈对液位计的尺寸和罐体上的接口法兰直径在设计文件进行了统一。
4 结语
本文阐述了超声波液位计和雷达液位的工作原理分析和各自的优缺点分析。通过分析两个选型失败案例论述了核电站在这两者液位计选型上应该注意的地方；通过分析一个液位计安装方面的案例，结合其工作原理，论述了在安装过程中应该注意的问题，并讨论了如果在设计源头上消除此类问题措施。为后续AP1000项目在关于雷达液位计和超声波液位计的设计及施工提供有益的参考。
参考文献：
[1] 《工业化自动仪表与系统手册》 中国电力出版社.
[2] 核电站中液位仪表的选型，廖圣勇.
[3] HG 20615-97, 钢制管法兰型式、参数.
作者简介：温声耀(1982-04)，男，上海市，中级工程师，本科，现从事核电站设计管理工作