6F.03燃氣輪機CO2滅火控制系統及常見故障分析與處理

趙雪芬

(南京汽輪電機(集團)有限責任公司,南京 210037)

1 概述

二氧化碳(CO2)滅火系統是燃氣輪機發電機組最重要的保護系統之一。二氧化碳滅火系統以CO2氣體作為滅火劑,采用冷卻(對設備進行降溫冷卻)、窒息(CO2降低機組箱體內氧氣含量)滅火原理[1-2],滅火后不留痕跡,不造成大破壞,滅火成本低。除了滅火,CO2充斥在空間里,能對周邊降溫。

從消防角度看,燃氣輪機的大部分艙室都屬于消防重點。燃氣輪機作為內燃機的一種,本質上是通過燃料與空氣的燃燒提供能量,機組配套有大量的強、弱電設施與設備,本身即是潛在的消防問題來源。燃氣輪機使用的天然氣或石油燃料,不論機組在高溫環境下,還是在大量帶電設備的環境中,都加劇了消防面臨的風險。此外,燃氣輪機潤滑油本身并不可燃,但在高溫蒸發下,足夠濃度的潤滑油油霧也是燃燒物質,會進一步擴大燃燒的過火面積。因此,燃氣輪機CO2滅火系統自燃氣輪機投產前的調試階段開始,就必須始終處于良好的備用狀態,一旦發生火災要及時撲滅,減少機組受到的破壞,避免天然氣、潤滑油等造成的進一步危險。

與以往的6B、9E機組相比,6F.03機組在消防區域的劃分上沒有變化,依舊是1區包括燃機間和負荷齒輪間、2區排氣蝸殼內、4區油氣模塊。在消防管路走向、噴頭和氣喇叭數量及各區域所需CO2體積上略有差異,但本身安裝工藝與之前的機型并無太大差別。在控制系統方面,6F.03機組更新了消防盤、添加了設備、更換了探頭,控制策略更加復雜、保護內容也更加豐富。

2 CO2滅火控制系統的硬件組成

熟悉設備元件是了解控制系統策略的前提,本文把現場安裝的消防元件,按所在區域進行整理,并將特殊設備單獨介紹。

2.1 消防1區

消防1區的設備布置最為復雜,因此也最為典型。

從安裝來說,消防1區元件的布置又可分為負荷齒輪間、輪機間、燃機罩殼三個部分。負荷齒輪間內配置有A、B兩個火災探測回路,每個回路上布置2個并聯的火災感溫探頭。輪機間由于空間較大,配置有A1、B1、A2、B2四個回路。其中A1、B1位于天然氣環管附近,每個回路上布置了3個并聯的探頭;A2、B2位于透平左、右兩側靠近過道處,每個回路上布置2個探頭。燃機罩殼上,在各個艙室的門口,都布置有聲光/閃光報警器、消防四色指示燈、消防按鈕、閉鎖鑰匙。

從設備來說,雖然同一區域,火災感溫探頭的型號不盡相同,負荷齒輪間由于環境溫度低且沒有天然氣通過,采用了探針與處理模塊一體化,安裝簡便,設置報警溫度為(163±14)℃。輪機間環境溫度高、有天然氣通過,采用了探針與處理模塊分離的模式,處理模塊安裝于罩殼外壁上,僅探針安裝在輪機間內,設置報警溫度為(316±14)℃。探頭雖然外形不一致,但內部接線是一致的,都配置有報警信號、故障信號和供電電路,同一消防回路上的探頭,采用并聯的方式將信號和電路連接。聲光/閃光報警器在消防觸發時起到警示的作用,報警喇叭根據與聲音接收位置的角度差異,有96.7～109.3 dB的高音,因此在設計階段,采用了聲光報警和單純閃光燈報警結合布置的方式,達到既滿足報警聲音的覆蓋需求,又降低了生產成本。消防四色指示燈顯示了當前消防系統的狀態,紅色表示正在報警,黃色表示正常監視中,綠色表示已機械閉鎖,藍色表示已鑰匙閉鎖,這些燈通過消防盤的控制實現相互閉鎖,每次只會有一種顏色的燈亮起。消防按鈕用于手動觸發消防報警。閉鎖鑰匙關閉CO2的噴放功能,僅保留火災保護系統的監視與報警。這些設備也都按照并聯的方式接入消防系統中。

1區的設備布置如圖1所示,圖中43CP為消防手報按鈕,43CL為鑰匙鎖,AL為四色燈,SLI為聲光/閃光報警器,45FT為火災探頭。

2.2 消防2區

消防2區指排氣蝸殼區域內,這個地方空間最小,溫度最高,因此配置了A、B兩個火災探測回路,每個回路上布置2個并聯的分離式火災感溫探頭,設置報警溫度為(316±14)℃。探針安裝在蝸殼內,信號處理模塊安裝在1區的罩殼上。消防2區實際是位于消防1區里燃氣輪機內部的空腔區域,沒有單獨的罩殼,因此2區沒有配備消防按鈕和閉鎖鑰匙,并且共享1區的聲光/閃光報警器和消防四色指示燈。2區的設備布置如圖2所示。

2.3 消防4區

消防4區分為潤滑油間和氣體燃料間,對于使用石油產品作為燃料的機組,還會有液體燃料間,這些房間都會配置A、B兩個火災探測回路,每個回路上布置2個并聯的火災感溫探頭,設置報警溫度為(163±14)℃。區別在于燃料間存在風險,采用了分離式火災感溫探頭,而相對安全的潤滑油間使用了一體式的探頭。

在消防4區的罩殼上,與1區類似的也布置有聲光/閃光報警器、消防四色指示燈、消防按鈕和閉鎖鑰匙。4區的設備布置如圖3所示。

2.4 CO2集裝箱

CO2集裝箱用于存放1、2、4區滅火的CO2氣瓶,并配置了噴放觸發和氣體狀態監視、阻隔閉鎖等設備。消防系統將每個區的CO2噴放細分為初放和續放。初放用于初次瞬時大量釋放CO2氣體,達到快速滅火的作用;續放是持續且緩慢的釋放CO2,以保證滅火區域的阻燃氣體濃度,達到徹底滅火、防止復燃的目的。對每個消防區域,消防系統都配置了2個先導瓶電磁閥,用于打開消防先導啟動瓶,啟動瓶內的壓力氣體,會頂開對應區域的初放和續放CO2氣瓶,初放和續放管路上配置有壓力開關,用于監視管路中是否有CO2存在,管路出口也配置有手閥,手閥的位置開關作為消防系統機械鎖定的依據,機械鎖定與罩殼上的鑰匙鎖定功能相同,會關閉電磁閥的觸發功能,但能正常的監視和報警。此外,初放和續放區域還配置有CO2氣瓶的檢測,一旦CO2瓶內氣體無意中泄漏或被噴放,氣瓶重量減輕,發出氣瓶失重報警。

2.5 紫外線探頭

紫外線探頭在1、4區的每個區域都有布置,一般采用區域正中背靠背或者對角安裝的方法,而在空間較大的輪機間,采用多組紫外線探頭,分部照射燃氣輪機本體和走道,其目的是盡可能的覆蓋整個區域。與其他消防設備相比,紫外線探頭首先接入燃氣輪機自身的控制系統進行報警,再將處理后的報警信號轉交給消防系統。采用不同設備提高了消防安全的冗余度,這也是國標GB 50116—2013《火災自動報警系統設計規范》[3]中消防系統不能采用單一設備類型、必須是不同探測形式的報警觸發裝置的要求。

更重要的是,相比于消防感溫探頭,紫外線探頭對早期火災的發現與撲滅具有重大意義。2022年10月13日,江蘇某電廠潤滑油泵發生故障,MCC馬達保護尚處在報警的延時階段,起火后油泵運作狀態異常,不再滿足馬達保護的報警條件,運行人員因此無法察覺危機的出現。但伴隨著油泵火苗的剛剛竄出,紫外線探頭迅速報警,運行人員即刻前往現場巡查并滅火,切換備泵,成功避免了火勢的加劇,保障了機組繼續運行。按設計要求,潤滑油間的消防感溫探頭設定值在163 ℃,如果單純的只依靠感溫探頭報警,顯然只有更大的火勢、更高的溫度才能觸發報警動作,此次紫外線探頭在火情初期的報警,極大減輕了失火程度,縮短了運行人員的反應時間,將損失降到了最低。紫外線探頭的迅速報警,有效避免了大面積失火和機組的跳機,避免了事故后期的通報和檢查等一系列工作,提高了電廠運行生產效率。紫外線探頭在各消防區域的布置如圖4所示。

圖4 6F.03燃氣輪機紫外線探頭現場布置概況

3 CO2消防控制系統邏輯消防策略

6F.03機組新增了很多元器件,消防控制邏輯較以往的機組也更加復雜。從消防分區來看,1區與4區較為獨立,2區只有感溫探頭,2區在狀態顯示和指令上調用了1區罩殼上的設備;從邏輯上看,各消防區域的保護策略仍相對獨立且高度類似。本文不采用常規的按消防區域逐個描述策略的方法,而是從實際應用狀況出發,依據報警重要程度,將其劃分為一般報警、故障報警、火警報警三塊內容進行總結,這些報警的總結對消防任意一個區域都是適用的。

3.1 一般報警

一般報警主要包括正常運行狀態的顯示、CO2氣瓶是否被鎖定禁止噴放及氣瓶狀態。

(1) 當CO2集裝箱內初放管路或續放管路手閥關閉時,先導瓶電磁閥動作被禁止,發出系統故障報警。

(2) 當CO2集裝箱內初放管路或續放管路手閥關閉時,先導瓶電磁閥動作被禁止,CO2機械鎖定報警,消防四色指示燈顯示為綠色亮。

(3) 當燃氣輪機或油氣模塊罩殼上鑰匙鎖定時,先導瓶電磁閥動作被禁止,CO2鑰匙鎖定報警,消防四色指示燈顯示為藍色亮。

(4) 當CO2集裝箱內氣瓶失去重量時,顯示對應區域的CO2氣瓶失重,系統故障報警。

(5) 當罩殼上鑰匙未鎖,初放管路與續放管路都處于手閥打開狀態,且消防四色燈的紅色狀態燈未亮時,表示當前消防系統正常監視中,消防四色燈顯示為黃色亮。

在一般報警中,消防鎖定分手閥機械閉鎖和鑰匙閉鎖。手閥的鎖定更傾向從機械角度隔離CO2氣體,甚至對手閥的單管路鎖定還增添了一組故障報警,其目的就是為了保證CO2氣體在初放和續放管路上都能被完全打開或隔絕,避免功效缺失。鑰匙的鎖定是從消防盤的控制角度隔斷CO2氣體觸發。雖然他們動作與顯示狀態不同,但從邏輯策略上看并無任何區別。此外,氣瓶的失重報警也增添了故障報警,其目的是加強對CO2氣瓶的重視。

3.2 故障報警

故障報警主要是各類元件或火災盤的狀態不正常引起的。

(1) 當同一艙室內回路A或B故障時,觸發系統故障報警。

(2) 當同一艙室內回路A且B故障時,觸發系統故障報警,且觸發該區域失去火災保護報警。

(3) 火警已觸發50 s但初放管路的壓力開關未動作時,觸發系統報警,由于無法確認是管路中真的沒有CO2氣體還是壓力開關出現了故障,但出于安全目的,系統仍然會激活對應區域的聲光/閃光報警器,消防四色指示燈顯示為紅色亮,并發出CO2氣體已被釋放報警且停運對應區域的所有風機,此時燃氣輪機跳機。

(4) 當消防盤的供電電壓或備用電池出現故障時,觸發系統報警。

(5) 當消防盤的供電電壓且備用電池出現故障時,觸發該區域失去火災保護報警。

在故障報警中,單個故障報警的出現一般不具有處理的緊迫性,但多個故障同時報警常常會導致燃氣輪機自動停機,火警也會失去冗余保護,因此必須謹慎對待,盡快處理故障。

3.3 火警報警

火警報警分為預火警、火警和紫外線探頭監測火警。

(1) 當同一艙室內回路A或B報出火警時,觸發預火警。

(2) 當同一艙室內回路A或B任意發出一個火警和一個故障信號時,觸發系統故障和火警。

(3) 當同一艙室內回路A且B報出火警時,觸發火警。

(4) 當消防按鈕動作時,觸發火警。

(5) 當收到紫外線探頭報警時,發出紫外線探頭監測火警。

(6) 當CO2集裝箱內初放管路或續放管路壓力開關動作時,聲光/閃光報警器持續工作,且送出對應區域CO2氣體釋放的信號。

在各類火警報警中,紫外線火警探頭非常靈敏,對外界的強烈陽光、工作焊接電弧、火機噴槍等都會做出反應,因此作為火災早期出現的抑制手段,可配合巡檢人員檢查后采取手動措施,因此不觸發火警。預火警則是作為區域火警前的冗余,確保不會因單個回路的問題導致消防誤動。當判定實際火警發生時,消防系統會對對應區域的CO2先導瓶電磁閥動作,CO2氣體開始噴放并滅火,聲光/閃光報警器開始報警,消防四色指示燈顯示為紅色亮,同時消防盤會向燃氣輪機控制系統送出對應區域火災報警和通用火警信號,向燃氣輪機MCC送出對應消防區域的風機停運信號。消防管路上的壓力開關定值非常低,因此噴放后,即使火勢已滅,只要消防管路中存在壓力,聲光/閃光報警器就會一直工作,CO2釋放信號不會消失,防止人員窒息。

綜上所述,消防系統在報警發生時,不僅有系統的警告、消防動作和狀態顯示,還與燃氣輪機控制系統、燃氣輪機MCC存在邏輯連鎖。其中大部分消防狀態都會作為燃氣輪機的起機判定條件,因此一個正常的、無故障、無火警的消防系統是燃氣輪機起機的必要條件。在燃氣輪機運行期間,失去消防保護(30FTA)會觸發機組自動停機;火警(45FTX-N、45FTX)和CO2的釋放(63CP-N)則會導致燃氣輪機跳機、MCC風機停運。

4 消防控制系統常見問題

消防控制系統常見問題往往與設備的自然損壞、檢修過程中的操作不當有關。本文按照消防設施的部署位置,闡述CO2氣瓶集裝箱內設備、消防區域的元件和消防盤柜三處易出現的問題。

(1) CO2氣瓶集裝箱內設備

閉鎖手閥的開關空間常會受到消防管路的影響,因此在安裝和更換時,應注意避讓管路。

CO2噴放電磁閥在檢修時,需從先導瓶上全部拆除,避免各類情況導致的氣體誤噴。壓力開關內部加裝巡檢電阻,在定期壓力表校驗后應檢查電阻是否正常,更換元件后應加裝巡檢電阻,否則會使系統誤判為線路開路。

(2) 消防區域的元件

消防感溫探頭在不同艙室的溫度設定是不一致的,比如輪機間和消防2區本身環境溫度高,探頭的報警溫度就需要更高,更換時一定要注意正確設置。多個電廠出現過溫度設置錯誤,導致燃氣輪機運行期間探頭報火警跳機、CO2氣體誤噴放的情況。更換探頭后的接線也應該注意,前文我們已介紹到同一回路的探頭采用并聯接線的方法,但探頭的故障信號是常閉點,有些電廠會誤判并聯方式并在早期調試時弄錯,改為了串聯方式,實則故障信號的常閉指其失電狀態,探頭得電會變為開信號,因此正常運行階段仍需采用并聯方式接入回路。

紫外線探頭在超過允許的高溫環境下易失能,反復失能會導致設備徹底損壞,因此對于艙室的環境溫度要提高重視,如環境溫度異常,應找出不合理的熱源。

消防四色指示燈采用了鹵素燈泡,屬于易耗品,尤其是黃色燈在正常運行期間常亮,點亮半年即時長約4 400 h,已遠超一般鹵素燈的壽命,因此要常備備件或選擇更換壽命更長的LED燈。

消防按鈕應定期檢查擊碎玻璃是否斷裂,如果斷裂需及時更換,避免玻璃脫落觸發火警,更換時要選擇正規的消防玻璃,這些玻璃在擊碎中心點處已做了劃痕,在火情緊急時刻更易擊破。如果整體更換消防按鈕,需檢查其內部接線端子,很多消防按鈕帶有巡檢電阻,而消防系統本身已安裝了巡檢電阻,兩處電阻一旦并聯,整個回路的巡檢電阻會降為原先額定值的二分之一,此時消防系統會判定消防按鈕觸發,立刻噴放CO2氣體。

(3) 消防盤柜

消防盤柜放置在燃氣輪機控制室內,環境較好,一般不會出現故障,但在現場檢修時,應斷電工作或解開對應的回路。有的電廠在做一些簡單的維護時,帶弱電接線,導致消防盤內保險絲燒毀。還有些電廠因機組長期不運行,燃氣輪機消防盤柜徹底斷電,最終導致蓄電池因長期虧電而報廢。因此消防盤如果長期斷電,需要定期給其中的蓄電池充電。

在消防盤與燃氣輪機的保護閉鎖方面,消防盤不僅會向燃氣輪機控制系統發送停機和跳機指令,還會向燃氣輪機MCC發送停止風機運行的信號。一些電廠在運行期間處理消防問題時,只著重考慮了控制系統的保護,屏蔽了消防盤柜發來的停機和跳機指令,忽略了正常運行的燃氣輪機停下風機后控制系統邏輯會因通風問題導致跳機。因此,在臨時解除消防連鎖保護方面,也應做好周全考慮,并在處理完故障后做到全面恢復。

綜上所述,燃氣輪機的消防問題在安裝、運行和維護檢修各階段都會存在。在處理的過程中,往往面臨機組跳機、CO2氣體誤噴的風險,需要高度謹慎。因此只有提前預備設置好參數的備品備件、詳細規劃好檢修工作步驟、不斷完善工作票上的操作流程,才能保證各類故障的妥善解決。

5 總結

6F.03系列燃氣輪機在國內的訂單量已超過40臺,其中接近半數已投入商業運行,這些項目都使用了新型的消防控制系統。與早前的6B、9E機型相比,6F.03消防盤采用了全新的微處理器控制代替了原先GE自產的可編程邏輯控制器(PLC);現場新增了紫外線探頭、消防四色指示燈、閉鎖鑰匙;使用了新型的消防探頭、消防按鈕。豐富的設備讓消防系統對燃氣輪機的保護更加全面,但也帶來了更復雜的控制策略。

經過分析,我們發現大多數的消防跳機和噴放都是人為原因導致的,因此了解設備特性、理順邏輯原理、熟悉檢修要點變得尤為重要。本文從消防系統的硬件設備、消防控制策略、常見故障三個方面進行了全面的闡述和詳盡總結,相信只要結合工作實踐,一定可以提升6F.03機型消防系統的穩定性,降低運行維護中的風險,提高燃氣輪機運行的整體質量。