利用雷達(dá)提高工廠水庫(kù)水位的液位測(cè)量

安裝一個(gè)利用雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量水庫(kù)水位的新監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯著提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
大壩后面水庫(kù)水位的測(cè)量一直存在問題，因?yàn)?002年開始運(yùn)行的水力發(fā)電廠開始運(yùn)行。在這個(gè)名為 Carlos Ermirio de Moraes的工廠，使用到2011年的水位測(cè)量系統(tǒng)包括在內(nèi)。潛水式耐壓靜液壓探頭：水庫(kù)水位，上游水位，垃圾箱后的發(fā)電機(jī)組和尾水位。儲(chǔ)存器中殘留物（主要是木質(zhì)）的不斷累積干擾了測(cè)量并導(dǎo)致誤差和持續(xù)的校正干預(yù)，例如移除探頭進(jìn)行清潔，重置傳感器定位或更換探頭。為糾正這一持續(xù)存在的問題，2011年安裝了雷達(dá)液位變送器。

了解大壩的情況
該設(shè)施位于巴西Piratuba（Santa Catarina）和Maximiliano de Almeida（Rio Grande do Sul）之間的烏拉圭河上。該工廠由Consorcio 擁有，由Tractebel Energia SA運(yùn)營(yíng)，包含三臺(tái)380 MW渦輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為1,140 MW。該項(xiàng)目于2002年投入使用，通過中央控制室操作的數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行控制。

液位測(cè)量系統(tǒng)是該工廠首批投入運(yùn)行的系統(tǒng)之一，使該水庫(kù)能夠在2018年8月28日完工。

需要進(jìn)行液位監(jiān)測(cè)，以便項(xiàng)目業(yè)主能夠測(cè)量尾水，進(jìn)水和水庫(kù)水位，以及確定覆蓋三個(gè)水輪機(jī)進(jìn)水口的垃圾架的水力損失，特別是由木材堆積引起的水力損失。正確的測(cè)量是非常寶貴的，因?yàn)樾枰�它們來檢測(cè)垃圾桶上累積的廢物量。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的廢物積累水平時(shí)，向控制中心發(fā)送警報(bào)，以便操作員可以減少調(diào)度到發(fā)電單元的功率，減少流量并減少水頭損失，直到控制中心的警報(bào)關(guān)閉。操作員還可以將裝置轉(zhuǎn)換為同步補(bǔ)償模式，這使得被困在垃圾箱中的廢物漂浮掉。較后的行動(dòng)是使用巨爪技術(shù)去除木材。

原始液位測(cè)量系統(tǒng)使用由巴西Hytronic制造的潛水耐壓靜液壓探頭作為主傳感器。這種傳感器經(jīng)常用于巴西的水電站。

然而，出現(xiàn)了幾個(gè)問題，較關(guān)鍵的問題是在計(jì)算垃圾箱的水頭損失時(shí)不準(zhǔn)確。這些機(jī)架放置在每個(gè)單元的壓力鋼管入口處，防止固體材料（例如樹枝和木質(zhì)樹干）通過渦輪機(jī)。通過這些材料可能會(huì)導(dǎo)致渦輪機(jī)和導(dǎo)葉門損壞，維修成本高，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)時(shí)間過長(zhǎng)。

木材和其他廢料在垃圾箱上的連續(xù)堆積導(dǎo)致部分或完全阻塞，這增加了機(jī)架上的壓力并導(dǎo)致更大的水頭損失。通過比較水庫(kù)水位與每個(gè)單元的垃圾桶水平來計(jì)算水頭損失。這兩次測(cè)量之間的高度差減去對(duì)應(yīng)于動(dòng)態(tài)壓力的部分，表明水頭損失。

定義問題
垃圾架表面積聚的廢物越多，這里的水頭損失就越大。在，根據(jù)垃圾箱的設(shè)計(jì)，允許的水頭損失較大值為3.5 mca（水柱中的米）。一旦超過此限制，垃圾桶就會(huì)遭受結(jié)構(gòu)損壞，甚至可能被拉入壓力水管。

為了防止水頭損失，必須減少垃圾架和水庫(kù)之間的水柱，這只能通過降低發(fā)電機(jī)組的電力需求來實(shí)現(xiàn)。這種情況導(dǎo)致可用液壓資源的利用率低于較佳。

運(yùn)營(yíng)和維護(hù)團(tuán)隊(duì)評(píng)估了這種情況，以確定為什么現(xiàn)有系統(tǒng)的測(cè)量水頭損失值不一致。為了找到這一點(diǎn)，維護(hù)團(tuán)隊(duì)必須執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，包括用卷尺確定儲(chǔ)層中的水平差異和每個(gè)單元的廢棄軌道的水平。將這些測(cè)量值與控制室中顯示的值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤。

他們確定了幾個(gè)條件提供了不正確的信息，包括通過泥漿浸漬的水平變化和水質(zhì)。但是，確定由于壓降導(dǎo)致的儲(chǔ)層中的變化水平是測(cè)量誤差的主要因素，并且由此產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)干預(yù)的需要。

此外，水質(zhì)進(jìn)一步惡化了測(cè)量誤差，因?yàn)閼腋≡谒�中的泥漿阻塞了潛水探針中進(jìn)行壓力測(cè)量的孔。安裝潛水探針的結(jié)構(gòu)也經(jīng)常被木材阻擋，這通過產(chǎn)生水平變化來改變水柱的水平。

開發(fā)解決方案
由于缺乏系統(tǒng)可靠性和不斷需要的糾正干預(yù)措施可能會(huì)根據(jù)水庫(kù)的情況而變化，在較糟糕的情況下每周發(fā)生不止一次，Consorcio 進(jìn)行了可用于水平測(cè)量的替代技術(shù)的研究。鑒于現(xiàn)有系統(tǒng)失敗的歷史，解決方案的要求之一是不需要與水直接接觸的技術(shù)。

超聲波，雷達(dá)和制導(dǎo)雷達(dá)選項(xiàng)都被考慮在內(nèi)。超聲波傳感器似乎不可行，因?yàn)榇蠖鄶?shù)可用選項(xiàng)不具備此應(yīng)用所需的范圍（40米），并且已知外部溫度會(huì)干擾超聲波信號(hào)，從而影響測(cè)量精度。

為了在使用導(dǎo)向雷達(dá)系統(tǒng)，必須安裝一個(gè)波導(dǎo)，它是一個(gè)將傳感器連接到水位的金屬導(dǎo)向裝置。此外，本指南將與水持續(xù)接觸，這是運(yùn)營(yíng)商希望避免的一個(gè)因素。

鑒于這些方法的局限性，雷達(dá)液位計(jì)被選為滿足項(xiàng)目需求的較合適的測(cè)量選擇。雷達(dá)物位發(fā)射器根據(jù)微波輻射原理操作：通過傳播電磁波。儀器接收從被測(cè)環(huán)境表面反射的一部分能量。從信號(hào)傳播的時(shí)間是波的反射距離，定義為從雷達(dá)液位計(jì)到水面的距離。

輸出是一個(gè)miliampere信號(hào)，它給出了從傳感器到水面的距離。在使用的控制系統(tǒng)中，我們配置較低可能水平（距離雷達(dá)的較大距離）和較高可能水平（距離雷達(dá)的較小距離）。

例如，尾部比賽中的較低水平（與海平面或零米相比）為372.90米。雷達(dá)液位計(jì)顯示傳感器與水面之間的距離為40米。

我們用較大水平做同樣的事情，即397.15米。由于尾部水平不能增加到此，傳感器安裝棚設(shè)置在較大水平。有了這些信息，從雷達(dá)到地面水平的距離（米）可以在右側(cè)的棚中翻譯。

因?yàn)檫@些波不會(huì)機(jī)械傳播，所以它們不受溫度變化的影響。此外，雷達(dá)液位計(jì)允許在很寬的距離范圍內(nèi)應(yīng)用，達(dá)到50米以上。

重大成果
在每個(gè)單元垃圾架，上游傳感器和尾水位傳感器之后安裝的靜液壓傳感器被新的雷達(dá)發(fā)射器取代。需要進(jìn)行許多基礎(chǔ)設(shè)施改進(jìn)以允許安裝新傳感器。根據(jù)操作要求，雷達(dá)發(fā)射器必須安裝在距離任何墻壁至少60厘米處，以避免干擾雷達(dá)波束。

總共安裝了五個(gè)雷達(dá)發(fā)射器：一個(gè)用于測(cè)量尾水平，另一個(gè)用于測(cè)量水庫(kù)水位，另一個(gè)用于測(cè)量通過垃圾箱的水平。我們用了一個(gè)星期的時(shí)間準(zhǔn)備民用和支援結(jié)構(gòu)，然后一天下午開始配置雷達(dá)發(fā)射機(jī)。這些單元沒有脫機(jī)安裝。

雷達(dá)發(fā)射機(jī)測(cè)量系統(tǒng)已在運(yùn)行了兩年。在此期間，工廠操作員觀察到測(cè)量精度和可靠性的顯著提高。靜壓傳感器的刻度準(zhǔn)確率為±0.25％，分辨率為0.015％; 新系統(tǒng)提供了±0.01％的滿量程精度和0.003％的分辨率的顯著增益。

這種改進(jìn)為工廠的運(yùn)營(yíng)增加了巨大的價(jià)值，因?yàn)樗鼮槊總�(gè)單元提供了精確可靠的信息，并防止了不必要的發(fā)電資源浪費(fèi)。新系統(tǒng)也對(duì)工廠的維護(hù)計(jì)劃產(chǎn)生了積極影響。在改進(jìn)之前，260小時(shí)專門用于五年內(nèi)的糾正性維護(hù)和系統(tǒng)調(diào)整。一旦采用該系統(tǒng)，糾正干預(yù)措施就會(huì)降至零。