西門子燃機可燃氣體監控系統改造

劉 驊，程 甫，於國良

（浙江浙能電力股份有限公司 蕭山發電廠，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控系統用于監控可燃氣體的泄漏情況，為確保可燃氣體監控系統提供安全、可靠和精確的保障，防止發生因傳感器測量偏差拒報而發生火災爆炸，檢定規程《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 可燃氣體監測系統

西門子燃氣輪機可燃氣體監測系統，主要由可燃氣體監測傳感器、可燃氣體監控系統、現場聲光報警器、上位機監測系統組成。現場安裝的可燃氣體監測傳感器以4mA～20mA的電流信號傳送至可燃氣體監控系統，用于顯示測量結果，可燃氣體監控系統根據預設的報警定值及保護定值觸發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，在TCS系統中實現控制室內的報警提示及燃氣輪機跳閘保護的觸發。

某電廠#3、#4燃氣輪機火災保護MINIMAX系統是2008年隨機組投產時配置，該系統機柜型號為FMZ4100，可燃氣體監控系統（型號：5701）作為其子系統配套使用。截止當前，可燃氣體監控系統已使用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，發生了由于可燃氣體監控系統控制卡故障，導致#4機組跳閘的事件。#3、#4機組的燃氣輪機可燃氣體監控系統已無法提供安全、可靠和精確的保障，可燃氣體監控系統改造也刻不容緩。

1.1 可燃氣體監控系統現狀

1.1.1 故障情況

統計2020年7月～2021年1月某電廠#3、#4機組可燃氣體監控系統設備缺陷情況，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的數據。通過數據統計判斷，可燃氣體監控系統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

對可燃氣體監控系統的卡件故障情況進行深度分析，分別統計了各種類型卡件的異常記錄，得到表2的數據。

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

1.2 某電廠#3、#4燃機可燃氣體監控系統結構

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據傳送至燃機火災保護MINIMAX系統中的可燃氣體監控系統，經二次表濃度比較判斷后，輸出在該監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，將會觸發相應的報警信號，再將報警信號引入TCS系統觸發相應的報警。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，將會觸發相應的跳閘信號，再將保護信號引入TCS系統觸發相應的保護。

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

1.3 三菱F級燃機可燃氣體監控系統結構

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。

可燃氣體監控系統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據傳送至電子室TSI（燃氣輪機監測系統）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），觸發相應的報警、保護。

1.4 GE燃機可燃氣體監控系統結構

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）。

可燃氣體監控系統結構與西門子機組類似，傳感器將檢測到可燃氣體濃度數據傳送至電子室TSI（燃氣輪機監測系統）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，觸發相應的報警、保護。

2 某電廠可燃氣體監控系統安全隱患

1）系統電源設置不合理

可燃氣體監控系統控制卡，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控系統控制卡。該系統設計中，電源的供應不能進行分卡操作，只能使用一塊系統控制卡。該控制卡故障則會造成可燃氣體監控系統失電，存在較大的安全隱患。

2）保護系統電源設置不合理

可燃氣體監控系統控制卡為燃氣輪機可燃氣體泄漏的保護回路提供24VDC電源。按照現有可燃氣體監控系統的電源配置情況，系統用于觸發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，則會觸發保護誤動導致機組跳閘的情況出現。

目前，某電廠#3、#4燃機使用的可燃氣體監控系統（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。若可燃氣體監控系統任一控制卡件故障，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控系統上進行查看，缺乏數據的實時性，且可燃氣體監控系統沒有記錄數據的功能，因此可燃氣體泄漏的數據也沒有歷史數據可供查詢，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）可燃氣體監控系統的I/O卡件安裝在就地，其環境因素較差，環境溫度、濕度變化較大，不利于卡件的長時間使用。

3 燃機可燃氣體監控系統改造方案

3.1 方案設計

1）可燃氣體傳感器的24VDC電源由TCS系統供應

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

2）保護邏輯由TCS系統完成

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，實現數據實施監控、保護實施觸發、歷史數據存儲等基本功能，報警及跳閘邏輯在燃機TCS系統中完成，再把報警和跳閘信號分別送至MINIMAX系統，實現就地聲光報警功能。

圖2 TCS系統保護邏輯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，熱工電子室的環境因素按照DLT 261-2012《火力發電廠熱工自動化系統可靠性評估技術導則》[4]執行，環境溫度維持在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

為確保可燃氣體監控系統改造順利實施，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系統正確識別。

3）信號送T3000系統測試

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系統可燃氣體監控系統送至燃氣輪機TCS系統跳閘保護的信號線纜。

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

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

4）可燃氣體監控系統高I值及高II值，通過TCS系統DO信號傳輸方式反饋給MINIMAX系統，實現MINIMAX系統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控系統中設置的可燃氣體高I值報警邏輯，在TCS系統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控系統中設置的可燃氣體高II值燃氣輪機跳閘邏輯，在TCS系統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機組可燃氣體監控系統于2021年5月10日完成改造工作。

2）#4機組可燃氣體監控系統于2021年5月20日完成改造工作。

3）TCS畫面實現可燃氣體信號監控，實現歷史數據存儲功能。

4.2 可燃氣體泄漏保護投入前試驗

1）DCS系統報警試驗

試驗方法：使用4mA～20mA信號發送器在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，模擬發送高I值信號，查看DCS系統報警是否正常，就地MINIMAX機柜相應的聲光報警是否正常。

試驗結果：正常。

2）DCS系統保護試驗

試驗方法：使用4mA～20mA信號發送器在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，模擬發送高II值信號，查看DCS系統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，經過機組30天無故障運行對可燃氣體機保護系統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）可燃氣體監控系統納入TCS系統管理后，沒有發生誤報警和保護誤動的情況。

3）可燃氣體監控系統納入TCS系統管理后，通過操作員站，多次及時發現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）可燃氣體監控系統納入TCS系統管理，有效提高了可燃氣體監控系統的可靠性、安全性。

2）可燃氣體監控系統納入TCS系統管理，便于及時發現可燃氣體傳感器故障，提高了設備的可靠性。

3）可燃氣體監控系統納入TCS系統管理，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）可燃氣體監控系統納入TCS系統管理，#3、#4燃氣輪機節約了可燃氣體監控系統升級費用，共約人民幣30萬元。

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

6 結束語

科技的發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可燃氣體監控系統分析及改造過程的敘述，解決了#3、#4機組可燃氣體監控系統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，最終將可燃氣體監控系統納入TCS系統進行管理和邏輯判斷，不但提高了設備的可靠性和安全性，還節約了生產費用，減少了維護人員勞動強度，提升了企業的安全管理形象，為以后再遇到類似問題提供拓展思維的一個重要方向。