燃機廠房氣體檢測系統的研究與應用

張海忠，郭永鵬，武 哲

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

引言

面對日益迫切的環境問題，鋼鐵企業節能減排和提質增效的愿望十分強烈，能源介質的高效循環利用就是一個努力的方向。利用燃氣蒸汽聯合循環發電裝置（CCPP）進行發電就是一種多介質多梯度的能源綜合利用項目。

在典型的利用富余煤氣發電的CCPP 系統中，高爐煤氣與焦爐煤氣混合并經煤氣壓縮機增壓后，與經壓氣機壓縮后的空氣充分混合燃燒，生成高溫煙氣驅動燃氣輪機做功。在燃機廠房內，煤氣介質廣泛存在，尤其是燃機本體的煤壓機罩殼區域和燃機罩殼內，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、引發火災或爆炸，所以可燃氣體和有毒氣體檢測報警和聯動控制對燃機系統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中，其燃料為由高爐煤氣（BFG）和焦爐煤氣（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 個區域，分別是GT罩內部，GC罩內部，GT排氣道。

GT（GC）罩：需要同時檢測有毒氣體和可燃氣體，當罩殼內部的有毒氣體濃度達到報警設定值時，系統需發出報警信號，及時通知工作人員離開；當可燃氣體的濃度達到報警設定值時，該系統也會發出報警信號，并通過DCS 系統啟動排氣扇裝置，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；另外當可燃氣體的濃度達到燃機跳機值時，該檢測系統能將高高報警信號送到燃氣輪機控制系統（GTC），通過GTC 系統將燃機立刻停機，以防止發生爆炸。

因GC 罩和GT 罩內部環境基本相同，檢測系統設置也基本相似。

GT 排氣管道：在燃機點火前，燃氣排氣管道內不能含有可燃氣體，如果燃氣排氣管道閥門泄漏或點火前吹掃不徹底，在燃氣排氣管道內會聚積一定濃度的可燃氣體，如果這時點火就有可能發生爆炸事故。通過可燃氣體檢測控制系統，在點火前在線檢測燃氣排氣管道內的可燃氣體濃度，當可燃氣體的濃度高于工藝設定值時，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，以確保裝置和人員的安全。

因此，氣體檢測系統需要實現3 個區域的2 種氣體（CO 和H2）檢測，并能夠接入DCS 控制系統實現檢測數值顯示、報警和聯動控制功能。

2 實施方案

2.1 測點位置

根據本項目三菱燃機的系統配置，GT罩殼共設置了3套排風扇，GC罩殼共設置了2套排風扇，在其對應的每套風機出口均設置了一套可燃氣體檢測器，因GT 罩和GC 罩內部空間較大，在其左右兩側各設置了1套有毒氣體檢測器，在GT 排氣管道上方設置了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 罩內部（1）、GT 罩內部（2）、GC 罩排風扇出口（3）、GT 罩排風扇出口（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；可燃氣體檢測設備原理以催化燃燒型較為常見，其優點是檢測精度高、響應快，穩定性好。本系統所采用的氣體報警設備如表1所示。

表1 有毒氣體和可燃氣體報警設備配置表

2.3 系統總體配置

整套氣體檢測系統的連接方式和邏輯關系如圖2 所示，在控制室設置了一套立式集中顯示報警控制柜作為整套檢測系統的核心設備，聯鎖報警和控制信號接入DCS系統。在現場5個不同的檢測位置設置5面控制柜，其所需電源為DC24V，由安裝在控制室內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到立式顯示報警器控制柜上，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。

2.4 現場控制柜配置

GT（GC）罩CO 檢測控制柜:機組運行時，GT 罩內部溫度可達80℃，罩殼內的溫度較高，而且氣體含有多種雜質，不能直接檢測，必需通過氣體采樣系統從罩殼的采樣點抽氣采樣，氣體采樣點設置在罩殼中部兩側墻高度1.5 m 左右，樣氣管入口安裝漏斗狀濾網，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，再經過預處理系統將氣體降溫和去除各種雜質后才能進行檢測。

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 罩殼外設置一面CO 控制柜，柜內集成2臺CO檢測儀主機，2路泵吸式采樣系統、2路預處理系統、2個氣體采集器，帶流量監視的過濾器、三通切換閥、防爆電動采樣泵等設備。GC罩與GT罩的CO檢測控制柜配置相同。

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

圖2 氣體檢測系統連接方式和邏輯關系示意圖

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含有大量煙塵、水汽等雜質，其預處理系統必須加裝降溫設備。

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境的安全。

在排氣道上方GT 罩殼風扇平臺處，設置一面H2檢測控制柜，柜內集成H2檢測儀主機、含泵吸式采樣系統、預處理系統、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，將從現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的氣體濃度，當氣體濃度超過設定值時，將發出聲光報警，同時將報警DI 信號和AI 信號傳送到DCS 系統上，DCS 根據接收的DI、AI 信號和邏輯關系來控制排氣扇等聯動設備的工作。氣體監測報警及控制系統盤將接收DCS 的指令，通過繼電器來控制電磁閥切換采樣系統的采樣回路。

每個檢測回路都具有自檢功能。當任何一個回路出現故障時，都能發出故障報警，并將故障信號傳送到DCS 系統上，便于及時發現和解決系統故障。提供擴展功能，可以根據需求對報警設定值、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、報警試驗數值等功能進行設定和更改。

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、分路電源開關、整流設備、DC24V 電源、控制繼電器、散熱風扇、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和安全保障的重要設備，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；本機發生故障時，故障指示燈黃燈亮起。在正常運行時，需確認狀態顯示為RUN 狀態，同時故障燈為關閉狀態，濃度顯示值與集中顯示報警器主機及DCS 畫面保持一致，結合指示值判斷現場是否存在氣體，當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，各點位的濃度顯示值是否正常，環境溫濕度等。

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確認，同時檢查DCS 畫面顯示狀態是否一致，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，需要利用標準氣體對報警器進行校準和報警性能確認，具體標準氣體規格和標定步驟參照產品手冊執行，需提前準備好相關的標定專用工具，如標定罩、磁力計等；確認操作人員經過相關的作業培訓。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，可以對現場傳感器和報警柜進行清理，清理前確保電源已經關閉，按照指導手冊進行易損件檢查和更換，如墊圈、滑環、過濾網和電磁閥等。

在系統投運初期，需要對現場傳感器的取樣管路進行多次檢查，防止施工初期由于現場粉塵和雜物過多導致的管路堵塞，可在現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 結語

氣體檢測報警系統對于燃機系統的安全穩定運行非常重要，需要在深入了解燃機工藝的基礎上，正確地選用報警器的類型，合理規范地安裝能夠保證檢測系統的有效性。該系統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，還可以延長設備的使用壽命，降低運維成本。