三门核电超声波液位计跳变故障分析及解决

岳红旭

（三门核电有限公司 维修处，浙江 台州 317112）

0 引言

三门核电核岛液体废物系统（WLS）、核岛固体废物处理系统（WSS）中使用西门子超声波液位计进行液位测量[1]。在调试和生产过程中，西门子超声波液位计在投运后多次出现因跳变、失波、上电和掉电瞬间高漂触发联锁控制，从而造成相关设备误动作，严重影响了系统的安全稳定运行。

本文主要对造成三门核电超声波液位计跳变故障的各方面原因进行分析，并提出相应的解决方案，消除故障，实现液位的可靠测量，并为后续超声波跳变故障的处理提供借鉴。

1 超声波液位计测量原理

超声波液位计是基于超声波在穿过不同介质的分界面产生反射实现测量的[2]。如图1所示，超声波探头垂直安装于被测罐体上方，探头发射超声波，经空气介质传播至被测液面，在液面发生反射；反射波沿原路径返回，被探头接收。设被测罐体高度为H，液体液位为L，探头到液面距离为h，超声波在空气中传播速度为C，超声波发射到接收时间为△T，则有：

式（1）中，H、v、t可测得，即为已知量，那么罐体液位L可计算得到，达到测量目的。

图1 超声波液位计测量原理图Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic liquid level meter measurement

图2 立管长度与锐度角示意图Fig.2 Schematic diagram of riser length and sharpness angle

表1 核岛系统部分仪表立管长度与跳变情况统计表Table 1 Statistical table of the length and jump of some instrument riser in nuclear island system

2 超声波液位计故障分析

2.1 立管过长产生虚假回波，引起仪表跳变

在三废系统中，超声波液位计安装方式采用了立管安装。但是由于立管过长，导致部分仪表在投用后出现跳变。

如图2所示，设立管的半径为d，超声波探头的锐度角为θ，那么立管的最大长度L可表示为：

当探头与立管端面的夹角小于锐度角时，超声波在立管内产生反射；当波的强度大小与液面反射波强度相等时，那么仪表在进行回波选择时，可能选择到立管反射波或液面反射波，从而造成液位的跳变。

以监测箱A液位变送器为例，仪表型号为西门子LUT400，仪表说明书中波束角θ为12°[3]，仪表安装立管半径d为3.2cm，则根据式（2），得到立管允许最大长度L=30.44cm。

通过上述方法计算出核岛系统部分超声波液位计立管最大允许长度值，并将立管实际值与跳变情况进行统计，见表1。

由表1可以直观得出结论，实际立管长度超出立管允许最大长度的超声波液位计均由于立管过长产生虚假回波，引起仪表跳变故障。

2.2 探头安装紧凑，彼此产生的高频脉冲声波互相干扰，引起仪表跳变

安全壳地坑液位使用3台西门子LUT400型分体式超声波液位计测量显示地坑液位。由于地坑位置限制，3个探头安装紧凑，安全壳地坑液位变送器1和安全壳地坑液位变送器3探头安装法兰位置低于安全壳地坑液位变送器2探头，分布在其两侧。在热试期间，3台液位计均出现跳变现象。由于超声波元件中的换能器产生的高频脉冲声波互相干扰，导致对某一元件而言，接收超声波返波信号时会同时接收到其它两台液位计返回的高频脉冲信号，从而导致液位计软件算法在判断真实回波的时候出现偏差，导致液位跳变情况出现。

图3 地坑液位计回音曲线图Fig.3 Echo graph of ground pit liquid level meter

以安全壳地坑液位变送器2为例，使用诊断软件实时监测超声波回音曲线。充排水试验发现，在安全壳地坑液位较低时，回音曲线质量较好，液位返波清晰，幅值较大。随着液位逐渐上升，在真实液位返波下方逐渐开始出现虚假返波。整个地坑冲水过程中，如图3所示，随着液位上升，真实回波的质量在变差，信号强度逐渐变弱，然而两个虚假回波的信号质量却在不断增强。此时，智能液位计算法认定的有效液面返波开始在真实液位返波和虚假返波之间不断切换，从而导致液位跳变故障的产生。

2.3 安装过紧，仪表与立管产生共振，换能器无法发射和接收超声波，引起仪表跳变

在仪表立管安装过程中，仪表安装不能太紧，这是由于前文所述换能器产生和接收超声波的性能决定的。当安装过紧，仪表与立管产生共振，换能器无法发射和接收超声波，导致无法测量。以反应堆冷却剂疏水箱RCDT液位为例，安装立管较细，超声波元件无法插入立管，安装调试期间经打磨立管口后可勉强插入。

在热试期间，反应堆冷却剂疏水箱RCDT液位多次发生跳变。液位计故障诊断过程中发现当超声波元件自由悬空，不紧固安装法兰螺栓时，超声波的回音曲线质量较好，且无跳变。在紧固固定螺栓后，超声波基波信号变差，回音曲线也变差，液位发生跳变。在实验室模拟现场工况，确认探头受挤压的情况下复现了现场的故障。

2.4 控制器内部电路设计缺陷，导致上电或断电瞬间仪表跳变

西门子超声波液位计由于控制器内部电路设计缺陷，仪表会在掉电瞬间出现高漂，联锁触发设备误动作，增加了系统运行风险。

图4 阀门输入控制逻辑图Fig.4 Valve input control logic diagram

图5 液位与阀门动作趋势图Fig.5 Liquid level and valve action trend diagram

以辅助厂房地坑液位变送器为例，运行人员在执行ECS-EK-13电源切换至分列运行期间，EK-13母线失电时，仪表失去220VAC电源。主控发现压空管网压力下降，检查发现WRS两台地坑泵启动。

气动阀V007A/B和其相连气动隔膜泵MP01A/B有两种运行模式：初始模式和备用模式，系统正常运行时，一列运行，另一列备用。初始模式下，操作员通过交替选择一列，确保两列泵的运行时间相等。如图4所示，如果进水时的液位变化率高于设定值，自动触发两台泵启动。当高液位信号时，阀门选择在初始模式下打开。如果液位继续上升，高2液位信号触发备用阀门，启动备用泵（高2设定点，两台泵同时运行），该信号优先于PLS手动控制。低液位信号会关闭两台阀门，停泵，该信号优先于PLS手动控制和液位高变化率控制。

利用Trend查看液位变送器在EK-13母线失电期间即仪表掉电瞬间出现高漂，触发了AUT2和EMG2命令，气动阀V007A/B打开，导致气动隔膜泵MP01A/B启动。

3 超声波液位计改进

3.1 降低立管长度

对于立管过长的仪表，虽在实际应用中，可通过软件等技术手段对立管产生的干扰波进行过滤，使得立管长度往往比理论计算值大。但是，这并未降低仪表跳变的风险。为了使仪表能够可靠测量，应严格遵循锐度角要求。

对于现阶段立管无法满足测量的情况，即仪表无法正常显示的情况，应降低立管高度，或增加立管管径。就现场使用条件，降低立管高度可行性较大。监测箱A液位变送器在应用中立管较长，导致仪表无法测量，进行立管切割后，仪表测量正常。

对于现阶段仪表能够正常测量，但是存在立管过长的情况，应监测仪表使用情况，如存在无法满足的情况下，需降低立管长度。

3.2 软件识别算法和回波抑制

使用诊断软件，更改控制器识别算法和回波抑制消除跳变故障。从安全壳地坑充排水试验结果分析，回音曲线中真实液位返波随着液位上升，信号幅值降低，质量变差，在一定液位时信号质量会低于虚假返波的质量，导致智能识别算法选择虚假返波作为真实液面的返波。但是在整个过程中，真实波始终位于虚假返波之前。因此，可改变超声波液位计的识别算法，从第一个且信号最强的波（blf，best of first and largest echo）更改为第一个真实波（tf，true first echo）。从而使得识别算法始终选择第一个脉冲声波返波作为真实液位的返波信号，杜绝因虚假干扰返波的存在导致识别算法在真假返波选择切换。使用tf识别算法，尽量避免在真实液面返波前方出现虚假回波干扰，如果真实返波前方出现了虚假回波，会导致超声波液位计频繁出现高漂的现象。因此，在更改识别算法之外，需适当提高回波抑制曲线的增益（hover level），尽量滤除真实返波前方的假波，同时又能使得在整个液位量程中，真实返波可以超出抑制曲线，被算法识别。

3.3 降低探头紧度

三门核电现场安装的西门子超声波液位计使用的是ST-H系列元件探头，该系列元件适用于无压工况，并不适用于密闭承压容器。在承压容器中使用该元件，可能会导致液位测量不准。因此，首先要考虑仪表所处系统正常运行工况是否为带压环境；其次，仪表安装后应对仪表探头进行检查，探头不能安装过紧，可以手拧紧即可，防止探头与立管产生共振，影响超声波的发射和接收。根据探头所处系统工况，降低探头紧度，防止探头承压有如下处理方案：

1）在无压工况下，可以保持立管，在安装法兰间加装垫片，并对垫片稍微打磨，让垫片的内径稍微大于探头，这样也可以保证探头不被挤压过紧。

图6 上电和掉电趋势图Fig.6 Power-on and power-down trend charts

表2 西门子超声波液位计联锁控制清单Table 2 Siemens Ultrasonic liquid level meter interlocking control list

表3 上电和掉电情况Table 3 Power-on and power-down

2）在无压工况下，切掉立管，并对安装口进行打磨，使口子稍微大于探头，这样探头就不会挤压过紧，采用此方案需要修改变送器量程。

3）在有压工况下，ST-H系列元件探头不适用。建议更换选型适用于有压工况，保证密封性和测量准确性。

3.4 修改控制逻辑

1#机组19台西门子超声波液位计中有12台用于联锁控制，整理清单见表2。

为验证西门子超声波液位计是否都存在掉电瞬间高漂以及上电漂表现象，在仪控实验室做如下实验，使用两组探头和一台变送器组合并采用8861高速记录仪记录趋势，采样频率为10Hz。每组探头在不同的输出电流值开始掉电到上电，两组分别试验2次，高速记录仪记录趋势图如图6所示。

上电及掉电持续时间情况见表3。

经过实验进一步验证，西门子超声波液位计上电及掉电都存在瞬间高漂现象。上电后，仪表输出最大电流值约23mA，且高漂持续时间在0.6s左右；掉电后，仪表输出最大电流值约24mA，整个高漂持续时间大约在1.5s左右。将该情况反馈厂家，美国工厂实验室进行验证后与验证结果一致，并反馈短期内无法解决内部电路设计问题。

建议通过修改控制逻辑方式，解决上电及掉电高漂联锁触发设备误动作问题。可以通过增加“前延时”算

法、“点质量判断”算法和“非”算法等组合逻辑滤掉设定时间内产生的虚假波，使虚假信号不触发。以辅助厂房地坑液位变送器为例，如图7所示的控制逻辑图中，仪表输出点质量为坏点时，经过取“非”逻辑后虚假信号不会触发。仪表上电及掉电高漂输出质量为好点时，前延时模块1逻辑输出为“1”，而前延时模块3逻辑输出“0”。因此，“与”逻辑输出仍为“0”，不会触发AUT1信号。

图7 修改后的阀门输入逻辑图Fig.7 Modified valve Input logic diagram

图8 时序图Fig.8 Timing diagram

仪表上电和掉电高漂输出质量为好点时，高选逻辑输出为“1”，前延时模块2/3/4/5/6逻辑输出都为0。因此，“与”逻辑都输出为“0”，不会触发AUT2和EMG2信号。

前延时模块1设定时间：仪表自启动时间为5s左右，此时仪表输出为4mA，在PLS中显示为好点，但也为虚假信号，如图8所示，延时时间必须大于仪表自启动时间，否则虚假信号仍会触发；延时时间不能过大，否则会影响真实液位信号触发的响应时间，按照保守决策原则，建议时间为6s。

前延时模块2设定时间：需要通过现场更改逻辑后进行验证，初步建议时间为16s，即延时时间2等于5倍的液位变化率时间常数加上仪表自启动时间。

前延时模块3/4/5/6设定时间：根据前文所述，高漂持续时间大约在1.5s左右，延时时间3必须大于高漂持续时间，否则虚假信号仍会触发；延时时间不能过大，否则会影响真实液位信号触发的响应时间，按照保守决策原则，建议延时时间3设为2s。

4 结语

本文针对三门核电1#机组核岛使用的西门子超声波液位计出现液位跳变故障，从原理出发，分析得到引起故障的原因，针对不同原因一一提供解决方案，从而降低西门子超声波液位计故障率，消除相关联锁设备误动作风险。无需重新更换设备型号，节约了资金。不仅为操作员提供了可靠的电厂系统参数，提高了系统的安全性，也为后续出现类似故障提供可参考经验和依据。