導(dǎo)波雷達(dá)高壓加熱器水位測(cè)控解析

曹皓

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南火電建設(shè)有限公司湖南長(zhǎng)沙410000）

導(dǎo)波雷達(dá)高壓加熱器水位測(cè)控解析

曹皓

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南火電建設(shè)有限公司湖南長(zhǎng)沙410000）

高壓加熱器水位的精準(zhǔn)測(cè)量是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)水位控制策略的前提，本文從導(dǎo)波雷達(dá)水位計(jì)的測(cè)量原理出發(fā)，對(duì)水位回波的判別處理方法進(jìn)行優(yōu)化，為更加精確可靠測(cè)量高加水位提供了有益的思路。

高壓加熱器；水位測(cè)控；導(dǎo)波雷達(dá)；信號(hào)回波

引言

火電廠很多設(shè)備都需保持正常液位才能確保機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，如加熱器就必須對(duì)水位進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)控，才能為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供準(zhǔn)確的信號(hào)，并在水位超高時(shí)迅速切斷進(jìn)入加熱器的汽源，防止疏水進(jìn)入汽輪機(jī)。近年來(lái)新投產(chǎn)的大型火電廠多采用導(dǎo)波雷達(dá)水位計(jì)進(jìn)行高加水位測(cè)量。

與傳統(tǒng)差壓式水位測(cè)量裝置相比，導(dǎo)波雷達(dá)水位計(jì)不僅安裝更為簡(jiǎn)便、測(cè)量更為精準(zhǔn)，投用維護(hù)也更為迅速靈活。它利用電磁波的時(shí)域反射原理實(shí)現(xiàn)時(shí)間差的測(cè)量：探頭發(fā)出高頻脈沖沿探桿傳播，遇水位面反射，反射脈沖沿探桿傳遞到接收器，微處理器識(shí)別出其中的水位回波，將時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)化為水位信號(hào)。與水位面距離D和脈沖時(shí)間行程T成正比：D=C×T/2，C為光速。水位：L=E-D，E為空容器高度。

1 概況

某600MW火力發(fā)電超臨界機(jī)組配備三臺(tái)高壓加熱器，每臺(tái)高加采用三套導(dǎo)波雷達(dá)水位測(cè)量?jī)x，所測(cè)信號(hào)三取二用于顯示、調(diào)控；保護(hù)采用四臺(tái)液位開(kāi)關(guān)分別對(duì)應(yīng)L、H、HH、HHH四個(gè)液位值：L（H）值時(shí)，發(fā)“水位低（高）”信號(hào)報(bào)警，并調(diào)整疏水門(mén)開(kāi)度；HH值時(shí)開(kāi)啟危急疏水閥，水位恢復(fù)至正常范圍后關(guān)閉；水位達(dá)到HHH值時(shí)，高加解列，給水進(jìn)入大旁路。

2 高加水位測(cè)控

2.1 設(shè)定正常運(yùn)行水位線

理論上應(yīng)盡可能使高加維持在正常水位運(yùn)行，以減小端差，保證鍋爐效率。如高加正常運(yùn)行水位設(shè)為0水位，若發(fā)生波動(dòng)，水位會(huì)非常接近保護(hù)動(dòng)作值，導(dǎo)致高加解列。所以為保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，高加運(yùn)行水位設(shè)定值常會(huì)略低于0水位，但不能低于最低允許水位值，否則會(huì)導(dǎo)致疏水端差急劇上升。

找出下端差與水位變化之間的規(guī)律：在機(jī)組負(fù)荷不變的前提下逐步調(diào)整高加水位，每次變化10mm，穩(wěn)定后，查看下端差數(shù)值。從試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)看：提升水位可明顯降低下端差。高加在-10mm水位運(yùn)行時(shí)端差達(dá)10℃以上，在0水位運(yùn)行時(shí)在7℃以內(nèi)；隨水位設(shè)定值的升高，高加水位呈現(xiàn)波動(dòng)變大的趨勢(shì)，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)HHH值，有解列的可能。將高加控制在-5mm水位線運(yùn)行，下端差可控制在8℃以內(nèi)，水位波動(dòng)也較為平緩。

2.2 水位測(cè)控

機(jī)組工況變動(dòng)時(shí)高加水位會(huì)大幅波動(dòng)，對(duì)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響很大：高水位運(yùn)行會(huì)淹沒(méi)換熱管，降低換熱效率，導(dǎo)致本級(jí)抽汽量偏離最優(yōu)抽汽分配；水位低則會(huì)使疏水溫度升高，部分蒸汽進(jìn)入下一級(jí)加熱器，排擠下一級(jí)抽汽。實(shí)際運(yùn)行中高加往往因閃蒸現(xiàn)象、疏水門(mén)控制滯后及水位測(cè)量失準(zhǔn)等原因造成水位突變。

（1）閃蒸現(xiàn)象大多由系統(tǒng)原因引起，在此不作討論。

（2）高加正常運(yùn)行時(shí)疏水調(diào)節(jié)閥能自動(dòng)維持高加水位穩(wěn)定，水位波動(dòng)劇烈時(shí)，疏水調(diào)節(jié)閥動(dòng)作會(huì)滯后。采用雙回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)消除靜態(tài)偏差：將測(cè)量、閥門(mén)反饋信號(hào)和定值信號(hào)相比，產(chǎn)生的比差信號(hào)經(jīng)帶有比例積分調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖算法運(yùn)算后，輸出脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)被調(diào)量。并將閥門(mén)反饋信號(hào)經(jīng)微分算法處理后加入到PI算法中來(lái)消除動(dòng)態(tài)變差。為防止高加因短時(shí)虛高水位致保護(hù)誤動(dòng)，將水位HHH值跳高加延時(shí)2～3s動(dòng)作。

（3）導(dǎo)波雷達(dá)水位測(cè)量?jī)x的電磁波傳播速度極快，高分辨時(shí)間量的檢測(cè)是準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵。除存在測(cè)量盲區(qū)，還因?qū)Рɡ走_(dá)水位計(jì)對(duì)水位回波的辨別失誤，致使水位測(cè)量異常跳變和失真。水位信號(hào)中包含多種反射回波，如水位、結(jié)構(gòu)、干擾回波和噪聲波等，首先要從中正確識(shí)別出水位回波，再對(duì)水位回波進(jìn)行有效的濾波和處理、消除誤差，方能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。

3 信號(hào)處理

導(dǎo)波雷達(dá)水位測(cè)量雖然較傳統(tǒng)差壓式水位測(cè)量有一定優(yōu)勢(shì)，但存在容器頂部盲區(qū)和底部盲區(qū)。兩盲區(qū)間為有效測(cè)量距離。常用水位回波判別方法多以空罐回波為參考曲線，不僅盲區(qū)大、測(cè)量精度低，且抗干擾性差、易誤判。

無(wú)須空罐回波作為參考曲線的判別方法：利用回波多個(gè)特征參數(shù)構(gòu)造判斷條件來(lái)提高回波識(shí)別的可靠性；利用移動(dòng)平均濾波、回波定位點(diǎn)插值、限幅及中位值濾波等方法綜合處理回波信號(hào)，提高測(cè)量精度。

3.1 回波識(shí)別

因?qū)Рɡ走_(dá)水位計(jì)的回波信號(hào)包含各類雜波，傳統(tǒng)以回波最大點(diǎn)幅值最大的判別方法不能準(zhǔn)確識(shí)別出水位回波。通過(guò)對(duì)各類回波的特性參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，得到水位回波的統(tǒng)計(jì)特性：除盲區(qū)附近，水位回波幅值較大；水位回波寬度較小；水位回波下降比較大?？芍?，寬度較小、最大點(diǎn)幅值越大和變化率越大的回波為水位回波的可能性越大。

結(jié)構(gòu)回波干擾的位置、大小、形狀幾乎不變，且水位回波總位于其后，可通過(guò)設(shè)置回波查詢范圍，限制下降比、寬度等條件來(lái)排除；二次或多次回波、寬度較大的噪聲干擾波，可采用綜合多個(gè)特征參數(shù)計(jì)算置信度的方法予以排除：小介電常數(shù)介質(zhì)反射回波能量低，波形幅值大、變化率小、寬度大；盲區(qū)回波信號(hào)幅值??；噪聲波的變化率、寬度、下降比至少有一個(gè)參數(shù)會(huì)很小。綜合這些特征，可將水位回波從各類雜波種正確識(shí)別出來(lái)。

3.2 為提高測(cè)量精度，將移動(dòng)平均濾波預(yù)處理、回波定位點(diǎn)插值、限幅及

中位值濾波結(jié)合起來(lái)用于信號(hào)處理。

3.2.1 移動(dòng)平均濾波預(yù)處理

9點(diǎn)移動(dòng)平均濾波計(jì)算的傳播時(shí)間樣本方差最小，且可改善波形。導(dǎo)波雷達(dá)的回波信號(hào)無(wú)明顯頻域特征，移動(dòng)平均濾波可濾除高頻噪聲，但會(huì)導(dǎo)致最大點(diǎn)處幅值降低。濾波窗口寬度如果選擇過(guò)小，會(huì)影響噪聲濾除效果，選擇過(guò)大則又會(huì)出現(xiàn)信號(hào)失真，故選擇比半峰寬略小的寬度作為濾波窗寬。

3.2.2 回波定位點(diǎn)插值

由于回波在不同水位下波形各異，故需在回波上選擇最合適的特征點(diǎn)（起點(diǎn)、峰值點(diǎn)等）對(duì)回波進(jìn)行時(shí)間定位以計(jì)算電磁波傳播時(shí)間。

液位計(jì)算時(shí)間起點(diǎn)的選擇以計(jì)算所得傳播時(shí)間波動(dòng)最小為準(zhǔn)則。為保證每次計(jì)算起點(diǎn)一致，選擇脈沖下降沿與其中間直線段交點(diǎn)，用線性插值法計(jì)算出該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值作為發(fā)射時(shí)間。因水位回波具有一定寬度，有最大點(diǎn)、上升沿和下降沿，因此要準(zhǔn)確定位回波，應(yīng)選擇幅度相對(duì)穩(wěn)定，隨距離變化敏感的位置（通常為最大點(diǎn)）。對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行二階拉格朗日插值，可得回波接收時(shí)間。結(jié)果表明：如此計(jì)算傳播時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差更小、精度更高。

3.2.3 計(jì)算值濾波

采用限幅濾波和中位值平均濾波可處理掉計(jì)算值中的隨機(jī)誤差：前者通過(guò)限制傳播時(shí)間計(jì)算值波動(dòng)幅度來(lái)排除隨機(jī)干擾導(dǎo)致的錯(cuò)誤計(jì)算結(jié)果，后者濾除測(cè)量過(guò)程中的奇異值。

3.3 回波信號(hào)處理步驟

（1）對(duì)信號(hào)進(jìn)行移動(dòng)平均濾波預(yù)處理；

（2）設(shè)置回波查找范圍，查找回波特征點(diǎn)（起點(diǎn)、最大點(diǎn)、終點(diǎn)）；

（3）根據(jù)特征點(diǎn)，計(jì)算回波的寬度、變化率、下降比，與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，排除不符回波；

（4）對(duì)滿足預(yù)設(shè)條件的回波計(jì)算置信度，置信度最大的回波為水位回波；

（5）用線性插值、二階拉格朗日插值確定發(fā)射、接收時(shí)間點(diǎn)，計(jì)算傳播時(shí)間；

（6）對(duì)傳播時(shí)間值進(jìn)行限幅和中位值平均濾波；

（7）將傳播時(shí)間值換算成水位值。

3.4 效果

應(yīng)用上述方法對(duì)導(dǎo)波雷達(dá)水位測(cè)量進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)證，在大中小三種放大增益下分別進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)論：未出現(xiàn)測(cè)量值大幅跳變的情況；測(cè)量精度較高，誤差在1cm以內(nèi)；可有效測(cè)量接近盲區(qū)的水位信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用導(dǎo)波雷達(dá)水位測(cè)量?jī)x對(duì)高加水位進(jìn)行測(cè)量比傳統(tǒng)方法的安裝、操作、維護(hù)都更為簡(jiǎn)便，新水位回波綜合判別處理方法能突破導(dǎo)波雷達(dá)水位測(cè)量的理論精度極限，能保證高加水位測(cè)控的準(zhǔn)確高效，也保證了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

[1]陳國(guó)清.電廠常見(jiàn)液位測(cè)量方式的分析.科學(xué)時(shí)代，2014.

[2]魏萌，等.基于特征參數(shù)識(shí)別的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)信號(hào)處理方法.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2015.

TM621.2

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1004-7344（2016）30-0276-02

2016-10-9