高溫、高壓型導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之一，其測量環境較為苛刻。傳統液位儀表因其固有原理，且無法通過自身技術的改進來消除誤差。

導波雷達是一種新興的液位儀表，它克服了傳統儀表原理上的不足，在核電廠應用業績逐漸增多。其中在溫度、壓力不高的工況中應用成熟。在高溫、高壓飽和蒸汽工況中使用業績也逐漸增多，但在實踐應用中，蒸汽型儀表還存在一些因儀表設備設計與工程設計原因引起的重復性問題，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定運行，并且同行電廠后續也發現了同樣問題。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，應用效果良好。

1 二回路液位測量工況及儀表應用效果

核電廠二回路容器液位測量需要經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境中。這是源于二回路需要進行排氣、沖洗、水質凈化等工藝作業，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或微負壓狀態。隨著機組功率提升，汽輪機的飽和抽汽在容器中建立了穩定壓力，容器處在高溫、高壓的飽和蒸汽環境中。當機組功率變化或者甩負荷時，各容器蒸汽溫度、壓力都會相應變化。由于測量環境比較苛刻，這給儀表的全工況準確測量帶來了挑戰。

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、浮筒液位計和導波雷達液位計。按照儀表原理與實際應用效果，其特征分析如下。

1)差壓式液位計不能實現全工況準確測量。

2)浮筒液位計不能實現全工況準確測量，維修量大。

3)導波雷達采用TDR原理技術，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，且蒸汽型導波雷達具有補償功能，原理上能夠對機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定運行中，出現了測量失效的情況，具體表現為：

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，超出技術規格書要求為±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出現了此問題。

兩列高加同時具有解列風險，機組存在降功率和停堆風險。

2.2 原因分析

問題周期性地出現在穩定工況下，排除了工況干擾和蒸汽滲漏的可能；通過更換其他批次產品驗證，排除了批次原因。通過對現場采集的數據和信息進行診斷，結果表明儀表信號處理單元、蒸汽補償參數設置、儀表工作溫度、安裝問題等方面均無異常。

經分析，認為故障由蒸汽補償變化引起。在機組滿功率穩定運行情況下，對故障儀表進行了連續波形采集，如圖2所示，發現同一塊儀表在一個時間周期內，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雜性，本文建立導波雷達電氣模型進行理論分析，并結合儀表應用環境、儀表結構、采集故障波形，找出引起補償量變化的原因，并經試驗驗證正確，給出問題結論。

3.1 導波雷達電氣建模

導波雷達電磁脈沖采用同軸傳輸結構。由于頻率高，在同軸線上已經具有明顯的波動效應。利用電磁波傳輸的長線理論，將導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等效為由電阻L、電容C、電感L和電導G等元件組成的Γ型網絡。由于電阻Y和電感L的存在，信號在沿傳輸線傳播時會發生金屬損耗效應，對信號傳輸起著消耗、阻隔的作用；橫截方向有電容和電導并聯，對信號傳輸起著分流、短路的作用，電導G也會介質損耗效應，導致信號傳輸衰減。

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的特性所決定，與信號源及負載無關。同軸線的特性阻抗為：

(1)

式中：εγ為介質的相對介電常數；D為同軸外套管的內徑；d為波導直徑。

(2)波速度

電磁波在電纜中的波速度與電纜的絕緣介質有關，而與導體芯線的材料與截面積無關，只要絕緣介質相同，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

補償實質是對電磁波速的動態補償。根據公式(2)可知，波速由氣相介質的介電常數決定。氣相只有蒸汽和蒸汽冷凝的水兩個動態干擾因素會對波速產生周期性的影響。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，并結合試驗驗證，確定故障關鍵因素。

(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。

表1 高加各功率平臺的介電常數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)與補償的實際值(110 mm)比較接近，計算結果可信，也說明了導波雷達進行補償的必要性。

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。可知機組熱態下，因蒸汽介電常數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，故障原因應為冷凝液滴引起。

(2)驗證

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

驗證2：機組經歷了多次滿功率至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)結論

經上述計算和驗證結果可得出，機組穩定工況下，蒸汽引起測量值變化值相對較小，故障原因應為周期性的冷凝液滴導致。

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域。經對探桿結構的了解，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，試驗在相同位置復現了冷凝液滴的故障波形，且在試驗中發現探桿頂部存在一個較深的封閉空腔。

(2)液滴形成原因

根據文獻可知，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，另一方面產生了負極性的冷凝波形。

(3)結論

M6型和M5型過程連接處的空腔屬于絕熱、散熱設計。蒸汽在探桿頂部空腔易形成冷凝液滴，由于重力關系，冷凝液滴形成-變大-掉落的周期性過程導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，定義K值如下：

福清高加M6型探桿的K放大系數為22.5。如蒸汽目標產生10 mm誤差擾動，最大可產生225 mm的巨大誤差。K值設置不合理導致了儀表周期性高漂的嚴重后果。為驗證上述結論，在確保機組運行安全的情況下，進行了關閉儀表蒸汽補償的試驗驗證。

(2)驗證

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

(3)結論

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，且將蒸汽目標段設置在較穩定流場中，減少冷凝水、取樣口等干擾因素的影響。

4 設計改進與長期驗證結論

(1)設計改進

新設計采取了下述措施：

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

2)優化蒸汽目標位置，降低誤差放大系數；

3)優化探桿阻抗，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，經歷了長期的驗證，期間經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 產品升級前、后趨勢對比Fig.5 Comparison of trends before and after product upgrade

5 結束語

導波雷達已經成為二回路液位測量應用趨勢，本文分析了蒸汽型導波雷達在實踐應用中的重復性問題，并給出分析結論與改進措施。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，通過關小蒸汽取樣閥門和機組升降功率驗證了此結論。

(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論，并對探桿液滴形成原因進行詳細的闡述。

(3)創新性地給出蒸汽補償K值的定義與作用，對后續蒸汽型導波雷達的產品設計提供借鑒，并對蒸汽型同軸套管的尺寸給出優化參數。

本文總結了重復性問題的措施，給出了儀表的設計改進方案，并促進廠家對現有產品進行改進。產品改進后，經機組長期驗證合格，儀表符合規格書和系統液位控制的要求。實踐證明本課題理論分析正確、驗證方案有效、設計改進方案先進。綜上，本文成果將促進導波雷達在核電廠二回路液位測量中的廣泛應用。