燃氣輪機危險氣體監測及故障診斷技術研究

蘇州工業園區藍天燃氣熱電有限公司 安 升

目前，國內燃氣輪機發電機組以天然氣為主要燃料，其啟停快、排放低，在新型電力系統中發揮著重要的角色。天然氣屬于易燃易爆氣體，燃氣輪機燃燒系統設備均為管道法蘭連接，各設備間模塊化整合、集成，若天然氣發生泄漏并迅速集聚在有限空間內，存在極大的安全隱患，嚴重時，將會發生火災或爆炸等惡性事故。因此，燃氣輪機配備相應危險氣體監測系統十分必要。

當前，市場應用于燃氣輪機危險氣體監測系統的傳感器主要有以下三種。一是接觸燃燒式傳感器。根據催化燃燒效應原理，當氣敏元件接觸可燃性氣體時，可燃氣體在有催化劑的電橋上無焰燃燒，橋臂的電阻值因溫度增加而增加，引起橋路輸出電壓變化，該電壓的變化量隨著氣體濃度增大而成正比關系增大[1]，達到設定濃度則發出報警。催化燃燒方式的檢測器須安裝在無沖擊、無振動、無電磁場干擾的場所，并用焊錫包裹裸露線頭；當探頭暴露在高濃度的天然氣中時，必須對其重新校驗，以維持正常探測靈敏度。

二是紅外氣體傳感器。其工作原理是基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強度關系，當光線穿過光路中的被測氣體，透過窄帶濾波片，到達紅外氣體傳感器，可測量CH4、COx、SO2等氣體[2]。其反應速度、穩定性好，但是易受水汽影響，導致準確性差，標定復雜，維護成本高。

三是熱線半導體傳感器。其工作原理是通過內置泵吸取樣氣均勻通過傳感器來檢測，利用半導體表面電阻變化來測量可燃氣體濃度。優點是傳感器靈敏度高，響應速度快；通過內置泵，氣體能均勻通過傳感器，保證檢測精度，功耗小、壽命長；泵吸式使探頭遠離高溫、多塵的工作環境，保障測量精度，適用于低濃度泄漏檢測。以上三種用于天然氣監測系統的傳感器，各有特點、利弊，各燃氣輪機電廠按各自需求進行選擇。

本文以某9E燃機電廠使用的危險氣體監測系統為例，分析監測探頭故障原因，并提出技術改造，消除設備隱患。

該廠9E燃機配有一套危險氣體監測系統，危險氣體探頭分別安裝在三個區域，分別是DLN閥站通風機88VL風道進口處、輪機間燃燒缸下方和輪機間通風機88BT進口處。每個區域均安裝3個氣體檢測探頭，在燃氣輪機透平控制中心（TCC）內危險氣體監測系統可以顯示危險氣體濃度、輸出濃度高報警及探頭或卡件故障報警，該系統參與機組保護。

該機組投產至今，發生多次因危險氣體探頭故障、誤報，導致機組啟動失敗、非計劃停運事件，嚴重影響機組安全穩定運行，亟須對其故障原因進行深入分析、研究，并提出可行性方案，避免該類異常事件再次發生。

1 危險氣體探頭故障原因分析

該廠原危險氣體檢測系統為機組配備的Honeywell system 57，型號為5701/5703。配套使用的危險氣體檢測探頭為催化燃燒式隔爆型探頭（ExdⅡB+H2 T2 Gb），采用三線制平衡電橋測量方式。當危險氣體進入探頭時，會發生無焰燃燒氧化反應，溫度上升后電橋電阻發生變化，輸出相應變化的電壓信號給數據處理裝置，轉換為相應的危險氣體濃度顯示。數據處理裝置根據濃度高低進行比較，輸出濃度高I或II值，分別用于報警或保護跳機。危險氣體監測系統SYSTEM 57如圖1所示。

圖1 危險氣體監測系統裝置

圖2 45HT-4/5/6危險氣體探頭就地安裝圖

1.1 危險氣體探頭周圍環境溫度偏高

9E燃機透平缸體無保溫隔熱設計，整個輪機間空間溫度較高，尤其頂部空間極為明顯。安裝在輪機間通風機88BT進口處（效果圖如見2所示）的三個天然氣危險氣體探頭（代號45HT-4/5/6），恰處于此高溫區域。

危險氣體探頭設計的工作環境溫度為-55℃至150℃，而此區域的三個危險氣體探頭長期處于120℃以上，接近設計極限溫度下工作，從而導致高溫環境溫度下探頭壽命、性能受到影響，發生測量數據偏差、探頭故障損壞。

1.2 危險氣體探頭工作環境溫度變化大

由于采用三線制平衡電橋測量方式，對線路電阻要求較高。危險氣體探頭與氣體監測系統連接部分導線需經過就地接線盒轉接，由于機組調峰頻繁，導致設備所處的工況變化較大，端子排連接金屬和就地電纜銅芯熱脹冷縮，引起測量回路電橋的阻值變化，進而引起危險氣體測量參數的波動，影響了危險氣體監測準確性。

1.3 危險氣體探頭遭受強磁、粉塵及油霧干擾

危險氣體探頭監測的工作原理是當氣體濃度超過限定值時，將經過放大的橋路輸出電壓與電路探測設定電壓通過電壓比較器進行比較，并發出監測差別報警信號[3]。從危險氣體檢測儀原理可以看出，若危險氣體探頭附近出現電磁干擾，會影響探頭檢測信號，出現數據偏差或波動。

當燃機輪機間冷卻通風機88BT啟動時，啟動瞬間電流是正常運行電流的四至七倍，期間產生較大的磁場，該區域的危險氣體探頭受到電磁場干擾作用，對探頭的監測效果產生了影響。

此外，由于危險氣體探頭位于通風機88BT風道入口處，固體、顆粒粉塵進入探頭內部、集聚，造成探頭內部堵塞，監測靈敏度下降；空氣中混雜的潤滑油油煙，被通風機88BT吸入，也會造成危險氣體探頭污染失效，通過對危險氣體探頭故障原因的分析，可以得出結論，任一原因發生，監測系統將會發出報警，保護誤動作，機組將不可避免地發生非計劃停運。

2 針對危險氣體探頭故障的解決方案

2.1 高溫區危險氣體探頭移位及改型

為避免高溫環境對氣體探頭測量產生的負影響，該廠結合現場情況，同時根據對同類型機組的多次調研，計劃采用內置抽氣泵的日本新宇宙公司CQ002型泵吸式危險氣體探測器。在燃機透平間頂部安裝檢測集箱，將三只探測器布置在檢測集箱內，并配套三通閥、過濾器、流量計等單元模塊。箱內泵吸式探測器通過1/4英寸不銹鋼管對風道入口氣體進行抽吸、降溫、測量、排出[4]，整個過程保證了樣氣的潔凈和干燥，能有效保護探頭，提高測量精度。改造后的安裝示意圖及現場安裝圖如圖3、4、5所示。

圖3 危險氣體探頭45HT-4/5/6移位后設計圖紙

圖5 危險氣體探頭45HT-4/5/6在檢測箱內安裝效果圖

2.2 降低信號干擾

危險氣體探頭改造采用6芯雙屏蔽電纜，單獨制作電纜橋架，重新鋪設，將危險氣體探頭信號電纜與透平間通風機88BT電機動力電纜隔離，同時檢測集箱安裝在透平間頂部檢修平臺東南角，遠離電機布置，將電機產生的電磁場及振動對探測的干擾強度降至最低。

3 危險氣體探頭改造后效果

3.1 同步優化報警提示

此次改造，同步優化了報警提示，改造后的危險氣體探頭直接將輸出的4～20mA電流信號傳輸至Mark VIe控制系統（改造前僅探頭故障報警時才會傳輸），實現實時監視氣體濃度，在數值發生變化時，運行人員能及時發現異常并處理，提高了機組運行的可靠性。

3.2 實現在線、離線標定

檢測集箱內設計有三通閥，可對氣路管進行反吹清灰，閥門切換后可在線進行探頭標零，結合機組停運機會，技術人員可使用10%LEL的標氣對探頭進行校準，探頭響應靈敏、探測精準。如圖6所示。

圖6 改造后危險氣體探頭校準中數據顯示圖

3.3 實現既定目標

經生產技術人員統計，危險氣體探頭改造后，在機組運行期間，檢測集箱內探頭溫度較改造前平均降低了約80℃，探頭運行工況良好，測量數值精準、穩定。技術人員調取了兩個月的氣體探頭測量值的歷史曲線，測量濃度值均在0%LEL～0.3%LEL。如圖7所示。

圖7 3月至4月危險氣體探頭測量歷史曲線

經遷移改造后，燃機透平間通風機88BT風道入口危險氣體檢測探頭45HT-4/5/6運行穩定，無異常波動及故障現象。每季度定期校準時，探頭響應靈敏，測量誤差極小。

通過對9E燃機危險氣體探頭的測量原理、發生故障的原因進行判斷、深入分析，提出了危險氣體探頭換型及調整安裝位置，且重新鋪設信號電纜將其與透平間通風機88BT電機動力電纜隔離等改進措施，徹底解決了因危險氣體探頭長期故障無法投入正常運行的安全隱患。經改造后跟蹤分析，危險氣體探頭因高溫環境、信號干擾導致故障及測量值波動等現象未再發生，探頭故障率得到較好控制。

機組因危險氣體探頭異常導致機組非計劃停運的事故未再發生。通過改造，有效提高了危險氣體探頭的可靠性，保護正常投入，設備投用可靠率100%。從而保證了機組的安全穩定運行。