本文主旨：三門核電三廢系統中使用西門子超聲波液位計進行液位測量，在調試階段多次出現因液位計跳變導致的相關設備聯鎖誤動作。本文主要對造成三門核電超聲波液位計跳變故障的各方面原因進行分析，提出相應的解決方案，消除故障，實現液位的可靠測量，并為后續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（WLS）、核島固體廢物處理系統（WSS）中使用西門子超聲波液位計進行液位測量 [1] 。在調試和生產過程中，西門子超聲波液位計在投運后多次出現因跳變、失波、上電和掉電瞬間高漂觸發聯鎖控制，從而造成相關設備誤動作，嚴重影響了系統的安全穩定運行。

     本文主要對造成三門核電超聲波液位計跳變故障的各方面原因進行分析，并提出相應的解決方案，消除故障，實現液位的可靠測量，并為后續超聲波跳變故障的處理提供借鑒。

1 超聲波液位計測量原理

     超聲波液位計是基于超聲波在穿過不同介質的分界面產生反射實現測量的 [2] 。如圖1所示，超聲波探頭垂直安裝于被測罐體上方，探頭發射超聲波，經空氣介質傳播至被測液面，在液面發生反射；反射波沿原路徑返回，被探頭接收。設被測罐體高度為H，液體液位為L，探頭到液面距離為h，超聲波在空氣中傳播速度為C，超聲波發射到接收時間為△T，則有：

式（1）中，H、v、t可測得，即為已知量，那么罐體液位L可計算得到，達到測量目的。

2 超聲波液位計故障分析

2.1 立管過長產生虛假回波，引起儀表跳變

     在三廢系統中，超聲波液位計安裝方式采用了立管安裝。但是由于立管過長，導致部分儀表在投用后出現跳變。

     如圖2所示，設立管的半徑為d，超聲波探頭的銳度角為θ，那么立管的較大長度L可表示為：

     當探頭與立管端面的夾角小于銳度角時，超聲波在立管內產生反射；當波的強度大小與液面反射波強度相等時，那么儀表在進行回波選擇時，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。

     以監測箱A液位變送器為例，儀表型號為西門子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，則根據式（2），得到立管允許較大長度L=30.44cm。

     通過上述方法計算出核島系統部分超聲波液位計立管較大允許長度值，并將立管實際值與跳變情況進行統計，見表1。

     由表1可以直觀得出結論，實際立管長度超出立管允許較大長度的超聲波液位計均由于立管過長產生虛假回波，引起儀表跳變故障。

2.2 探頭安裝緊湊，彼此產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臺西門子LUT400型分體式超聲波液位計測量顯示地坑液位。由于地坑位置限制，3個探頭安裝緊湊，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。在熱試期間，3臺液位計均出現跳變現象。由于超聲波元件中的換能器產生的高頻脈沖聲波互相干擾，導致對某一元件而言，接收超聲波返波信號時會同時接收到其它兩臺液位計返回的高頻脈沖信號，從而導致液位計軟件算法在判斷真實回波的時候出現偏差，導致液位跳變情況出現。

     以安全殼地坑液位變送器2為例，使用診斷軟件實時監測超聲波回音曲線。充排水試驗發現，在安全殼地坑液位較低時，回音曲線質量較好，液位返波清晰，幅值較大。隨著液位逐漸上升，在真實液位返波下方逐漸開始出現虛假返波。整個地坑沖水過程中，如圖3所示，隨著液位上升，真實回波的質量在變差，信號強度逐漸變弱，然而兩個虛假回波的信號質量卻在不斷增強。此時，智能液位計算法認定的有效液面返波開始在真實液位返波和虛假返波之間不斷切換，從而導致液位跳變故障的產生。

2.3 安裝過緊，儀表與立管產生共振，換能器無法發射和接收超聲波，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生和接收超聲波的性能決定的。當安裝過緊，儀表與立管產生共振，換能器無法發射和接收超聲波，導致無法測量。以反應堆冷卻劑疏水箱RCDT液位為例，安裝立管較細，超聲波元件無法插入立管，安裝調試期間經打磨立管口后可勉強插入。

     在熱試期間，反應堆冷卻劑疏水箱RCDT液位多次發生跳變。液位計故障診斷過程中發現當超聲波元件自由懸空，不緊固安裝法蘭螺栓時，超聲波的回音曲線質量較好，且無跳變。在緊固固定螺栓后，超聲波基波信號變差，回音曲線也變差，液位發生跳變。在實驗室模擬現場工況，確認探頭受擠壓的情況下復現了現場的故障。

2.4 控制器內部電路設計缺陷，導致上電或斷電瞬間儀表跳變

     西門子超聲波液位計由于控制器內部電路設計缺陷，儀表會在掉電瞬間出現高漂，聯鎖觸發設備誤動作，增加了系統運行風險。

     以輔助廠房地坑液位變送器為例，運行人員在執行ECS-EK-13電源切換至分列運行期間，EK-13母線失電時，儀表失去220VAC電源。主控發現壓空管網壓力下降，檢查發現WRS兩臺地坑泵啟動。

     氣動閥V007A/B和其相連氣動隔膜泵MP01A/B有兩種運行模式：初始模式和備用模式，系統正常運行時，一列運行，另一列備用。初始模式下，操作員通過交替選擇一列，確保兩列泵的運行時間相等。如圖4所示，如果進水時的液位變化率高于設定值，自動觸發兩臺泵啟動。當高液位信號時，閥門選擇在初始模式下打開。如果液位繼續上升，高2液位信號觸發備用閥門，啟動備用泵（高2設定點，兩臺泵同時運行），該信號優先于PLS手動控制。低液位信號會關閉兩臺閥門，停泵，該信號優先于PLS手動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高漂，觸發了AUT2和EMG2命令，氣動閥V007A/B打開，導致氣動隔膜泵MP01A/B啟動。

3 超聲波液位計改進

3.1 降低立管長度

     對于立管過長的儀表，雖在實際應用中，可通過軟件等技術手段對立管產生的干擾波進行過濾，使得立管長度往往比理論計算值大。但是，這并未降低儀表跳變的風險。為了使儀表能夠可靠測量，應嚴格遵循銳度角要求。

     對于現階段立管無法滿足測量的情況，即儀表無法正常顯示的情況，應降低立管高度，或增加立管管徑。就現場使用條件，降低立管高度可行性較大。監測箱A液位變送器在應用中立管較長，導致儀表無法測量，進行立管切割后，儀表測量正常。

     對于現階段儀表能夠正常測量，但是存在立管過長的情況，應監測儀表使用情況，如存在無法滿足的情況下，需降低立管長度。

3.2 軟件識別算法和回波抑制

     使用診斷軟件，更改控制器識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結果分析，回音曲線中真實液位返波隨著液位上升，信號幅值降低，質量變差，在一定液位時信號質量會低于虛假返波的質量，導致智能識別算法選擇虛假返波作為真實液面的返波。但是在整個過程中，真實波始終位于虛假返波之前。因此，可改變超聲波液位計的識別算法，從第一個且信號較強的波（blf，best of first and largest echo）更改為第一個真實波（tf，true first echo）。從而使得識別算法始終選擇第一個脈沖聲波返波作為真實液位的返波信號，杜絕因虛假干擾返波的存在導致識別算法在真假返波選擇切換。使用tf識別算法，盡量避免在真實液面返波前方出現虛假回波干擾，如果真實返波前方出現了虛假回波，會導致超聲波液位計頻繁出現高漂的現象。因此，在更改識別算法之外，需適當提高回波抑制曲線的增益（hover level），盡量濾除真實返波前方的假波，同時又能使得在整個液位量程中，真實返波可以超出抑制曲線，被算法識別。

3.3 降低探頭緊度

     三門核電現場安裝的西門子超聲波液位計使用的是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，可能會導致液位測量不準。因此，首先要考慮儀表所處系統正常運行工況是否為帶壓環境；其次，儀表安裝后應對儀表探頭進行檢查，探頭不能安裝過緊，可以手擰緊即可，防止探頭與立管產生共振，影響超聲波的發射和接收。根據探頭所處系統工況，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，并對墊片稍微打磨，讓墊片的內徑稍微大于探頭，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，并對安裝口進行打磨，使口子稍微大于探頭，這樣探頭就不會擠壓過緊，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，保證密封性和測量準確性。

3.4 修改控制邏輯

     1#機組19臺西門子超聲波液位計中有12臺用于聯鎖控制，整理清單見表2。

     為驗證西門子超聲波液位計是否都存在掉電瞬間高漂以及上電漂表現象，在儀控實驗室做如下實驗，使用兩組探頭和一臺變送器組合并采用8861高速記錄儀記錄趨勢，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2次，高速記錄儀記錄趨勢圖如圖6所示。

上電及掉電持續時間情況見表3。

     經過實驗進一步驗證，西門子超聲波液位計上電及掉電都存在瞬間高漂現象。上電后，儀表輸出較大電流值約23mA，且高漂持續時間在0.6s左右；掉電后，儀表輸出較大電流值約24mA，整個高漂持續時間大約在1.5s左右。將該情況反饋廠家，美國工廠實驗室進行驗證后與驗證結果一致，并反饋短期內無法解決內部電路設計問題。

     建議通過修改控制邏輯方式，解決上電及掉電高漂聯鎖觸發設備誤動作問題�？梢酝ㄟ^增加“前延時”算 法、“點質量判斷”算法和“非”算法等組合邏輯濾掉設定時間內產生的虛假波，使虛假信號不觸發。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，儀表輸出點質量為壞點時，經過取“非”邏輯后虛假信號不會觸發。儀表上電及掉電高漂輸出質量為好點時，前延時模塊1邏輯輸出為“1”，而前延時模塊3邏輯輸出“0”。因此，“與”邏輯輸出仍為“0”，不會觸發AUT1信號。

     儀表上電和掉電高漂輸出質量為好點時，高選邏輯輸出為“1”，前延時模塊2/3/4/5/6邏輯輸出都為0。因此，“與”邏輯都輸出為“0”，不會觸發AUT2和EMG2信號。

     前延時模塊1設定時間：儀表自啟動時間為5s左右，此時儀表輸出為4mA，在PLS中顯示為好點，但也為虛假信號，如圖8所示，延時時間必須大于儀表自啟動時間，否則虛假信號仍會觸發；延時時間不能過大，否則會影響真實液位信號觸發的響應時間，按照保守決策原則，建議時間為6s。

     前延時模塊2設定時間：需要通過現場更改邏輯后進行驗證，初步建議時間為16s，即延時時間2等于5倍的液位變化率時間常數加上儀表自啟動時間。

     前延時模塊3/4/5/6設定時間：根據前文所述，高漂持續時間大約在1.5s左右，延時時間3必須大于高漂持續時間，否則虛假信號仍會觸發；延時時間不能過大，否則會影響真實液位信號觸發的響應時間，按照保守決策原則，建議延時時間3設為2s。

4 結語

     本文針對三門核電1#機組核島使用的西門子超聲波液位計出現液位跳變故障，從原理出發，分析得到引起故障的原因，針對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故障率，消除相關聯鎖設備誤動作風險。無需重新更換設備型號，節約了資金。不僅為操作員提供了可靠的電廠系統參數，提高了系統的安全性，也為后續出現類似故障提供可參考經驗和依據。