西門子燃機可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)改造

劉 驊，程 甫，於國良

（浙江浙能電力股份有限公司 蕭山發(fā)電廠，杭州 311251）

0 引言

可燃、易爆氣體是造成天然氣生產領域中重大安全事故的來源之一[1]。所謂“可燃氣體”，是指在常溫常壓下以氣態(tài)形式存在的物質，可燃氣體和助燃介質混合后會形成混合可燃氣，在點火源的作用下能夠引起燃燒甚至產生爆炸的情況。某燃氣輪機電廠使用的燃料為天然氣，天然氣容積濃度在5%～14%范圍內極易產生爆炸效應，這一過程中的氧化反應速度非常快，同時有強烈的光和熱，并伴隨一定的壓力。

由于可燃氣體存在巨大的危險性，因而對可燃氣體的檢測和報警是一項必要的工作。為有效地監(jiān)測燃氣輪機安全運行，燃氣輪機機組都會配備一套可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)控可燃氣體的泄漏情況，為確保可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)提供安全、可靠和精確的保障，防止發(fā)生因傳感器測量偏差拒報而發(fā)生火災爆炸，檢定規(guī)程《可燃氣體檢測報警器JJG/693-2011》[2]要求對可燃氣體報警器至少每年進行一次檢定工作，國家能源局發(fā)布的《防止電力生產事故的二十五項重點要求》[3]8.7.4條明確要求：“加強燃氣泄漏探測器的定期維護，每季度進行一次校驗，確保測量可靠”。

1 可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)

西門子燃氣輪機可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)，主要由可燃氣體監(jiān)測傳感器、可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場聲光報警器、上位機監(jiān)測系統(tǒng)組成。現(xiàn)場安裝的可燃氣體監(jiān)測傳感器以4mA～20mA的電流信號傳送至可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)，用于顯示測量結果，可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)根據預設的報警定值及保護定值觸發(fā)相應的保護信號及就地的聲光報警器。保護信號以硬接線的方式將保護信號傳輸給燃氣輪機TCS系統(tǒng)，在TCS系統(tǒng)中實現(xiàn)控制室內的報警提示及燃氣輪機跳閘保護的觸發(fā)。

某電廠#3、#4燃氣輪機火災保護MINIMAX系統(tǒng)是2008年隨機組投產時配置，該系統(tǒng)機柜型號為FMZ4100，可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)（型號：5701）作為其子系統(tǒng)配套使用。截止當前，可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)已使用14年，面臨硬件老化、卡件故障率高，備件停產且難以采購等一系列問題，已經嚴重影響到機組運行的安全性及可靠性。2021年1月21日，發(fā)生了由于可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)控制卡故障，導致#4機組跳閘的事件。#3、#4機組的燃氣輪機可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)已無法提供安全、可靠和精確的保障，可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)改造也刻不容緩。

1.1 可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1.1 故障情況

統(tǒng)計2020年7月～2021年1月某電廠#3、#4機組可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)設備缺陷情況，通過分析卡件故障、傳感器故障、信號回路異常、變送器接頭泄漏各種類型的異常情況，得到表1的數(shù)據。通過數(shù)據統(tǒng)計判斷，可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)產生故障的原因主要集中在卡件故障。

1.1.2 卡件故障調查

對可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)的卡件故障情況進行深度分析，分別統(tǒng)計了各種類型卡件的異常記錄，得到表2的數(shù)據。

表2 卡件故障具體原因統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of specific causes of card failures

1.2 某電廠#3、#4燃機可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)結構

某電廠#3、#4燃機罩殼內共8個可燃氣體傳感器信號（#1、#2為燃料閥組頂部傳感器，#3、#4、#5、#6為燃機頂部鋼梁懸掛可燃氣體傳感器，#7、#8為燃機罩殼排氣擴散段可燃氣體傳感器）。

如圖1所示，可燃氣體測量傳感器將檢測到可燃氣體濃度數(shù)據傳送至燃機火災保護MINIMAX系統(tǒng)中的可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)，經二次表濃度比較判斷后，輸出在該監(jiān)控盤中完成濃度判斷。如果#1、#2、#3、#4、#5、#6傳感器中任意一個濃度大于10%或#7、#8傳感器中任意一個濃度大于5%，即任一傳感器到達高I值，將會觸發(fā)相應的報警信號，再將報警信號引入TCS系統(tǒng)觸發(fā)相應的報警。而當#1、#2、#3、#4、#5、#6傳感器中任意一個濃度大于20%或#7、#8傳感器中任意一個濃度大于10%，即任一傳感器到達高II值，將會觸發(fā)相應的跳閘信號，再將保護信號引入TCS系統(tǒng)觸發(fā)相應的保護。

圖1 西門子F級燃機可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of Siemens F-class gas turbine combustible gas monitoring system

1.3 三菱F級燃機可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)結構

三菱F級燃機在燃機罩殼#1A、#1B、#1C風機排氣口處布置New Cosmos型可燃氣體探測器3只，用于機組運行期間用監(jiān)測罩殼風機排出氣體中可燃氣體濃度，參與機組燃氣泄漏保護。

可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)結構與西門子機組類似，傳感器將檢測到的可燃氣體濃度數(shù)據傳送至電子室TSI（燃氣輪機監(jiān)測系統(tǒng)）控制柜內二次表，經二次表濃度比較判斷后輸出開關量至TPS（燃氣輪機保護系統(tǒng)），觸發(fā)相應的報警、保護。

1.4 GE燃機可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)結構

GE的F級燃機通常有兩組可燃氣體探測信號（#1、#2為燃料閥組可燃氣體傳感器，#3、#4為燃機透平間可燃氣體傳感器）。

可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)結構與西門子機組類似，傳感器將檢測到可燃氣體濃度數(shù)據傳送至電子室TSI（燃氣輪機監(jiān)測系統(tǒng)）控制柜內二次表，經二次表濃度比較判斷后輸出開關量至MARK VI系統(tǒng)，觸發(fā)相應的報警、保護。

2 某電廠可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)安全隱患

1）系統(tǒng)電源設置不合理

可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)控制卡，接受兩路24VDC電源，但是兩路24VDC電源都接入同一塊可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)控制卡。該系統(tǒng)設計中，電源的供應不能進行分卡操作，只能使用一塊系統(tǒng)控制卡。該控制卡故障則會造成可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)失電，存在較大的安全隱患。

2）保護系統(tǒng)電源設置不合理

可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)控制卡為燃氣輪機可燃氣體泄漏的保護回路提供24VDC電源。按照現(xiàn)有可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)的電源配置情況，系統(tǒng)用于觸發(fā)燃氣輪機跳閘的供電回路設計不合理，存在較大的保護誤動風險。

原有的保護邏輯設計中，TCS系統(tǒng)中對應的I/O卡件接收到24VDC信號，則判斷可燃氣體泄漏量正常，I/O卡件未接收到24VDC信號則判斷可燃氣體泄漏異常，機組跳閘。在這種情況下，若24VDC電源丟失，則會觸發(fā)保護誤動導致機組跳閘的情況出現(xiàn)。

目前，某電廠#3、#4燃機使用的可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)（型號：5701）已經停產且產品的原廠家也無法提供備件，處于備件無法采購的尷尬局面。若可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)任一控制卡件故障，則面臨沒有備件可換的情況。

3）可燃氣體泄漏信號只能在可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)上進行查看，缺乏數(shù)據的實時性，且可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)沒有記錄數(shù)據的功能，因此可燃氣體泄漏的數(shù)據也沒有歷史數(shù)據可供查詢，運行、維護人員無法分析可燃氣體泄漏的趨勢和量值，對燃氣輪機可燃氣體傳感器的管理存在較大的滯后性。

4）可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)的I/O卡件安裝在就地，其環(huán)境因素較差，環(huán)境溫度、濕度變化較大，不利于卡件的長時間使用。

3 燃機可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)改造方案

3.1 方案設計

1）可燃氣體傳感器的24VDC電源由TCS系統(tǒng)供應

某電廠#3、#4燃機的TCS系統(tǒng)24VDC電源由兩路24VDC同時供應，24VDC電源穩(wěn)定可靠。

2）保護邏輯由TCS系統(tǒng)完成

如圖2所示，可燃氣體傳感器通過硬接線把信號傳輸至TCS系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據實施監(jiān)控、保護實施觸發(fā)、歷史數(shù)據存儲等基本功能，報警及跳閘邏輯在燃機TCS系統(tǒng)中完成，再把報警和跳閘信號分別送至MINIMAX系統(tǒng)，實現(xiàn)就地聲光報警功能。

圖2 TCS系統(tǒng)保護邏輯Fig.2 TCS system protection logic

圖4 24VDC電源分配Fig.4 24VDC Power distribution

AI信號的I/O卡件選擇為放置于熱工電子室的I/O機柜，熱工電子室的環(huán)境因素按照DLT 261-2012《火力發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)可靠性評估技術導則》[4]執(zhí)行，環(huán)境溫度維持在18℃～28℃，相對濕度維持在45%～70%，含塵小于0.3mg/m3，利于卡件的長周期運行。

3.2 實施前的測試工作

為確保可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)改造順利實施，在方案開始前完成下列準備工作：

1）可燃氣傳感器24VDC電源外供測試

使用獨立的24VDC電源給可燃氣體傳感器供電，可燃氣體傳感器可以正常工作。在測量大氣的工況下，可以正確輸送4mA信號。

2）信號送TXP系統(tǒng)測試

在#4機組電子室，使用外供24VDC電源給可燃氣體傳感器供電，4mA信號接入TXP系統(tǒng)4線制AI通道（使用通道量程為4mA～20mA對應0%LEL～100%LEL），信號可以被TXP系統(tǒng)正確識別。

3）信號送T3000系統(tǒng)測試

在#5機組電子室，使用外供24VDC電源給可燃氣體傳感器供電，4mA信號接入4線制AI通道（使用通道量程為4mA～20mA對應0%LEL～100%LEL），可以被T3000系統(tǒng)正確識別。

4）可燃氣體傳感器線性度測試

可燃氣體傳感器通電的情況下，分別使用10%LEL、40%LEL標準濃度值的天然氣標準氣體，通過標定罩通入傳感器，可燃氣體傳感器輸出電流信號隨著可燃氣體濃度的變化呈線性變化，電流輸出分別為5.6mA及10.4mA，和標準氣體濃度值相一致。

3.3 實施方案

1）取消#3、#4機組MINIMAX系統(tǒng)可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)送至燃氣輪機TCS系統(tǒng)跳閘保護的信號線纜。

2）可燃氣體傳感器至燃氣輪機TCS系統(tǒng)敷設信號電纜，可燃氣體泄漏傳感器信號送至TCS系統(tǒng)顯示。

3）可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)高I值報警及高II值跳燃機保護邏輯在TCS側完成[5]。

4）可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)高I值及高II值，通過TCS系統(tǒng)DO信號傳輸方式反饋給MINIMAX系統(tǒng)，實現(xiàn)MINIMAX系統(tǒng)中關于可燃氣泄漏相應的聲光報警。

5）可燃氣體泄漏檢測傳感器的電源供應，改為由TCS系統(tǒng)24VDC提供。

6）信號線纜敷設

① 30(40)CPA01機柜和MINIMAX機柜敷設信號電纜及24VDC電源電纜。

② 可燃氣體泄漏檢測傳感器改線工作，在MINIMAX機柜處完成。

③ 可燃氣檢測傳感器接線如圖3。

圖3 可燃氣檢測傳感器接線圖Fig.3 Wiring diagram of combustible gas detection sensor

7）電源分配

為確保可燃氣體傳感器24VDC電源的獨立性，每個可燃氣體傳感器24VDC都由獨立的熔絲開關提供，目標機柜的備用熔絲不夠，需要進行相應的改造工作，30(40)CPA01機 柜 新 增 熔 絲F56、F57、F58、F59、F60、F61、F62、F63。

3.4 TCS邏輯

1）根據原有可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)中設置的可燃氣體高I值報警邏輯，在TCS系統(tǒng)中完成相應的報警邏輯編譯工作，見表3。

2）根據原有可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)中設置的可燃氣體高II值燃氣輪機跳閘邏輯，在TCS系統(tǒng)中完成相應的燃氣輪機跳閘邏輯編譯工作，見表4。

表4 報警邏輯2Table 4 Alarm logic2

4 可靠性措施的實施及效果

4.1 改造完成時間

1）#3機組可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)于2021年5月10日完成改造工作。

2）#4機組可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)于2021年5月20日完成改造工作。

3）TCS畫面實現(xiàn)可燃氣體信號監(jiān)控，實現(xiàn)歷史數(shù)據存儲功能。

4.2 可燃氣體泄漏保護投入前試驗

1）DCS系統(tǒng)報警試驗

試驗方法：使用4mA～20mA信號發(fā)送器在MINIMAX機柜處的可燃氣體檢測傳感器的接線處分別對8個可燃氣體檢測信號，模擬發(fā)送高I值信號，查看DCS系統(tǒng)報警是否正常，就地MINIMAX機柜相應的聲光報警是否正常。

試驗結果：正常。

2）DCS系統(tǒng)保護試驗

試驗方法：使用4mA～20mA信號發(fā)送器在MINIMAX機柜處的可燃氣體檢測傳感器的接線處分別對8個可燃氣體檢測信號，模擬發(fā)送高II值信號，查看DCS系統(tǒng)相應的保護信號動作是否正常，就地MINIMAX機柜相應的聲光報警是否正常。

試驗結果：正常。

3）樣氣試驗

試驗方法：在就地可燃氣體檢測傳感器處，使用10%LEL和20%LEL天然氣試驗用樣氣進行傳感器測試，查看DCS系統(tǒng)相應的信號顯示及保護動作是否正常，就地MINIMAX機柜相應的聲光報警是否正常。

試驗結果：正常。

4）有效性驗證

試驗方法：邏輯工作完成后，“可燃氣體機泄漏保護”保持撤出狀態(tài)，經過機組30天無故障運行對可燃氣體機保護系統(tǒng)改造措施進行有效性驗證，再制定保護投入的時間。

試驗結果：正常。

4.3 保護投入情況

1）#3、#4燃機可燃氣體保護，于2021年6月10日保護投入。

2）可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)納入TCS系統(tǒng)管理后，沒有發(fā)生誤報警和保護誤動的情況。

3）可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)納入TCS系統(tǒng)管理后，通過操作員站，多次及時發(fā)現(xiàn)可燃氣體傳感器故障并及時更換，提高了設備可靠性、安全性。

4.4 可燃氣體檢測報警器校準情況

2021年12月，對#3、#4機組可燃氣體檢測報警器進行了校準工作，TCS側的示值誤差符合JJG 693-2011《可燃氣體檢測報警器檢定規(guī)程》要求（見圖5）。

圖5 可燃氣體檢測報警器校準結果Fig.5 Calibration result of combustible gas detection alarm

5 取得的成果

1）可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)納入TCS系統(tǒng)管理，有效提高了可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、安全性。

2）可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)納入TCS系統(tǒng)管理，便于及時發(fā)現(xiàn)可燃氣體傳感器故障，提高了設備的可靠性。

3）可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)納入TCS系統(tǒng)管理，便于運行、維護人員對可燃氣體實際泄漏情況有更直觀的判斷，提高了設備的安全性。

4）可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)納入TCS系統(tǒng)管理，#3、#4燃氣輪機節(jié)約了可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)升級費用，共約人民幣30萬元。

5）可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)使用的I/O卡件由原來的就地更改為現(xiàn)在的熱工電子室，改善了卡件工作的環(huán)境，提升了卡件使用壽命。

6 結束語

科技的發(fā)展和安全生產的需求，需要可燃氣體傳感器帶來越來越安全、可靠和精確的保障，本文通過對本廠#3、#4可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)分析及改造過程的敘述，解決了#3、#4機組可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)備件無法采購的這一盲點。通過制定、實施合適的可靠性措施，最終將可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)納入TCS系統(tǒng)進行管理和邏輯判斷，不但提高了設備的可靠性和安全性，還節(jié)約了生產費用，減少了維護人員勞動強度，提升了企業(yè)的安全管理形象，為以后再遇到類似問題提供拓展思維的一個重要方向。