三門核電超聲波液位計(jì)跳變故障分析及解決

岳紅旭

（三門核電有限公司 維修處，浙江 臺(tái)州 317112）

0 引言

三門核電核島液體廢物系統(tǒng)（WLS）、核島固體廢物處理系統(tǒng)（WSS）中使用西門子超聲波液位計(jì)進(jìn)行液位測(cè)量[1]。在調(diào)試和生產(chǎn)過(guò)程中，西門子超聲波液位計(jì)在投運(yùn)后多次出現(xiàn)因跳變、失波、上電和掉電瞬間高漂觸發(fā)聯(lián)鎖控制，從而造成相關(guān)設(shè)備誤動(dòng)作，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文主要對(duì)造成三門核電超聲波液位計(jì)跳變故障的各方面原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決方案，消除故障，實(shí)現(xiàn)液位的可靠測(cè)量，并為后續(xù)超聲波跳變故障的處理提供借鑒。

1 超聲波液位計(jì)測(cè)量原理

超聲波液位計(jì)是基于超聲波在穿過(guò)不同介質(zhì)的分界面產(chǎn)生反射實(shí)現(xiàn)測(cè)量的[2]。如圖1所示，超聲波探頭垂直安裝于被測(cè)罐體上方，探頭發(fā)射超聲波，經(jīng)空氣介質(zhì)傳播至被測(cè)液面，在液面發(fā)生反射；反射波沿原路徑返回，被探頭接收。設(shè)被測(cè)罐體高度為H，液體液位為L(zhǎng)，探頭到液面距離為h，超聲波在空氣中傳播速度為C，超聲波發(fā)射到接收時(shí)間為△T，則有：

式（1）中，H、v、t可測(cè)得，即為已知量，那么罐體液位L可計(jì)算得到，達(dá)到測(cè)量目的。

圖1 超聲波液位計(jì)測(cè)量原理圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic liquid level meter measurement

圖2 立管長(zhǎng)度與銳度角示意圖Fig.2 Schematic diagram of riser length and sharpness angle

表1 核島系統(tǒng)部分儀表立管長(zhǎng)度與跳變情況統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of the length and jump of some instrument riser in nuclear island system

2 超聲波液位計(jì)故障分析

2.1 立管過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生虛假回波，引起儀表跳變

在三廢系統(tǒng)中，超聲波液位計(jì)安裝方式采用了立管安裝。但是由于立管過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致部分儀表在投用后出現(xiàn)跳變。

如圖2所示，設(shè)立管的半徑為d，超聲波探頭的銳度角為θ，那么立管的最大長(zhǎng)度L可表示為：

當(dāng)探頭與立管端面的夾角小于銳度角時(shí)，超聲波在立管內(nèi)產(chǎn)生反射；當(dāng)波的強(qiáng)度大小與液面反射波強(qiáng)度相等時(shí)，那么儀表在進(jìn)行回波選擇時(shí)，可能選擇到立管反射波或液面反射波，從而造成液位的跳變。

以監(jiān)測(cè)箱A液位變送器為例，儀表型號(hào)為西門子LUT400，儀表說(shuō)明書(shū)中波束角θ為12°[3]，儀表安裝立管半徑d為3.2cm，則根據(jù)式（2），得到立管允許最大長(zhǎng)度L=30.44cm。

通過(guò)上述方法計(jì)算出核島系統(tǒng)部分超聲波液位計(jì)立管最大允許長(zhǎng)度值，并將立管實(shí)際值與跳變情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。

由表1可以直觀得出結(jié)論，實(shí)際立管長(zhǎng)度超出立管允許最大長(zhǎng)度的超聲波液位計(jì)均由于立管過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生虛假回波，引起儀表跳變故障。

2.2 探頭安裝緊湊，彼此產(chǎn)生的高頻脈沖聲波互相干擾，引起儀表跳變

安全殼地坑液位使用3臺(tái)西門子LUT400型分體式超聲波液位計(jì)測(cè)量顯示地坑液位。由于地坑位置限制，3個(gè)探頭安裝緊湊，安全殼地坑液位變送器1和安全殼地坑液位變送器3探頭安裝法蘭位置低于安全殼地坑液位變送器2探頭，分布在其兩側(cè)。在熱試期間，3臺(tái)液位計(jì)均出現(xiàn)跳變現(xiàn)象。由于超聲波元件中的換能器產(chǎn)生的高頻脈沖聲波互相干擾，導(dǎo)致對(duì)某一元件而言，接收超聲波返波信號(hào)時(shí)會(huì)同時(shí)接收到其它兩臺(tái)液位計(jì)返回的高頻脈沖信號(hào)，從而導(dǎo)致液位計(jì)軟件算法在判斷真實(shí)回波的時(shí)候出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致液位跳變情況出現(xiàn)。

圖3 地坑液位計(jì)回音曲線圖Fig.3 Echo graph of ground pit liquid level meter

以安全殼地坑液位變送器2為例，使用診斷軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超聲波回音曲線。充排水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在安全殼地坑液位較低時(shí)，回音曲線質(zhì)量較好，液位返波清晰，幅值較大。隨著液位逐漸上升，在真實(shí)液位返波下方逐漸開(kāi)始出現(xiàn)虛假返波。整個(gè)地坑沖水過(guò)程中，如圖3所示，隨著液位上升，真實(shí)回波的質(zhì)量在變差，信號(hào)強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，然而兩個(gè)虛假回波的信號(hào)質(zhì)量卻在不斷增強(qiáng)。此時(shí)，智能液位計(jì)算法認(rèn)定的有效液面返波開(kāi)始在真實(shí)液位返波和虛假返波之間不斷切換，從而導(dǎo)致液位跳變故障的產(chǎn)生。

2.3 安裝過(guò)緊，儀表與立管產(chǎn)生共振，換能器無(wú)法發(fā)射和接收超聲波，引起儀表跳變

在儀表立管安裝過(guò)程中，儀表安裝不能太緊，這是由于前文所述換能器產(chǎn)生和接收超聲波的性能決定的。當(dāng)安裝過(guò)緊，儀表與立管產(chǎn)生共振，換能器無(wú)法發(fā)射和接收超聲波，導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量。以反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱RCDT液位為例，安裝立管較細(xì)，超聲波元件無(wú)法插入立管，安裝調(diào)試期間經(jīng)打磨立管口后可勉強(qiáng)插入。

在熱試期間，反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱RCDT液位多次發(fā)生跳變。液位計(jì)故障診斷過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲波元件自由懸空，不緊固安裝法蘭螺栓時(shí)，超聲波的回音曲線質(zhì)量較好，且無(wú)跳變。在緊固固定螺栓后，超聲波基波信號(hào)變差，回音曲線也變差，液位發(fā)生跳變。在實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，確認(rèn)探頭受擠壓的情況下復(fù)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)的故障。

2.4 控制器內(nèi)部電路設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致上電或斷電瞬間儀表跳變

西門子超聲波液位計(jì)由于控制器內(nèi)部電路設(shè)計(jì)缺陷，儀表會(huì)在掉電瞬間出現(xiàn)高漂，聯(lián)鎖觸發(fā)設(shè)備誤動(dòng)作，增加了系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 閥門輸入控制邏輯圖Fig.4 Valve input control logic diagram

圖5 液位與閥門動(dòng)作趨勢(shì)圖Fig.5 Liquid level and valve action trend diagram

以輔助廠房地坑液位變送器為例，運(yùn)行人員在執(zhí)行ECS-EK-13電源切換至分列運(yùn)行期間，EK-13母線失電時(shí)，儀表失去220VAC電源。主控發(fā)現(xiàn)壓空管網(wǎng)壓力下降，檢查發(fā)現(xiàn)WRS兩臺(tái)地坑泵啟動(dòng)。

氣動(dòng)閥V007A/B和其相連氣動(dòng)隔膜泵MP01A/B有兩種運(yùn)行模式：初始模式和備用模式，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，一列運(yùn)行，另一列備用。初始模式下，操作員通過(guò)交替選擇一列，確保兩列泵的運(yùn)行時(shí)間相等。如圖4所示，如果進(jìn)水時(shí)的液位變化率高于設(shè)定值，自動(dòng)觸發(fā)兩臺(tái)泵啟動(dòng)。當(dāng)高液位信號(hào)時(shí)，閥門選擇在初始模式下打開(kāi)。如果液位繼續(xù)上升，高2液位信號(hào)觸發(fā)備用閥門，啟動(dòng)備用泵（高2設(shè)定點(diǎn)，兩臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行），該信號(hào)優(yōu)先于PLS手動(dòng)控制。低液位信號(hào)會(huì)關(guān)閉兩臺(tái)閥門，停泵，該信號(hào)優(yōu)先于PLS手動(dòng)控制和液位高變化率控制。

利用Trend查看液位變送器在EK-13母線失電期間即儀表掉電瞬間出現(xiàn)高漂，觸發(fā)了AUT2和EMG2命令，氣動(dòng)閥V007A/B打開(kāi)，導(dǎo)致氣動(dòng)隔膜泵MP01A/B啟動(dòng)。

3 超聲波液位計(jì)改進(jìn)

3.1 降低立管長(zhǎng)度

對(duì)于立管過(guò)長(zhǎng)的儀表，雖在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)軟件等技術(shù)手段對(duì)立管產(chǎn)生的干擾波進(jìn)行過(guò)濾，使得立管長(zhǎng)度往往比理論計(jì)算值大。但是，這并未降低儀表跳變的風(fēng)險(xiǎn)。為了使儀表能夠可靠測(cè)量，應(yīng)嚴(yán)格遵循銳度角要求。

對(duì)于現(xiàn)階段立管無(wú)法滿足測(cè)量的情況，即儀表無(wú)法正常顯示的情況，應(yīng)降低立管高度，或增加立管管徑。就現(xiàn)場(chǎng)使用條件，降低立管高度可行性較大。監(jiān)測(cè)箱A液位變送器在應(yīng)用中立管較長(zhǎng)，導(dǎo)致儀表無(wú)法測(cè)量，進(jìn)行立管切割后，儀表測(cè)量正常。

對(duì)于現(xiàn)階段儀表能夠正常測(cè)量，但是存在立管過(guò)長(zhǎng)的情況，應(yīng)監(jiān)測(cè)儀表使用情況，如存在無(wú)法滿足的情況下，需降低立管長(zhǎng)度。

3.2 軟件識(shí)別算法和回波抑制

使用診斷軟件，更改控制器識(shí)別算法和回波抑制消除跳變故障。從安全殼地坑充排水試驗(yàn)結(jié)果分析，回音曲線中真實(shí)液位返波隨著液位上升，信號(hào)幅值降低，質(zhì)量變差，在一定液位時(shí)信號(hào)質(zhì)量會(huì)低于虛假返波的質(zhì)量，導(dǎo)致智能識(shí)別算法選擇虛假返波作為真實(shí)液面的返波。但是在整個(gè)過(guò)程中，真實(shí)波始終位于虛假返波之前。因此，可改變超聲波液位計(jì)的識(shí)別算法，從第一個(gè)且信號(hào)最強(qiáng)的波（blf，best of first and largest echo）更改為第一個(gè)真實(shí)波（tf，true first echo）。從而使得識(shí)別算法始終選擇第一個(gè)脈沖聲波返波作為真實(shí)液位的返波信號(hào)，杜絕因虛假干擾返波的存在導(dǎo)致識(shí)別算法在真假返波選擇切換。使用tf識(shí)別算法，盡量避免在真實(shí)液面返波前方出現(xiàn)虛假回波干擾，如果真實(shí)返波前方出現(xiàn)了虛假回波，會(huì)導(dǎo)致超聲波液位計(jì)頻繁出現(xiàn)高漂的現(xiàn)象。因此，在更改識(shí)別算法之外，需適當(dāng)提高回波抑制曲線的增益（hover level），盡量濾除真實(shí)返波前方的假波，同時(shí)又能使得在整個(gè)液位量程中，真實(shí)返波可以超出抑制曲線，被算法識(shí)別。

3.3 降低探頭緊度

三門核電現(xiàn)場(chǎng)安裝的西門子超聲波液位計(jì)使用的是ST-H系列元件探頭，該系列元件適用于無(wú)壓工況，并不適用于密閉承壓容器。在承壓容器中使用該元件，可能會(huì)導(dǎo)致液位測(cè)量不準(zhǔn)。因此，首先要考慮儀表所處系統(tǒng)正常運(yùn)行工況是否為帶壓環(huán)境；其次，儀表安裝后應(yīng)對(duì)儀表探頭進(jìn)行檢查，探頭不能安裝過(guò)緊，可以手?jǐn)Q緊即可，防止探頭與立管產(chǎn)生共振，影響超聲波的發(fā)射和接收。根據(jù)探頭所處系統(tǒng)工況，降低探頭緊度，防止探頭承壓有如下處理方案：

1）在無(wú)壓工況下，可以保持立管，在安裝法蘭間加裝墊片，并對(duì)墊片稍微打磨，讓墊片的內(nèi)徑稍微大于探頭，這樣也可以保證探頭不被擠壓過(guò)緊。

圖6 上電和掉電趨勢(shì)圖Fig.6 Power-on and power-down trend charts

表2 西門子超聲波液位計(jì)聯(lián)鎖控制清單Table 2 Siemens Ultrasonic liquid level meter interlocking control list

表3 上電和掉電情況Table 3 Power-on and power-down

2）在無(wú)壓工況下，切掉立管，并對(duì)安裝口進(jìn)行打磨，使口子稍微大于探頭，這樣探頭就不會(huì)擠壓過(guò)緊，采用此方案需要修改變送器量程。

3）在有壓工況下，ST-H系列元件探頭不適用。建議更換選型適用于有壓工況，保證密封性和測(cè)量準(zhǔn)確性。

3.4 修改控制邏輯

1#機(jī)組19臺(tái)西門子超聲波液位計(jì)中有12臺(tái)用于聯(lián)鎖控制，整理清單見(jiàn)表2。

為驗(yàn)證西門子超聲波液位計(jì)是否都存在掉電瞬間高漂以及上電漂表現(xiàn)象，在儀控實(shí)驗(yàn)室做如下實(shí)驗(yàn)，使用兩組探頭和一臺(tái)變送器組合并采用8861高速記錄儀記錄趨勢(shì)，采樣頻率為10Hz。每組探頭在不同的輸出電流值開(kāi)始掉電到上電，兩組分別試驗(yàn)2次，高速記錄儀記錄趨勢(shì)圖如圖6所示。

上電及掉電持續(xù)時(shí)間情況見(jiàn)表3。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，西門子超聲波液位計(jì)上電及掉電都存在瞬間高漂現(xiàn)象。上電后，儀表輸出最大電流值約23mA，且高漂持續(xù)時(shí)間在0.6s左右；掉電后，儀表輸出最大電流值約24mA，整個(gè)高漂持續(xù)時(shí)間大約在1.5s左右。將該情況反饋廠家，美國(guó)工廠實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證后與驗(yàn)證結(jié)果一致，并反饋短期內(nèi)無(wú)法解決內(nèi)部電路設(shè)計(jì)問(wèn)題。

建議通過(guò)修改控制邏輯方式，解決上電及掉電高漂聯(lián)鎖觸發(fā)設(shè)備誤動(dòng)作問(wèn)題。可以通過(guò)增加“前延時(shí)”算

法、“點(diǎn)質(zhì)量判斷”算法和“非”算法等組合邏輯濾掉設(shè)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的虛假波，使虛假信號(hào)不觸發(fā)。以輔助廠房地坑液位變送器為例，如圖7所示的控制邏輯圖中，儀表輸出點(diǎn)質(zhì)量為壞點(diǎn)時(shí)，經(jīng)過(guò)取“非”邏輯后虛假信號(hào)不會(huì)觸發(fā)。儀表上電及掉電高漂輸出質(zhì)量為好點(diǎn)時(shí)，前延時(shí)模塊1邏輯輸出為“1”，而前延時(shí)模塊3邏輯輸出“0”。因此，“與”邏輯輸出仍為“0”，不會(huì)觸發(fā)AUT1信號(hào)。

圖7 修改后的閥門輸入邏輯圖Fig.7 Modified valve Input logic diagram

圖8 時(shí)序圖Fig.8 Timing diagram

儀表上電和掉電高漂輸出質(zhì)量為好點(diǎn)時(shí)，高選邏輯輸出為“1”，前延時(shí)模塊2/3/4/5/6邏輯輸出都為0。因此，“與”邏輯都輸出為“0”，不會(huì)觸發(fā)AUT2和EMG2信號(hào)。

前延時(shí)模塊1設(shè)定時(shí)間：儀表自啟動(dòng)時(shí)間為5s左右，此時(shí)儀表輸出為4mA，在PLS中顯示為好點(diǎn)，但也為虛假信號(hào)，如圖8所示，延時(shí)時(shí)間必須大于儀表自啟動(dòng)時(shí)間，否則虛假信號(hào)仍會(huì)觸發(fā)；延時(shí)時(shí)間不能過(guò)大，否則會(huì)影響真實(shí)液位信號(hào)觸發(fā)的響應(yīng)時(shí)間，按照保守決策原則，建議時(shí)間為6s。

前延時(shí)模塊2設(shè)定時(shí)間：需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)更改邏輯后進(jìn)行驗(yàn)證，初步建議時(shí)間為16s，即延時(shí)時(shí)間2等于5倍的液位變化率時(shí)間常數(shù)加上儀表自啟動(dòng)時(shí)間。

前延時(shí)模塊3/4/5/6設(shè)定時(shí)間：根據(jù)前文所述，高漂持續(xù)時(shí)間大約在1.5s左右，延時(shí)時(shí)間3必須大于高漂持續(xù)時(shí)間，否則虛假信號(hào)仍會(huì)觸發(fā)；延時(shí)時(shí)間不能過(guò)大，否則會(huì)影響真實(shí)液位信號(hào)觸發(fā)的響應(yīng)時(shí)間，按照保守決策原則，建議延時(shí)時(shí)間3設(shè)為2s。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)三門核電1#機(jī)組核島使用的西門子超聲波液位計(jì)出現(xiàn)液位跳變故障，從原理出發(fā)，分析得到引起故障的原因，針對(duì)不同原因一一提供解決方案，從而降低西門子超聲波液位計(jì)故障率，消除相關(guān)聯(lián)鎖設(shè)備誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)需重新更換設(shè)備型號(hào)，節(jié)約了資金。不僅為操作員提供了可靠的電廠系統(tǒng)參數(shù)，提高了系統(tǒng)的安全性，也為后續(xù)出現(xiàn)類似故障提供可參考經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。