某多級船閘閘室水位計可靠性分析與對策

羅 飛

（長江三峽通航管理局，湖北宜昌 443002）

0 引言

水位計在船閘安全運行中起著至關重要的作用，水位計是船閘中確保水平開門、控制超灌和超泄、自動關閥以及是否需要補水的關鍵傳感器。結合可靠性工程理論對船閘水位計可靠性進行分析，提出閘室水位計采樣值程序新算法，研究水位計在線狀態監測，提出減小測量誤差、降低人工判斷水位計故障難度的措施，提升船閘安全運行可靠度。

1 水位計在某多級船閘控制系統中的作用

某多級船閘兩線共28 支水位計，單線船閘每個閘室布置2支水位計，閘室內的2 支水位計在船閘過閘工藝中主要用于參與平壓開啟人字閘門、動水關閥與補水控制和水位模擬顯示。

2 單閘室布置兩支水位計算法

3 閘室水位計可靠性分析

3.1 設備固有可靠性的概念

設備的健康狀況主要取決于產品的質量，在可靠性工程中，健康狀況一般被認為是離散隨機變量，在不考慮維護作用時，不同狀況之間的轉移一般符合一定的統計規律。如電子產品的可靠性R（t）（即從正常狀況向故障狀況的轉移）一般服從參數為λ的指數分布：

MTTF（Mean Time To Failure，平均無故障時間）指系統無故障運行的平均時間，取所有從系統開始正常運行到發生故障之間時間段的平均值。

3.2 船閘閘室水位計可靠性模型

假設某多級船閘閘室共布置n 支水位計，水位計的失效率為λ，單支水位計的可靠度為Ri，以2017 年某多級船閘水位計故障統計數據進行可靠性分析，2017 年某多級船閘閘室水位計故障統計見表1。

表1 2017 年某多級船閘閘室水位計故障統計

水位計的失效率為λ 按照式（3）計算：

故障數量為3，總數量為28 支水位計，時間為2017 年（即8760 h），t=8760 h，代入得：

3.3 對閘室水位計可靠性產生影響的因素

該多級船閘閘室水位計為壓力式水位計，采用投放方式置于一定的安裝高程，根據靜水壓強，測定水下已知測點高程以上的水壓力，從而推求出水位。對閘室水位計可靠性產生影響的主要因素有以下4 點：

（1）壓力式水位計在水中受水溫、水流速度、含沙量、波浪幅度等因素的影響。

（2）水位計通氣管內堵塞、凝露對其精度及可靠性產生影響。

[本刊訊]2010年 1月 12日,上海市護理學會在北京西路 1623號召開了上海市紅十字南丁格爾志愿護理服務隊第一次工作會議。42個分隊的分隊長及骨干隊員共 90余人參加了會議。會議圍繞 2009年 9月服務隊成立以來的主要工作以及新一年的工作思路展開了討論和交流。代表們在陸冰隊長的帶領下進行了宣誓并領取了分隊活動用裝備箱及專用披肩。上海市紅十字會領導和上海市護理學會領導出席了會議并講話。各級領導對服務隊成立以來的主要工作給予了高度評價,并鼓勵志愿者在新的一年里繼續弘揚南丁格爾和紅十字精神,拓展志愿服務的內涵,從醫院走向社會,為更廣泛的人群服務。

（3）安裝精度問題。投入式水位計安裝高程不準確影響測量值。

（4）安裝在鉆有孔的鋼管中，動水沖擊引起測量誤差。

4 3 支水位計采樣決策邏輯

為提高閘室水位計參與船閘運行工藝流程時的容錯能力，可采用3 支水位計決策邏輯。建立“3 支水位計決策算法”流程：當3 支水位計測量值互不相等，PLC 系統將3 支水位計的水位值SW1、SW2、SW3兩兩進行比較，每一路都輸出最小值，再將得到的3 個值中的兩路取大值，得到兩個值，取任一路輸出即為SW中，當3 支水位計測量值任意兩路相等，則把互為相等的兩路中的一路賦值給SW中，SW中作為該閘室水位值參與系統控制。單支水位計故障時系統發出A 類報警，不影響系統控制運行，當2 支水位計故障時系統發出C 類報警，提示運行人員切除故障水位計，由剩余的1 支水位計參與控制運行。3 支水位計采樣決策流程如圖1 所示。

圖1 3 支水位計采樣決策流程

5 水位計的在線監測

船閘閘室水位顯示值按照式（4）計算：

船閘閘室水位顯示值=水位計安裝高程+水位高度（4）

該多級船閘各閘室水位測量選用PTX1830型投入式液位計，該水位計采用可控硅作為壓力檢測元件，硅晶片在受壓變形時，其電阻率呈線性變化，在外加直流電壓條件下，水位計將閘室水位值轉化為4～20 mA 電流值輸入到PLC 系統。

水溫23 ℃時，PTX1830型水位計水位測量校驗參數見表2，表2 給出在不同水位高度下、不同溫度下正常水位計輸出電流值、誤差。

表2 作為測量記錄表1，產品名稱為水位計；產品型號為PTX1830；量程為40 m，測試水溫度為23 ℃，使用的儀表為DPI615 壓力校驗儀。

表2 PTX1830型水位計水位測量校驗參數（水溫23 ℃）

水溫15 ℃時，PTX1830型水位計水位測量校驗參數見表3，表3 給出在不同水位高度下、不同溫度下正常水位計動態電流值、誤差。

表3 作為測量記錄表2，產品名稱為水位計；產品型號為PTX1830；量程為40 m，測試水溫度為15 ℃，使用的儀表為DPI615 壓力校驗儀。

表3 PTX1830型水位計水位測量校驗參數（水溫15 ℃）

從表2 中可以看出，隨著水深的不斷變化，水位計電流值基本呈線性變化。以表3 數據為例，在水溫15 ℃時，設水位高度為x m，電流值為y mA，則可得線性方程為式（5）：

如果將水位計輸出電流值作為集控系統顯示參數，運行人員可通過電流與水位高度的函數關系進行水位計性能指標越限（即：性能指標超出正常范圍）檢測與性能降低檢測，可對水位計工作狀態進行在線監測評估，判斷設備健康狀況。

6 結束語

2019 年某多級船閘共3 次出現相鄰閘室（或一閘室與上游）水頭差顯示異常情況，例如11 月份出現一閘首人字閘門在開終狀態下，實際上游水位與一閘室水位已持平，而監控界面顯示水頭差為+0.26 m，需對偏差水位計進行矯正率定。結合多年船閘水位計運行實際，建議如下：

（1）閘室內布置3 支水位計，采用新算法提高水位值采樣精度，降低人工判斷水位計故障的難度。

（2）維護人員投放水位計應精確，確保投放在規定安裝高程，水位計測量誤差也會減小。

（3）定期維護校準水位計，確保船閘安全可靠運行。