导波雷达高压加热器水位测控解析

曹皓

（中国能源建设集团湖南火电建设有限公司湖南长沙410000）

导波雷达高压加热器水位测控解析

曹皓

（中国能源建设集团湖南火电建设有限公司湖南长沙410000）

高压加热器水位的精准测量是实现最优水位控制策略的前提，本文从导波雷达水位计的测量原理出发，对水位回波的判别处理方法进行优化，为更加精确可靠测量高加水位提供了有益的思路。

高压加热器；水位测控；导波雷达；信号回波

引言

火电厂很多设备都需保持正常液位才能确保机组安全、经济运行，如加热器就必须对水位进行精准的测控，才能为远程监控提供准确的信号，并在水位超高时迅速切断进入加热器的汽源，防止疏水进入汽轮机。近年来新投产的大型火电厂多采用导波雷达水位计进行高加水位测量。

与传统差压式水位测量装置相比，导波雷达水位计不仅安装更为简便、测量更为精准，投用维护也更为迅速灵活。它利用电磁波的时域反射原理实现时间差的测量：探头发出高频脉冲沿探杆传播，遇水位面反射，反射脉冲沿探杆传递到接收器，微处理器识别出其中的水位回波，将时间信号转化为水位信号。与水位面距离D和脉冲时间行程T成正比：D=C×T/2，C为光速。水位：L=E-D，E为空容器高度。

1 概况

某600MW火力发电超临界机组配备三台高压加热器，每台高加采用三套导波雷达水位测量仪，所测信号三取二用于显示、调控；保护采用四台液位开关分别对应L、H、HH、HHH四个液位值：L（H）值时，发“水位低（高）”信号报警，并调整疏水门开度；HH值时开启危急疏水阀，水位恢复至正常范围后关闭；水位达到HHH值时，高加解列，给水进入大旁路。

2 高加水位测控

2.1 设定正常运行水位线

理论上应尽可能使高加维持在正常水位运行，以减小端差，保证锅炉效率。如高加正常运行水位设为0水位，若发生波动，水位会非常接近保护动作值，导致高加解列。所以为保证机组稳定运行，高加运行水位设定值常会略低于0水位，但不能低于最低允许水位值，否则会导致疏水端差急剧上升。

找出下端差与水位变化之间的规律：在机组负荷不变的前提下逐步调整高加水位，每次变化10mm，稳定后，查看下端差数值。从试验取得的数据看：提升水位可明显降低下端差。高加在-10mm水位运行时端差达10℃以上，在0水位运行时在7℃以内；随水位设定值的升高，高加水位呈现波动变大的趋势，严重时可达HHH值，有解列的可能。将高加控制在-5mm水位线运行，下端差可控制在8℃以内，水位波动也较为平缓。

2.2 水位测控

机组工况变动时高加水位会大幅波动，对机组安全经济运行影响很大：高水位运行会淹没换热管，降低换热效率，导致本级抽汽量偏离最优抽汽分配；水位低则会使疏水温度升高，部分蒸汽进入下一级加热器，排挤下一级抽汽。实际运行中高加往往因闪蒸现象、疏水门控制滞后及水位测量失准等原因造成水位突变。

（1）闪蒸现象大多由系统原因引起，在此不作讨论。

（2）高加正常运行时疏水调节阀能自动维持高加水位稳定，水位波动剧烈时，疏水调节阀动作会滞后。采用双回路调节系统消除静态偏差：将测量、阀门反馈信号和定值信号相比，产生的比差信号经带有比例积分调节的标准脉冲算法运算后，输出脉冲信号调节被调量。并将阀门反馈信号经微分算法处理后加入到PI算法中来消除动态变差。为防止高加因短时虚高水位致保护误动，将水位HHH值跳高加延时2～3s动作。

（3）导波雷达水位测量仪的电磁波传播速度极快，高分辨时间量的检测是准确测量的关键。除存在测量盲区，还因导波雷达水位计对水位回波的辨别失误，致使水位测量异常跳变和失真。水位信号中包含多种反射回波，如水位、结构、干扰回波和噪声波等，首先要从中正确识别出水位回波，再对水位回波进行有效的滤波和处理、消除误差，方能实现准确测量。

3 信号处理

导波雷达水位测量虽然较传统差压式水位测量有一定优势，但存在容器顶部盲区和底部盲区。两盲区间为有效测量距离。常用水位回波判别方法多以空罐回波为参考曲线，不仅盲区大、测量精度低，且抗干扰性差、易误判。

无须空罐回波作为参考曲线的判别方法：利用回波多个特征参数构造判断条件来提高回波识别的可靠性；利用移动平均滤波、回波定位点插值、限幅及中位值滤波等方法综合处理回波信号，提高测量精度。

3.1 回波识别

因导波雷达水位计的回波信号包含各类杂波，传统以回波最大点幅值最大的判别方法不能准确识别出水位回波。通过对各类回波的特性参数进行数据对比，得到水位回波的统计特性：除盲区附近，水位回波幅值较大；水位回波宽度较小；水位回波下降比较大。可知，宽度较小、最大点幅值越大和变化率越大的回波为水位回波的可能性越大。

结构回波干扰的位置、大小、形状几乎不变，且水位回波总位于其后，可通过设置回波查询范围，限制下降比、宽度等条件来排除；二次或多次回波、宽度较大的噪声干扰波，可采用综合多个特征参数计算置信度的方法予以排除：小介电常数介质反射回波能量低，波形幅值大、变化率小、宽度大；盲区回波信号幅值小；噪声波的变化率、宽度、下降比至少有一个参数会很小。综合这些特征，可将水位回波从各类杂波种正确识别出来。

3.2 为提高测量精度，将移动平均滤波预处理、回波定位点插值、限幅及

中位值滤波结合起来用于信号处理。

3.2.1 移动平均滤波预处理

9点移动平均滤波计算的传播时间样本方差最小，且可改善波形。导波雷达的回波信号无明显频域特征，移动平均滤波可滤除高频噪声，但会导致最大点处幅值降低。滤波窗口宽度如果选择过小，会影响噪声滤除效果，选择过大则又会出现信号失真，故选择比半峰宽略小的宽度作为滤波窗宽。

3.2.2 回波定位点插值

由于回波在不同水位下波形各异，故需在回波上选择最合适的特征点（起点、峰值点等）对回波进行时间定位以计算电磁波传播时间。

液位计算时间起点的选择以计算所得传播时间波动最小为准则。为保证每次计算起点一致，选择脉冲下降沿与其中间直线段交点，用线性插值法计算出该点对应的值作为发射时间。因水位回波具有一定宽度，有最大点、上升沿和下降沿，因此要准确定位回波，应选择幅度相对稳定，随距离变化敏感的位置（通常为最大点）。对该点进行二阶拉格朗日插值，可得回波接收时间。结果表明：如此计算传播时间的标准差更小、精度更高。

3.2.3 计算值滤波

采用限幅滤波和中位值平均滤波可处理掉计算值中的随机误差：前者通过限制传播时间计算值波动幅度来排除随机干扰导致的错误计算结果，后者滤除测量过程中的奇异值。

3.3 回波信号处理步骤

（1）对信号进行移动平均滤波预处理；

（2）设置回波查找范围，查找回波特征点（起点、最大点、终点）；

（3）根据特征点，计算回波的宽度、变化率、下降比，与预设值进行比较，排除不符回波；

（4）对满足预设条件的回波计算置信度，置信度最大的回波为水位回波；

（5）用线性插值、二阶拉格朗日插值确定发射、接收时间点，计算传播时间；

（6）对传播时间值进行限幅和中位值平均滤波；

（7）将传播时间值换算成水位值。

3.4 效果

应用上述方法对导波雷达水位测量进行标定验证，在大中小三种放大增益下分别进行测量，对测量值进行统计分析，结论：未出现测量值大幅跳变的情况；测量精度较高，误差在1cm以内；可有效测量接近盲区的水位信号。

4 结束语

采用导波雷达水位测量仪对高加水位进行测量比传统方法的安装、操作、维护都更为简便，新水位回波综合判别处理方法能突破导波雷达水位测量的理论精度极限，能保证高加水位测控的准确高效，也保证了机组的安全经济的运行。

[1]陈国清.电厂常见液位测量方式的分析.科学时代，2014.

[2]魏萌，等.基于特征参数识别的导波雷达物位计信号处理方法.电子测量与仪器学报，2015.

TM621.2

A

1004-7344（2016）30-0276-02

2016-10-9