高溫、高壓型導(dǎo)波雷達液位儀表的故障分析原因分析與改進

賀治國

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350315)

二回路液位控制是核電廠重要的控制系統(tǒng)之一，其測量環(huán)境較為苛刻。傳統(tǒng)液位儀表因其固有原理，且無法通過自身技術(shù)的改進來消除誤差。

導(dǎo)波雷達是一種新興的液位儀表，它克服了傳統(tǒng)儀表原理上的不足，在核電廠應(yīng)用業(yè)績逐漸增多。其中在溫度、壓力不高的工況中應(yīng)用成熟。在高溫、高壓飽和蒸汽工況中使用業(yè)績也逐漸增多，但在實踐應(yīng)用中，蒸汽型儀表還存在一些因儀表設(shè)備設(shè)計與工程設(shè)計原因引起的重復(fù)性問題，該類問題不以更換新表而消失。

本文分析了上述問題，并重點分析了原因未明、同行首次出現(xiàn)的測量值周期性漂移問題，該問題嚴重影響到福清核電某機組的穩(wěn)定運行，并且同行電廠后續(xù)也發(fā)現(xiàn)了同樣問題。對此，本文通過理論計算、實踐驗證等措施，找出問題原因和成因，并開展了針對性改進，應(yīng)用效果良好。

1 二回路液位測量工況及儀表應(yīng)用效果

核電廠二回路容器液位測量需要經(jīng)歷下述一種或者幾種工況：負壓工況、高溫、高壓飽和蒸汽額定功率工況及功率變化工況。

核電廠啟動后至低功率運行階段，二回路各疏水容器處在負壓或微負壓環(huán)境中。這是源于二回路需要進行排氣、沖洗、水質(zhì)凈化等工藝作業(yè)，且此時容器壓力尚未建立，受凝汽器真空的影響處于負壓狀態(tài)或微負壓狀態(tài)。隨著機組功率提升，汽輪機的飽和抽汽在容器中建立了穩(wěn)定壓力，容器處在高溫、高壓的飽和蒸汽環(huán)境中。當機組功率變化或者甩負荷時，各容器蒸汽溫度、壓力都會相應(yīng)變化。由于測量環(huán)境比較苛刻，這給儀表的全工況準確測量帶來了挑戰(zhàn)。

目前用于核電廠二回路液位控制的測量儀表主要有差壓式液位計、浮筒液位計和導(dǎo)波雷達液位計。按照儀表原理與實際應(yīng)用效果，其特征分析如下。

1)差壓式液位計不能實現(xiàn)全工況準確測量。

2)浮筒液位計不能實現(xiàn)全工況準確測量，維修量大。

3)導(dǎo)波雷達采用TDR原理技術(shù)，具有測量精度高、不受真空和負壓影響、不受液體密度影響，不需要校驗、維修工作量少的特點，且蒸汽型導(dǎo)波雷達具有補償功能，原理上能夠?qū)C組全工況進行精確測量，完全克服了差壓式、浮筒式等液位測量儀表的缺點，成為二回路氣液兩相液位測量的應(yīng)用主流。

2 儀表測量值周期性漂移問題

2.1 問題描述

福清核電高加導(dǎo)波雷達液位測量采用測量筒外置式安裝方式，機組在升功率后長期穩(wěn)定運行中，出現(xiàn)了測量失效的情況，具體表現(xiàn)為：

1)儀表趨勢為鋸齒波形，變化幅度大。如圖1所示，爬升幅度最高為180 mm，超出技術(shù)規(guī)格書要求為±8 mm，也超過高加解列值(138 mm)；

圖1 福清核電某機組高加液位典型故障特征波形Fig.1 Typical fault characteristic waveform of a unit in Fuqing Nuclear Power

2)測量失效具有周期性，6～12 h為一個周期；

3)測量失效具有普遍性，高加所有液位計陸續(xù)出現(xiàn)了此問題。

兩列高加同時具有解列風(fēng)險，機組存在降功率和停堆風(fēng)險。

2.2 原因分析

問題周期性地出現(xiàn)在穩(wěn)定工況下，排除了工況干擾和蒸汽滲漏的可能；通過更換其他批次產(chǎn)品驗證，排除了批次原因。通過對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)和信息進行診斷，結(jié)果表明儀表信號處理單元、蒸汽補償參數(shù)設(shè)置、儀表工作溫度、安裝問題等方面均無異常。

經(jīng)分析，認為故障由蒸汽補償變化引起。在機組滿功率穩(wěn)定運行情況下，對故障儀表進行了連續(xù)波形采集，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)同一塊儀表在一個時間周期內(nèi)，蒸汽補償量與儀表測量值之間的變化趨勢一致，確定問題由蒸汽補償量周期變化導(dǎo)致。

圖2 蒸汽補償量與儀表測量值變化趨勢圖Fig.2 Trend chont of steam compensation and meter measurement

3 補償量問題的理論分析與驗證

基于對補償量問題分析和處理的復(fù)雜性，本文建立導(dǎo)波雷達電氣模型進行理論分析，并結(jié)合儀表應(yīng)用環(huán)境、儀表結(jié)構(gòu)、采集故障波形，找出引起補償量變化的原因，并經(jīng)試驗驗證正確，給出問題結(jié)論。

3.1 導(dǎo)波雷達電氣建模

導(dǎo)波雷達電磁脈沖采用同軸傳輸結(jié)構(gòu)。由于頻率高，在同軸線上已經(jīng)具有明顯的波動效應(yīng)。利用電磁波傳輸?shù)拈L線理論，將導(dǎo)波雷達的同軸傳輸線劃分為很多極小微分段，如圖3所示，每個微分段的分布參數(shù)等效為由電阻L、電容C、電感L和電導(dǎo)G等元件組成的Γ型網(wǎng)絡(luò)。由于電阻Y和電感L的存在，信號在沿傳輸線傳播時會發(fā)生金屬損耗效應(yīng)，對信號傳輸起著消耗、阻隔的作用；橫截方向有電容和電導(dǎo)并聯(lián)，對信號傳輸起著分流、短路的作用，電導(dǎo)G也會介質(zhì)損耗效應(yīng)，導(dǎo)致信號傳輸衰減。

圖3 均勻傳輸線等效示意圖Fig.3 The equivalent schematic of uniform transmission line

(1)特性阻抗Z0

信號沿傳輸線傳播時，均勻傳輸線上任何一點的電壓和電流的關(guān)系稱為特性阻抗Z0。Z0的大小由給定長線的橫向尺寸和周圍所填介質(zhì)的特性所決定，與信號源及負載無關(guān)。同軸線的特性阻抗為：

(1)

式中：εγ為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；D為同軸外套管的內(nèi)徑；d為波導(dǎo)直徑。

(2)波速度

電磁波在電纜中的波速度與電纜的絕緣介質(zhì)有關(guān)，而與導(dǎo)體芯線的材料與截面積無關(guān)，只要絕緣介質(zhì)相同，其波速度基本不變。波速表達式為：

(2)

式中：c為光在真空中的傳播速度，3.0×108m/s。

3.2 補償問題原因分析

補償實質(zhì)是對電磁波速的動態(tài)補償。根據(jù)公式(2)可知，波速由氣相介質(zhì)的介電常數(shù)決定。氣相只有蒸汽和蒸汽冷凝的水兩個動態(tài)干擾因素會對波速產(chǎn)生周期性的影響。通過計算不同工況下(壓力、溫度)兩干擾因素的最大補償量，得出工況之間最大變化量，與漂移值比較，并結(jié)合試驗驗證，確定故障關(guān)鍵因素。

(1)補償量的計算

(3)

表1給出了機組高加各功率平臺的介電常數(shù)。

表1 高加各功率平臺的介電常數(shù)Table 1 Dielectric constants of each power platform

計算值與實際值對比如下。

1)滿功率下，補償最大計算值(117.5 mm)與補償?shù)膶嶋H值(110 mm)比較接近，計算結(jié)果可信，也說明了導(dǎo)波雷達進行補償?shù)谋匾浴?/p>

2)對比工況330 MW和1 089 MW，蒸汽的最大補償變化量為117.5-50=67.5 mm?？芍獧C組熱態(tài)下，因蒸汽介電常數(shù)變化而引起的補償量變化只有67.5 mm，遠遠小于180 mm的跳變量。

經(jīng)1)、2)得出，工況變化引起的蒸汽補償量變化較小，故障原因應(yīng)為冷凝液滴引起。

(2)驗證

驗證1：在機組穩(wěn)定功率運行下，關(guān)小蒸汽取樣閥門至1/8圈，減少蒸汽進汽量，并調(diào)整了聯(lián)通孔的角度，儀表過補償趨勢無明顯變化。

驗證2：機組經(jīng)歷了多次滿功率至80%功率之間的升、降負荷，工況引起的補償量變化小于15 mm。

驗證3：機組經(jīng)歷1次啟堆升功率過程，從300 MW至滿功率升負荷過程，工況引起的蒸汽補償變化小于40 mm。

(3)結(jié)論

經(jīng)上述計算和驗證結(jié)果可得出，機組穩(wěn)定工況下，蒸汽引起測量值變化值相對較小，故障原因應(yīng)為周期性的冷凝液滴導(dǎo)致。

3.3 冷凝液滴的定位分析

冷凝液滴的定位分析需要先計算出探桿各段阻抗，得出儀表的標準波形，結(jié)合周期變化的故障波形進行對比分析，找出冷凝液滴形成的位置和成因。

圖4為故障儀表采集信號周期性變化示意圖，蒸汽補償量從b1向b3增大時，冷凝波形相應(yīng)從a1變到a3。對比標準波形，圖中冷凝波形在蒸汽目標上方區(qū)域。經(jīng)對探桿結(jié)構(gòu)的了解，分析認為補償量變化的過程為冷凝液滴在探桿頂部形成-變大-掉落的過程。

圖4 故障儀表采集信號變化示意圖Fig.4 The schematic of signal change collected by fault instrument

(1)驗證

驗證方案用注射器往探桿頂部噴射少量冷凝水，試驗在相同位置復(fù)現(xiàn)了冷凝液滴的故障波形，且在試驗中發(fā)現(xiàn)探桿頂部存在一個較深的封閉空腔。

(2)液滴形成原因

根據(jù)文獻可知，儀表過程連接部分的封閉空腔屬于儀表的散熱、絕熱設(shè)計部分。蒸汽容易在空腔頂部容易形成周期性冷凝液滴，冷凝液滴一方面減緩了波速，另一方面產(chǎn)生了負極性的冷凝波形。

(3)結(jié)論

M6型和M5型過程連接處的空腔屬于絕熱、散熱設(shè)計。蒸汽在探桿頂部空腔易形成冷凝液滴，由于重力關(guān)系，冷凝液滴形成-變大-掉落的周期性過程導(dǎo)致了蒸汽補償量的周期性變化。

3.4 探桿的K值分析

(1)K值定義與誤差放大計算

福清核電高加液位計探桿同軸長度為2 800 mm(量程為2 500 mm)，而蒸汽目標在探桿螺紋連接下方125 mm處，為了較好說明該儀表的蒸汽補償誤差放大系數(shù)，定義K值如下：

福清高加M6型探桿的K放大系數(shù)為22.5。如蒸汽目標產(chǎn)生10 mm誤差擾動，最大可產(chǎn)生225 mm的巨大誤差。K值設(shè)置不合理導(dǎo)致了儀表周期性高漂的嚴重后果。為驗證上述結(jié)論，在確保機組運行安全的情況下，進行了關(guān)閉儀表蒸汽補償?shù)脑囼烌炞C。

(2)驗證

儀表關(guān)閉蒸汽補償后，經(jīng)過長時間的觀察，液位趨勢無異常，能夠在穩(wěn)定工況下控制液位。為了避免機組因高加解列引起的降功率與停堆事件，機組采取了關(guān)閉液位計蒸汽補償方案來控制高加液位。

(3)結(jié)論

K值越大，抗干擾性能越差，因此需要選擇合適的K值。增大蒸汽目標，且將蒸汽目標段設(shè)置在較穩(wěn)定流場中，減少冷凝水、取樣口等干擾因素的影響。

4 設(shè)計改進與長期驗證結(jié)論

(1)設(shè)計改進

新設(shè)計采取了下述措施：

1)減少蒸汽冷凝水凝結(jié)，取消探桿過程連接的空腔設(shè)計，用低介電常數(shù)的密封、絕熱材料填充；

2)優(yōu)化蒸汽目標位置，降低誤差放大系數(shù)；

3)優(yōu)化探桿阻抗，增加探桿抗干擾性。

(2)機組長期驗證效果評價

M6改進型投入機組工作，經(jīng)歷了長期的驗證，期間經(jīng)歷了長期機組實際驗證，效果較好。如圖5所示，與M6型比較，M6改進型趨勢無跳變、無漂移。如表2所示，M6改進型與實際液位波動范圍一致，測量偏差小于±8 mm，符合規(guī)格書的要求。

表2 升級前后儀表性能對比Table 2 Comparison of instrument performance before and after upgrade

圖5 產(chǎn)品升級前、后趨勢對比Fig.5 Comparison of trends before and after product upgrade

5 結(jié)束語

導(dǎo)波雷達已經(jīng)成為二回路液位測量應(yīng)用趨勢，本文分析了蒸汽型導(dǎo)波雷達在實踐應(yīng)用中的重復(fù)性問題，并給出分析結(jié)論與改進措施。重點分析了補償量問題，運用一套理論分析與試驗驗證相結(jié)合的診斷方法，確定了問題原因，該方法的意義主要有：

(1)精確地計算出各工況間蒸汽補償量的最大差值，確定故障原因為冷凝液滴引起，通過關(guān)小蒸汽取樣閥門和機組升降功率驗證了此結(jié)論。

(2)在冷凝液滴對補償影響的定位分析中，采集了周期性故障波形變化趨勢，通過與標準波形對比，確定故障由探桿頭部冷凝液滴引起，通過往探桿頂部空腔注射水的試驗驗證了分析結(jié)論，并對探桿液滴形成原因進行詳細的闡述。

(3)創(chuàng)新性地給出蒸汽補償K值的定義與作用，對后續(xù)蒸汽型導(dǎo)波雷達的產(chǎn)品設(shè)計提供借鑒，并對蒸汽型同軸套管的尺寸給出優(yōu)化參數(shù)。

本文總結(jié)了重復(fù)性問題的措施，給出了儀表的設(shè)計改進方案，并促進廠家對現(xiàn)有產(chǎn)品進行改進。產(chǎn)品改進后，經(jīng)機組長期驗證合格，儀表符合規(guī)格書和系統(tǒng)液位控制的要求。實踐證明本課題理論分析正確、驗證方案有效、設(shè)計改進方案先進。綜上，本文成果將促進導(dǎo)波雷達在核電廠二回路液位測量中的廣泛應(yīng)用。