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三門核電超聲波液位計(jì)跳變故障分析及解決

發(fā)布時(shí)間:2019-02-26  發(fā)布作者:

     本文主旨:三門核電三廢系統(tǒng)中使用西門子超聲波液位計(jì)進(jìn)行液位測(cè)量,在調(diào)試階段多次出現(xiàn)因液位計(jì)跳變導(dǎo)致的相關(guān)設(shè)備聯(lián)鎖誤動(dòng)作。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,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。

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:

20190226083325.jpg

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。

超聲波液位計(jì)測(cè)量原理圖立管長(zhǎng)度與銳度角示意圖

核島系統(tǒng)部分儀表立管長(zhǎng)度與跳變情況統(tǒng)計(jì)表

2 超聲波液位計(jì)故障分析

2.1 立管過長(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,那么立管的較大長(zhǎng)度L可表示為:

20190226083418.jpg

     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,儀表說明書中波束角θ為12° [3] ,儀表安裝立管半徑d為3.2cm,則根據(jù)式(2),得到立管允許較大長(zhǎng)度L=30.44cm。

     通過上述方法計(jì)算出核島系統(tǒng)部分超聲波液位計(jì)立管較大允許長(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)度超出立管允許較大長(zhǎng)度的超聲波液位計(jì)均由于立管過長(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地坑液位計(jì)回音曲線圖擾,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)。

     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始出現(xiàn)虛假返波。整個(gè)地坑沖水過程中,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 安裝過緊,儀表與立管產(chǎn)生共振,換能器無法發(fā)射和接收超聲波,引起儀表跳變

     在儀表立管安裝過程中,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)安裝過緊,儀表與立管產(chǎn)生共振,換能器無法發(fā)射和接收超聲波,導(dǎo)致無法測(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)。

閥門輸入控制邏輯圖

液位與閥門動(dòng)作趨勢(shì)圖

     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。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,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)于立管過長(zhǎng)的儀表,雖在實(shí)際應(yīng)用中,可通過軟件等技術(shù)手段對(duì)立管產(chǎn)生的干擾波進(jìn)行過濾,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)階段立管無法滿足測(cè)量的情況,即儀表無法正常顯示的情況,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,但是存在立管過長(zhǎng)的情況,應(yīng)監(jiān)測(cè)儀表使用情況,如存在無法滿足的情況下,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)較強(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,上電和掉電趨勢(shì)圖上電和掉電情況這樣也可以保證探頭不被擠壓過緊。

     2)在無壓工況下,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)間情況見表3。

     經(jīng)過實(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,儀表輸出較大電流值約23mA,且高漂持續(xù)時(shí)間在0.6s左右;掉電后,儀表輸出較大電流值約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)無法解決內(nèi)部電路設(shè)計(jì)問題。

     建議通過修改控制邏輯方式,解決上電及掉電高漂聯(lián)鎖觸發(fā)設(shè)備誤動(dòng)作問題。可以通過增加“前延時(shí)”算西門子超聲波液位計(jì)聯(lián)鎖控制清單 修改后的閥門輸入邏輯圖 時(shí)序圖法、“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)。

     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)。

 
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