利用雷達提高工廠水庫水位的液位測量

安裝一個利用雷達液位計測量水庫水位的新監測系統顯著提高了測量的準確性。
大壩后面水庫水位的測量一直存在問題，因為2002年開始運行的水力發電廠開始運行。在這個名為 Carlos Ermirio de Moraes的工廠，使用到2011年的水位測量系統包括在內。潛水式耐壓靜液壓探頭：水庫水位，上游水位，垃圾箱后的發電機組和尾水位。儲存器中殘留物（主要是木質）的不斷累積干擾了測量并導致誤差和持續的校正干預，例如移除探頭進行清潔，重置傳感器定位或更換探頭。為糾正這一持續存在的問題，2011年安裝了雷達液位變送器。

了解大壩的情況
該設施位于巴西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運營，包含三臺380 MW渦輪發電機組，總裝機容量為1,140 MW。該項目于2002年投入使用，通過中央控制室操作的數字系統進行控制。

液位測量系統是該工廠首批投入運行的系統之一，使該水庫能夠在2018年8月28日完工。

需要進行液位監測，以便項目業主能夠測量尾水，進水和水庫水位，以及確定覆蓋三個水輪機進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。正確的測量是非常寶貴的，因為需要它們來檢測垃圾桶上累積的廢物量。當達到預設的廢物積累水平時，向控制中心發送警報，以便操作員可以減少調度到發電單元的功率，減少流量并減少水頭損失，直到控制中心的警報關閉。操作員還可以將裝置轉換為同步補償模式，這使得被困在垃圾箱中的廢物漂浮掉。較后的行動是使用巨爪技術去除木材。

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

然而，出現了幾個問題，較關鍵的問題是在計算垃圾箱的水頭損失時不準確。這些機架放置在每個單元的壓力鋼管入口處，防止固體材料（例如樹枝和木質樹干）通過渦輪機。通過這些材料可能會導致渦輪機和導葉門損壞，維修成本高，導致設備停機時間過長。

木材和其他廢料在垃圾箱上的連續堆積導致部分或完全阻塞，這增加了機架上的壓力并導致更大的水頭損失。通過比較水庫水位與每個單元的垃圾桶水平來計算水頭損失。這兩次測量之間的高度差減去對應于動態壓力的部分，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，根據垃圾箱的設計，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，垃圾桶就會遭受結構損壞，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之間的水柱，這只能通過降低發電機組的電力需求來實現。這種情況導致可用液壓資源的利用率低于較佳。

運營和維護團隊評估了這種情況，以確定為什么現有系統的測量水頭損失值不一致。為了找到這一點，維護團隊必須執行一個簡單的程序，包括用卷尺確定儲層中的水平差異和每個單元的廢棄軌道的水平。將這些測量值與控制室中顯示的值進行比較，發現了錯誤。

他們確定了幾個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。但是，確定由于壓降導致的儲層中的變化水平是測量誤差的主要因素，并且由此產生對系統干預的需要。

此外，水質進一步惡化了測量誤差，因為懸浮在水中的泥漿阻塞了潛水探針中進行壓力測量的孔。安裝潛水探針的結構也經常被木材阻擋，這通過產生水平變化來改變水柱的水平。

開發解決方案
由于缺乏系統可靠性和不斷需要的糾正干預措施可能會根據水庫的情況而變化，在較糟糕的情況下每周發生不止一次，Consorcio 進行了可用于水平測量的替代技術的研究。鑒于現有系統失敗的歷史，解決方案的要求之一是不需要與水直接接觸的技術。

超聲波，雷達和制導雷達選項都被考慮在內。超聲波傳感器似乎不可行，因為大多數可用選項不具備此應用所需的范圍（40米），并且已知外部溫度會干擾超聲波信號，從而影響測量精度。

為了在使用導向雷達系統，必須安裝一個波導，它是一個將傳感器連接到水位的金屬導向裝置。此外，本指南將與水持續接觸，這是運營商希望避免的一個因素。

鑒于這些方法的局限性，雷達液位計被選為滿足項目需求的較合適的測量選擇。雷達物位發射器根據微波輻射原理操作：通過傳播電磁波。儀器接收從被測環境表面反射的一部分能量。從信號傳播的時間是波的反射距離，定義為從雷達液位計到水面的距離。

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

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。雷達液位計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，傳感器安裝棚設置在較大水平。有了這些信息，從雷達到地面水平的距離（米）可以在右側的棚中翻譯。

因為這些波不會機械傳播，所以它們不受溫度變化的影響。此外，雷達液位計允許在很寬的距離范圍內應用，達到50米以上。

重大成果
在每個單元垃圾架，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發射器取代。需要進行許多基礎設施改進以允許安裝新傳感器。根據操作要求，雷達發射器必須安裝在距離任何墻壁至少60厘米處，以避免干擾雷達波束。

總共安裝了五個雷達發射器：一個用于測量尾水平，另一個用于測量水庫水位，另一個用于測量通過垃圾箱的水平。我們用了一個星期的時間準備民用和支援結構，然后一天下午開始配置雷達發射機。這些單元沒有脫機安裝。

雷達發射機測量系統已在運行了兩年。在此期間，工廠操作員觀察到測量精度和可靠性的顯著提高。靜壓傳感器的刻度準確率為±0.25％，分辨率為0.015％; 新系統提供了±0.01％的滿量程精度和0.003％的分辨率的顯著增益。

這種改進為工廠的運營增加了巨大的價值，因為它為每個單元提供了精確可靠的信息，并防止了不必要的發電資源浪費。新系統也對工廠的維護計劃產生了積極影響。在改進之前，260小時專門用于五年內的糾正性維護和系統調整。一旦采用該系統，糾正干預措施就會降至零。