燃氣輪機可燃氣體檢測系統(tǒng)缺陷分析及技術(shù)改造

段小文

(國能浙江南潯天然氣熱電有限公司，浙江 湖州 313009)

天然氣的主要成分是易燃、易爆、易揮發(fā)的甲烷(CH4)氣體，作為燃氣輪機的燃料，一旦發(fā)生泄漏將導(dǎo)致不可估量的風險。為了實現(xiàn)燃氣輪機設(shè)備區(qū)域的可燃氣體檢測，保障現(xiàn)場生產(chǎn)安全，按照天然氣行業(yè)的設(shè)計標準和安全技術(shù)規(guī)范要求，燃氣輪機配置可燃氣體檢測系統(tǒng)，用于可燃氣體的泄漏預(yù)警[1-2]。

某公司裝機2臺100 MW級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組，燃氣輪機發(fā)電機組是由南京汽輪電機(集團)有限責任公司生產(chǎn)的PG6111FA型燃氣輪機和QFR-88-2J型發(fā)電機配套組成。自2018年投產(chǎn)以來，燃氣輪機配置的可燃氣體檢測系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)零點漂移，探測器的檢測數(shù)據(jù)在燃氣輪機運行中偏離零點，導(dǎo)致檢測系統(tǒng)異常報警，嚴重影響機組安全穩(wěn)定運行。

1 可燃氣體檢測系統(tǒng)存在的問題與分析

1.1 可燃氣體檢測系統(tǒng)設(shè)備簡介與保護配置

該公司燃氣輪機可燃氣體檢測系統(tǒng)由控制器和可燃氣體探測器組成[3-4]，采用霍尼韋爾(Honeywell)公司生產(chǎn)的設(shè)備：控制器為System 57型盤裝式控制器，安裝在燃氣輪機控制室內(nèi)，配套冗余電源供電；探測器為SENSEPOINT HT高溫型催化燃燒式可燃氣體探測器，安裝在燃氣輪機機房內(nèi)[5]。探測器每三個為一組，共計三組九通道：透平間底部(45HT-1、45HT-2、45HT-3)、透平間出風道(45HT-4、45HT-5、45HT-6)、油氣模塊間出風道(45HA-4、45HA-5、45HA-6)。探測器檢測甲烷(CH4)體積百分比濃度≥4 % LEL時高報警，體積百分比濃度≥8 % LEL時高高報警。

燃氣輪機可燃氣體檢測系統(tǒng)保護動作邏輯設(shè)置為：(1) 同組中任意兩通道高高報警，延時5 s燃氣輪機跳閘；(2) 同組中任一通道故障且另外兩通道任一高高報警，延時5 s燃氣輪機跳閘；(3) 同組中任意兩通道故障且第三個高報警，延時5 s燃氣輪機跳閘。由此可見，燃氣輪機可燃氣體檢測系統(tǒng)的可靠性對燃氣輪機的安全運行至關(guān)重要。

1.2 探測器零點漂移的成因

催化型可燃氣體探測器是利用催化燃燒熱效應(yīng)原理,由檢測元件和補償元件配對構(gòu)成測量電橋，在一定溫度條件下可燃氣體在檢測元件載體表面及催化劑的作用下發(fā)生無焰燃燒，使載體溫度升高，內(nèi)部的鉑絲電阻也相應(yīng)升高，平衡電橋失去平衡，輸出一個與可燃氣體濃度成正比的電信號。因此可以通過測量內(nèi)部鉑絲的電阻變化來實現(xiàn)檢測可燃性氣體的濃度[6-7]。

可燃氣體探測器通過擴散和吸附的方式，使空氣和檢測氣體通過一個燒結(jié)的不銹鋼過濾網(wǎng)與探測器及平衡器充分接觸，探測器上受熱的表面促進可燃氣體分子的氧化，而經(jīng)過處理的平衡器是惰性的，不支持這一氧化過程。通常平衡器可在很廣的環(huán)境狀況下保持零點漂移的穩(wěn)定性，但催化燃燒傳感器在使用過程中可能會被環(huán)境中的特定物質(zhì)逐漸改變或中毒，在正常使用情況下其靈敏度每年自然下降10 %～30 %，因此須要定期校準探測器，使正常產(chǎn)生的零點漂移保持在可控范圍[8]。

通常零點漂移的產(chǎn)生與系統(tǒng)的信號機制有關(guān)，System 57檢測系統(tǒng)配置的探測器工作電壓為2.9 ～3.5 V，對應(yīng)200 mA電流，由控制卡件提供3 V工作電源，控制卡件與探測器建立實時通訊，控制回路并非標準的4～20 mA信號。在探測器內(nèi)部電阻有較小的物理特性變化即探測器傳回信號與控制器卡件通道內(nèi)的預(yù)設(shè)信號不一致，導(dǎo)致探測器信號值大于或小于通道配置數(shù)據(jù)中保持的預(yù)設(shè)值，數(shù)據(jù)異常出現(xiàn)零點漂移。高溫區(qū)域探測器更容易受到影響，在燃氣輪機運行時透平間溫度一般高于110 ℃。在燃氣輪機停運狀態(tài)下，透平間溫度為正常環(huán)境溫度，此時對探測器進行零點校準并預(yù)設(shè)卡件通道信號，探測器數(shù)據(jù)顯示正常。而當燃氣輪機運行時，由于透平間溫度急劇上升，探測器數(shù)據(jù)偏離正常的零點，出現(xiàn)了零點漂移[9]。

1.3 溫度變化產(chǎn)生零點漂移的實例分析

該公司燃氣輪機主要參與電網(wǎng)調(diào)峰，機組等效利用時長不高，運行方式多為晝啟夜停，啟停次數(shù)頻繁，使燃氣輪機透平間溫度變化比較頻繁。統(tǒng)計2020年度1、2號燃氣輪機可燃氣體檢測系統(tǒng)探測器零點漂移發(fā)生的頻次與溫區(qū)的數(shù)據(jù)(見表1)，發(fā)現(xiàn)探測器零點漂移基本出現(xiàn)在燃氣輪機高溫區(qū)域透平間內(nèi)，符合環(huán)境溫度頻繁變化導(dǎo)致探測器零點漂移頻繁發(fā)生的特點。

表1 探測器零點漂移發(fā)生頻次與溫區(qū)的數(shù)據(jù)表

統(tǒng)計1、2號燃氣輪機2020年度探測器零點漂移次數(shù)、燃氣輪機啟停次數(shù)及運行時長的數(shù)據(jù)(見表2)發(fā)現(xiàn)：2號燃氣輪機探測器零點漂移次數(shù)比1號少7次、啟停次數(shù)少24次、運行時長少264.83 h。計算零點漂移發(fā)生概率與啟停次數(shù)的關(guān)系：燃氣輪機每啟停1次，1號燃氣輪機發(fā)生零點漂移的概率為18.75 %，2號燃氣輪機發(fā)生零點漂移的概率為12.5%，概率偏差33.3%。計算零點漂移發(fā)生概率與運行時長的關(guān)系：燃氣輪機每運行1 h，1號燃氣輪機發(fā)生零點漂移的概率為1.01 %，2號燃氣輪機發(fā)生零點漂移的概率為0.54 %,概率偏差46.5%。由此也可以看出，1、2號燃氣輪機探測器發(fā)生零點漂移的概率偏差跟機組啟停次數(shù)、運行時長有關(guān)。

表2 探測器零點漂移與燃氣輪機啟停次數(shù)、運行時長的數(shù)據(jù)表

環(huán)境溫度的變化趨勢影響零點漂移的趨勢，出現(xiàn)“正漂移”和“負漂移”兩種變化。根據(jù)溫度與電阻的對應(yīng)關(guān)系：在常溫狀態(tài)下校準零點基準，當環(huán)境溫度升高后，探測器內(nèi)部電阻增大，出現(xiàn)“+2.5% LEL”范圍內(nèi)的數(shù)值漂移；在燃氣輪機運行狀態(tài)下校準零點基準，當燃氣輪機停運后環(huán)境溫度逐漸降低，探測器內(nèi)部電阻減小，出現(xiàn)“-2.5% LEL”范圍內(nèi)的數(shù)值漂移。同時還發(fā)現(xiàn)多次升溫降溫的劇烈溫度變化對探測器的使用壽命影響比較大，探測器使用了一段時間后，隨著性能的下降，零點漂移發(fā)生的頻次更高[10]。

2 技術(shù)改造的方案

2.1 技術(shù)改造的兩種思路

可燃氣體檢測系統(tǒng)System 57型盤裝式控制器在2019年已經(jīng)停產(chǎn)，如不進行設(shè)備升級改造，將面臨后續(xù)配件無法采購的問題。因此在規(guī)劃可燃氣體檢測系統(tǒng)技術(shù)升級時，考慮到探測器的零點漂移與環(huán)境溫度變化有關(guān)，而燃氣輪機運行方式又決定溫度變化的因素不可消除，如果要降低探測器零點漂移，只能從設(shè)備的信號特性或探測器的工作環(huán)境上去做改善。目前可以嘗試兩種解決思路，抑制探測器受環(huán)境溫度的影響或者消除探測器所在的環(huán)境溫度的變化。由這兩種思路可以延伸制定相應(yīng)的解決方案(見圖1)，并對技術(shù)方案的適用性進行探討。

圖1 解決方案選擇圖

2.2 方案的設(shè)計與分析

消除溫度變化的解決思路是采用抽取式取樣檢測，將燃氣輪機透平間可燃氣體探測器移出高溫區(qū)，安裝在燃氣輪機本體外的分析柜內(nèi)，通過抽樣裝置將高溫氣體抽到分析柜內(nèi)進行檢測。抽樣動力源使用射流真空裝置，以提高氣體通過速度、節(jié)約檢測時間、保證檢測的實時性。抽入分析柜的樣氣經(jīng)過濾及流量調(diào)解后進入探測器進行檢測，并可設(shè)置流量監(jiān)控裝置確保采樣流量。設(shè)計方案見圖2。

圖2 抽取式取樣檢測方案示意圖

抑制零點漂移的解決思路是改變信號傳輸機制，利用原系統(tǒng)進行設(shè)備升級。通過增設(shè)變送器將原控制回路非標準、易受干擾的通訊信號轉(zhuǎn)換成標準的4～20 mA信號，提高信號回路的抗干擾能力，抑制零點漂移。新控制器采用專業(yè)消防型控制器，配套消防控制電源模塊，系統(tǒng)具有完整CCCF認證[11]。設(shè)計方案見圖3 。

圖3 改變信號傳輸機制方案示意圖

2.3 方案的對比與選擇

針對設(shè)備現(xiàn)狀的改善，進行技術(shù)方案遴選的時候須要考慮多種因素，抽取式取樣檢測方案和改變信號傳輸機制方案都有其優(yōu)缺點和適用性。

新機組在考慮配置燃氣輪機危險氣體檢測系統(tǒng)時，目前主流采用抽取式取樣檢測方案，因為在常溫區(qū)安裝設(shè)備，系統(tǒng)的定期工作和故障檢修比較方便，不受機組運行方式影響。如果是對現(xiàn)有設(shè)備進行技術(shù)升級，達到降低設(shè)備故障率、提高系統(tǒng)可靠性的目的，這要根據(jù)現(xiàn)場的實際條件，從實施難度、施工工期、經(jīng)濟性以及后期維護4個方面進行綜合對比(詳見表3)。

表3 兩個技術(shù)改造方案的綜合對比

通過對比，現(xiàn)場燃氣輪機危險氣體檢測系統(tǒng)的技術(shù)改造選擇了改變信號傳輸機制方案，完成了1號燃氣輪機可燃氣體檢測系統(tǒng)的設(shè)備升級改造，以達到抑制零點漂移、降低系統(tǒng)故障率的目的。

3 結(jié)語

目前，改造后1號燃氣輪機可燃氣體檢測系統(tǒng)使用狀況良好，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，工作環(huán)境溫度頻繁變化沒有對探測器測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，消除了受溫度影響導(dǎo)致的零點漂移。

上述技術(shù)改造思路可推廣于燃氣輪機的可燃氣體檢測系統(tǒng)的設(shè)備升級改造。選擇更利于現(xiàn)場的改造方案實施技術(shù)改造，可以有效抑制探測器零點漂移的產(chǎn)生，保障燃氣輪機重要的輔助監(jiān)視系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。