燃機廠房氣體檢測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

張海忠，郭永鵬，武 哲

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

引言

面對日益迫切的環(huán)境問題，鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排和提質(zhì)增效的愿望十分強烈，能源介質(zhì)的高效循環(huán)利用就是一個努力的方向。利用燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置（CCPP）進行發(fā)電就是一種多介質(zhì)多梯度的能源綜合利用項目。

在典型的利用富余煤氣發(fā)電的CCPP 系統(tǒng)中，高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣混合并經(jīng)煤氣壓縮機增壓后，與經(jīng)壓氣機壓縮后的空氣充分混合燃燒，生成高溫?zé)煔怛?qū)動燃氣輪機做功。在燃機廠房內(nèi)，煤氣介質(zhì)廣泛存在，尤其是燃機本體的煤壓機罩殼區(qū)域和燃機罩殼內(nèi)，可能會存在煤氣泄漏和集聚。因煤氣有強烈的毒性和可燃性，容易致人中毒、引發(fā)火災(zāi)或爆炸，所以可燃氣體和有毒氣體檢測報警和聯(lián)動控制對燃機系統(tǒng)的安全運行非常重要。

1 功能需求

在高爐煤氣型燃氣輪機系統(tǒng)中，其燃料為由高爐煤氣（BFG）和焦?fàn)t煤氣（COG）混合后形成的混合煤氣，含有高濃度的有毒氣體（主要是CO）和可燃氣體（主要是H2）。其主要危險部位有3 個區(qū)域，分別是GT罩內(nèi)部，GC罩內(nèi)部，GT排氣道。

GT（GC）罩：需要同時檢測有毒氣體和可燃氣體，當(dāng)罩殼內(nèi)部的有毒氣體濃度達到報警設(shè)定值時，系統(tǒng)需發(fā)出報警信號，及時通知工作人員離開；當(dāng)可燃氣體的濃度達到報警設(shè)定值時，該系統(tǒng)也會發(fā)出報警信號，并通過DCS 系統(tǒng)啟動排氣扇裝置，對燃機罩、壓縮機罩、煙氣通道等處進行吹掃，直到這些氣體的濃度降到安全濃度；另外當(dāng)可燃氣體的濃度達到燃機跳機值時，該檢測系統(tǒng)能將高高報警信號送到燃氣輪機控制系統(tǒng)（GTC），通過GTC 系統(tǒng)將燃機立刻停機，以防止發(fā)生爆炸。

因GC 罩和GT 罩內(nèi)部環(huán)境基本相同，檢測系統(tǒng)設(shè)置也基本相似。

GT 排氣管道：在燃機點火前，燃氣排氣管道內(nèi)不能含有可燃氣體，如果燃氣排氣管道閥門泄漏或點火前吹掃不徹底，在燃氣排氣管道內(nèi)會聚積一定濃度的可燃氣體，如果這時點火就有可能發(fā)生爆炸事故。通過可燃氣體檢測控制系統(tǒng)，在點火前在線檢測燃氣排氣管道內(nèi)的可燃氣體濃度，當(dāng)可燃氣體的濃度高于工藝設(shè)定值時，則控制燃機保持吹掃，直至可燃氣體的濃度降低到允許范圍內(nèi)，以確保裝置和人員的安全。

因此，氣體檢測系統(tǒng)需要實現(xiàn)3 個區(qū)域的2 種氣體（CO 和H2）檢測，并能夠接入DCS 控制系統(tǒng)實現(xiàn)檢測數(shù)值顯示、報警和聯(lián)動控制功能。

2 實施方案

2.1 測點位置

根據(jù)本項目三菱燃機的系統(tǒng)配置，GT罩殼共設(shè)置了3套排風(fēng)扇，GC罩殼共設(shè)置了2套排風(fēng)扇，在其對應(yīng)的每套風(fēng)機出口均設(shè)置了一套可燃氣體檢測器，因GT 罩和GC 罩內(nèi)部空間較大，在其左右兩側(cè)各設(shè)置了1套有毒氣體檢測器，在GT 排氣管道上方設(shè)置了1套可燃氣體檢測器。具體測點位置示意圖如圖1 所示，分別是主廠房GC 罩內(nèi)部（1）、GT 罩內(nèi)部（2）、GC 罩排風(fēng)扇出口（3）、GT 罩排風(fēng)扇出口（4）、GT排氣管（5）。

圖1 燃機廠房氣體檢測點位示意圖

2.2 氣體檢測傳感器

目前常用的有毒氣體檢測多采用電化學(xué)原理的傳感器，其特點是工藝成熟，性價比高；可燃氣體檢測設(shè)備原理以催化燃燒型較為常見，其優(yōu)點是檢測精度高、響應(yīng)快，穩(wěn)定性好。本系統(tǒng)所采用的氣體報警設(shè)備如表1所示。

表1 有毒氣體和可燃氣體報警設(shè)備配置表

2.3 系統(tǒng)總體配置

整套氣體檢測系統(tǒng)的連接方式和邏輯關(guān)系如圖2 所示，在控制室設(shè)置了一套立式集中顯示報警控制柜作為整套檢測系統(tǒng)的核心設(shè)備，聯(lián)鎖報警和控制信號接入DCS系統(tǒng)。在現(xiàn)場5個不同的檢測位置設(shè)置5面控制柜，其所需電源為DC24V，由安裝在控制室內(nèi)的立式顯示報警器控制柜集中供電，氣體濃度信號由電纜傳輸?shù)搅⑹斤@示報警器控制柜上，再由立式顯示報警器控制柜將AI（DC4～20 mA)信號和DI（H和故障報警接點）信號傳送到DCS系統(tǒng)。

2.4 現(xiàn)場控制柜配置

GT（GC）罩CO 檢測控制柜:機組運行時，GT 罩內(nèi)部溫度可達80℃，罩殼內(nèi)的溫度較高，而且氣體含有多種雜質(zhì)，不能直接檢測，必需通過氣體采樣系統(tǒng)從罩殼的采樣點抽氣采樣，氣體采樣點設(shè)置在罩殼中部兩側(cè)墻高度1.5 m 左右，樣氣管入口安裝漏斗狀濾網(wǎng)，對采樣氣體進行粗濾，管道沿罩殼頂部接入控制柜。由采樣管路傳送至分析控制柜內(nèi)，再經(jīng)過預(yù)處理系統(tǒng)將氣體降溫和去除各種雜質(zhì)后才能進行檢測。

為提高傳感器使用壽命，將傳感器控制柜集中布置在GT 罩殼外，在GT 罩殼外設(shè)置一面CO 控制柜，柜內(nèi)集成2臺CO檢測儀主機，2路泵吸式采樣系統(tǒng)、2路預(yù)處理系統(tǒng)、2個氣體采集器，帶流量監(jiān)視的過濾器、三通切換閥、防爆電動采樣泵等設(shè)備。GC罩與GT罩的CO檢測控制柜配置相同。

GT 罩（GC 罩）風(fēng)扇出口H2 檢測控制柜：GT 罩和GC 罩頂部都裝有排氣扇，罩殼內(nèi)的氣體都是從底部向頂部排風(fēng)口流動，將采樣點設(shè)置在每個排氣扇出口管道內(nèi)，H2檢測控制柜安裝在罩殼風(fēng)扇平臺上，柜內(nèi)集成H2檢測儀主機，配套泵吸式采樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、氣體采集器等。在三菱MS701SDA(X)機組中，GT 罩頂部裝有3 個排風(fēng)扇，GC 罩頂部有2個排風(fēng)扇。因此GT罩殼風(fēng)扇出口的H2控制柜內(nèi)為3 套傳感器。GC 罩殼風(fēng)扇出口的控制柜為2 套傳感器。

圖2 氣體檢測系統(tǒng)連接方式和邏輯關(guān)系示意圖

GT 排氣管道H2檢測控制柜：在燃機點火后，燃氣排氣管道中的溫度將高達到600 ℃左右，其環(huán)境溫度與其他檢測點位相比差異較大，而且燃氣排氣管道內(nèi)含有大量煙塵、水汽等雜質(zhì)，其預(yù)處理系統(tǒng)必須加裝降溫設(shè)備。

由于點火后燃氣正常燃燒時，燃氣排氣管道中的溫度和可燃氣體的濃度都很高，此時檢測燃氣排氣管道中的可燃氣體濃度將失去意義，而周圍環(huán)境空氣中因排氣管道可能存在的泄漏而存在可燃氣體，有必要進行氣體檢測以保證周圍環(huán)境的安全。

在排氣道上方GT 罩殼風(fēng)扇平臺處，設(shè)置一面H2檢測控制柜，柜內(nèi)集成H2檢測儀主機、含泵吸式采樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、氣體采集器、水汽分離器、排水器、防爆電加熱器等。并集成了1 臺防爆電磁閥（三通、24VDC、單線圈），用于控制樣氣與環(huán)境空氣的切換。

2.5 集中顯示和報警控制柜

安裝在控制室內(nèi)，將從現(xiàn)場氣體檢測儀接收到的信號在顯示報警控制器上顯示出來對應(yīng)的氣體濃度，當(dāng)氣體濃度超過設(shè)定值時，將發(fā)出聲光報警，同時將報警DI 信號和AI 信號傳送到DCS 系統(tǒng)上，DCS 根據(jù)接收的DI、AI 信號和邏輯關(guān)系來控制排氣扇等聯(lián)動設(shè)備的工作。氣體監(jiān)測報警及控制系統(tǒng)盤將接收DCS 的指令，通過繼電器來控制電磁閥切換采樣系統(tǒng)的采樣回路。

每個檢測回路都具有自檢功能。當(dāng)任何一個回路出現(xiàn)故障時，都能發(fā)出故障報警，并將故障信號傳送到DCS 系統(tǒng)上，便于及時發(fā)現(xiàn)和解決系統(tǒng)故障。提供擴展功能，可以根據(jù)需求對報警設(shè)定值、報警勵磁方式、報警接點輸出方式（NC或NO），報警延遲響應(yīng)時間，零點漂移抑制功能、零追尾功能、線性輸出、峰值保持功能、報警試驗數(shù)值等功能進行設(shè)定和更改。

控制柜密集組合安裝CO 和H2顯示/報警控制器。由外部集中供電AC 220V5A，柜內(nèi)配置有氣體顯示報警控制器安裝盒、公共蜂鳴報警控制器、總電源開關(guān)、分路電源開關(guān)、整流設(shè)備、DC24V 電源、控制繼電器、散熱風(fēng)扇、接線端子排、接地銅排等。

3 點檢和維護

由于氣體檢測器為用于防災(zāi)和安全保障的重要設(shè)備，所以必須進行日常和定期點檢工作。

3.1 日常點檢

日常點檢需要對電源指示燈和濃度顯示值進行確認，以H2報警器GD-D58 為例，其顯示面板如圖3 所示，在檢測模式時，電源指示燈為綠色常亮，在維護模式時為綠燈閃爍；本機發(fā)生故障時，故障指示燈黃燈亮起。在正常運行時，需確認狀態(tài)顯示為RUN 狀態(tài)，同時故障燈為關(guān)閉狀態(tài)，濃度顯示值與集中顯示報警器主機及DCS 畫面保持一致，結(jié)合指示值判斷現(xiàn)場是否存在氣體，當(dāng)存在顯示偏差時立即檢查確認，用零點氣體或者新鮮空氣確認和調(diào)整零點。

圖3 GD-D58顯示面板

對于安裝在中央控制室的立式顯示報警控制柜來說，其周邊環(huán)境較好，日常檢查比較方便，只需要檢查電源指示燈，報警和故障指示燈的狀態(tài)，各點位的濃度顯示值是否正常，環(huán)境溫濕度等。

3.2 月度回路點檢

月度點檢需要對報警線路進行確認，利用系統(tǒng)的報警測試功能進行檢查；用MENU 鍵進入測試模式，可以進行氣體測試、報警測試、故障測試、LED測試、存儲測試等各種測試模式，每月需定期進行報警測試以確保檢測回路正常工作，在集中顯示報警控制柜中對于的顯示面板進行狀態(tài)確認，同時檢查DCS 畫面顯示狀態(tài)是否一致，有異常時安排檢查DCS控制回路及接線情況。

3.3 定期點檢

定期點檢周期一般不超過6 個月，需要利用標(biāo)準(zhǔn)氣體對報警器進行校準(zhǔn)和報警性能確認，具體標(biāo)準(zhǔn)氣體規(guī)格和標(biāo)定步驟參照產(chǎn)品手冊執(zhí)行，需提前準(zhǔn)備好相關(guān)的標(biāo)定專用工具，如標(biāo)定罩、磁力計等；確認操作人員經(jīng)過相關(guān)的作業(yè)培訓(xùn)。對于GD-D58型可燃氣體報警器，還需要利用固定流量泵確認流量傳感器功能。

3.4 維護注意事項

利用檢修或停機時間，可以對現(xiàn)場傳感器和報警柜進行清理，清理前確保電源已經(jīng)關(guān)閉，按照指導(dǎo)手冊進行易損件檢查和更換，如墊圈、滑環(huán)、過濾網(wǎng)和電磁閥等。

在系統(tǒng)投運初期，需要對現(xiàn)場傳感器的取樣管路進行多次檢查，防止施工初期由于現(xiàn)場粉塵和雜物過多導(dǎo)致的管路堵塞，可在現(xiàn)場儀表柜的樣氣管入口處拆開接頭，用壓縮空氣進行反吹，確保取樣管路的通暢。同時，燃機排氣段H2檢測柜中的三通閥也需要定期進行切換試驗，因為三通閥是否動作無法通過上位機進行監(jiān)控，定期試驗可以確保其正常切換的功能，保證檢測的樣氣來源是正確的。

4 結(jié)語

氣體檢測報警系統(tǒng)對于燃機系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行非常重要，需要在深入了解燃機工藝的基礎(chǔ)上，正確地選用報警器的類型，合理規(guī)范地安裝能夠保證檢測系統(tǒng)的有效性。該系統(tǒng)投運后運行效果良好，故障率極低，正確的使用和維護不僅能保證檢測精確度，還可以延長設(shè)備的使用壽命，降低運維成本。