張瑞明, 潘亞潔

(中廣核工程有限公司, 廣東 深圳 518124)

0 引 言

電廠中部分廠房或區(qū)域存有有毒或可燃?xì)怏w,對(duì)人身安全產(chǎn)生極大影響,并有爆炸風(fēng)險(xiǎn),如蓄電池間(蓄電池的充放電會(huì)產(chǎn)生氫氣)。對(duì)于該類(lèi)區(qū)域,需根據(jù)氣體的類(lèi)型配置對(duì)應(yīng)的探測(cè)裝置系統(tǒng),即可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng),探測(cè)器產(chǎn)生的報(bào)警信號(hào)通過(guò)氣體主機(jī)發(fā)送到火災(zāi)報(bào)警控制器中[1]。

某電廠可燃?xì)怏w(氫氣)探測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中有一個(gè)氫氣探測(cè)器報(bào)警,引發(fā)多個(gè)探測(cè)器同時(shí)報(bào)警。工作組通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,深入分析系統(tǒng)、設(shè)備原理,并搭建試驗(yàn)平臺(tái),最終確定故障原因(接地),提出了針對(duì)性改進(jìn)措施。

1 可燃?xì)怏w(氫氣)探測(cè)系統(tǒng)

對(duì)于存在可燃、有毒氣體的場(chǎng)所,需要配置對(duì)應(yīng)的可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)?？扇?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)由探測(cè)器、主機(jī)等組成。本文以氫氣探測(cè)系統(tǒng)為例進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 探測(cè)器

按檢測(cè)原理分類(lèi),探測(cè)器通常有4種,分別為熱導(dǎo)型、半導(dǎo)體型、催化燃燒型(接觸燃燒) 和紅外線吸收型[2]。核電廠部分區(qū)域存在較強(qiáng)的輻射性,在選型時(shí)應(yīng)予以考慮。綜合耐輻照、成本、可靠性等因素,核電廠往往采用催化燃燒型探測(cè)器。

催化燃燒型探測(cè)器的傳感器屬于高溫傳感器,其檢測(cè)元件是在鉑絲線圈上包氧化鋁和粘合劑而形成球狀,其外表面敷有鉑、鈀等稀有金屬(催化劑),習(xí)慣上稱(chēng)之為黑元件[2]。催化燃燒型探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 催化燃燒型探測(cè)器結(jié)構(gòu)

檢測(cè)過(guò)程中,可燃?xì)怏w在敏感元件的表面發(fā)生燃燒反應(yīng),產(chǎn)生熱量,使敏感元件的溫度升高。敏感元件由螺旋形鉑絲和表面附著的催化載體材料構(gòu)成(鉑絲是溫度敏感材料),傳感器的溫度升高必然使其阻值增大,產(chǎn)生不平衡電壓,反應(yīng)出被測(cè)可燃?xì)怏w的濃度[2]。

1.2 探測(cè)系統(tǒng)原理

探測(cè)系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 探測(cè)系統(tǒng)原理

控制器主機(jī)提供工作電壓,探測(cè)器根據(jù)被測(cè)氣體的濃度通過(guò)惠斯登電橋改變回路的電壓,進(jìn)而改變線路的電流,再通過(guò)主機(jī)側(cè)的采樣電阻采集電壓變化,確定回路電流與氣體濃度的關(guān)系。不同的報(bào)警等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的報(bào)警電流大小,氫氣主機(jī)通過(guò)干結(jié)點(diǎn)(輸入模塊)輸出多級(jí)報(bào)警信號(hào)至火災(zāi)報(bào)警控制器。

當(dāng)回路電流在4～20 mA之間時(shí),主機(jī)報(bào)警(濃度報(bào)警)信號(hào)正常。當(dāng)回路電流超出該區(qū)間時(shí),控制器主機(jī)應(yīng)發(fā)出回路故障信號(hào)(非濃度報(bào)警信號(hào)),以通知火災(zāi)報(bào)警控制器氫氣回路故障,而不是濃度超標(biāo)。在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)回路電流<4 mA或>20 mA時(shí),控制器主機(jī)無(wú)法發(fā)出故障信號(hào)給火災(zāi)報(bào)警控制器。為解決該問(wèn)題,在回路中增加M1507監(jiān)測(cè)模塊。該模塊通過(guò)對(duì)回路電流采樣,當(dāng)電流<4 mA或>20 mA時(shí)直接通過(guò)輸入模塊向火災(zāi)報(bào)警控制器報(bào)故障。某電廠可燃?xì)怏w(氫氣)探測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 某電廠可燃?xì)怏w(氫氣)探測(cè)系統(tǒng)

電廠中每4組探測(cè)器為一個(gè)小單元,每個(gè)M1507監(jiān)測(cè)模塊可以同時(shí)監(jiān)測(cè)4組探測(cè)器,并發(fā)出總故障信號(hào)。受制于圖紙尺寸,圖3中僅顯示2組探測(cè)器的應(yīng)用場(chǎng)景。

2 故障情況

某電廠中一臺(tái)氫氣控制柜帶4個(gè)氫氣探測(cè)器,現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)時(shí)1個(gè)探測(cè)器下方連接裝有標(biāo)準(zhǔn)氫氣的氣瓶,當(dāng)氫氣濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)未發(fā)生報(bào)警,而繼續(xù)提高氫氣濃度時(shí)探測(cè)器同時(shí)報(bào)警,且報(bào)警數(shù)值接近。經(jīng)對(duì)控制器、探測(cè)器軟硬件進(jìn)行逐項(xiàng)檢查,未發(fā)現(xiàn)故障。初步懷疑是M1507模塊引起的。將M1507模塊移除后再次試驗(yàn),不再發(fā)生故障現(xiàn)象。因此,確認(rèn)是M1507輸入通道的問(wèn)題。

供應(yīng)商針對(duì)該問(wèn)題在工廠進(jìn)行模擬試驗(yàn),模擬效果與設(shè)計(jì)值一致,未發(fā)現(xiàn)上述故障現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)與工廠試驗(yàn)截然相反的測(cè)量結(jié)果引起工作組的注意,并確定以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為主,進(jìn)行重點(diǎn)分析。

3 故障原因分析及解決方案

3.1 原因分析

根據(jù)現(xiàn)象初步鎖定問(wèn)題在M1507模塊內(nèi)部,故對(duì)M1507進(jìn)行分析測(cè)量。M1507接線圖如圖4所示。

圖4 M1507接線電路

由圖4可知,4個(gè)氫氣探測(cè)器的輸出端分別接入M1507的模擬量輸入通道正端(AI0+、AI1+、AI2+、AI3+),經(jīng)過(guò)內(nèi)部250 Ω采樣電阻后,再由M1507的模擬量輸入通道負(fù)端(AI0-、AI1-、AI2-、AI3-)傳出,接至控制器主機(jī)的負(fù)端。經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn):M1507模塊的4路模擬量輸入通道(AI0-、AI1-、AI2-、AI3)等電位,4個(gè)點(diǎn)連通,即圖3中A、B兩點(diǎn)連通(其余2個(gè)電阻也與A、B點(diǎn)連通)。仿真模擬電路如圖5所示(2個(gè)探測(cè)器),并在軟件中進(jìn)行仿真,測(cè)量各節(jié)點(diǎn)的電壓、電流。

圖5 仿真模擬電路

圖5中,R17、R19輸出端短接,以模擬各輸出通道的連通。T01與T02是模擬現(xiàn)場(chǎng)控制器主機(jī)的接地。經(jīng)模擬,當(dāng)T01、T02閉合時(shí),流過(guò)R17的電流在R18、R20進(jìn)行再分配,分配原則與R18、R20電阻相關(guān)。根據(jù)氫氣探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量原理,假定探測(cè)器監(jiān)測(cè)到回路電流達(dá)到8 mA時(shí)(一級(jí)報(bào)警值),正常工作時(shí)回路電流為5 mA。當(dāng)流過(guò)R17的電流為8 mA(模擬一級(jí)報(bào)警),流過(guò)R19的電流為5 mA(模擬正常狀態(tài)),經(jīng)過(guò)R18、R20的重新分配,考慮到各探測(cè)器主機(jī)的采樣電阻差異不大,視為相同,因此流過(guò)R18、R20的電流為6.5 mA,因此兩個(gè)主機(jī)均不會(huì)報(bào)警,這與故障現(xiàn)象吻合。當(dāng)流過(guò)R18的電流達(dá)到19 mA時(shí),重新分配的電流為12 mA(>8 mA),兩個(gè)主機(jī)均發(fā)出報(bào)警信號(hào),與現(xiàn)場(chǎng)故障現(xiàn)象吻合。

經(jīng)模擬,當(dāng)T01、T02斷開(kāi)時(shí)探測(cè)器、主機(jī)均正常工作,沒(méi)有誤報(bào)警等狀況出現(xiàn),這與工廠模擬結(jié)果一致。

3.2 結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)器主機(jī)的接地線均連接至同一接地網(wǎng),而在工廠主機(jī)的接地點(diǎn)懸空。二者的差異通過(guò)仿真平臺(tái)模擬得以驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)以上分析,確定此次事件的根本原因:M1507模塊的采樣電阻輸出端短接,電流重新分配,導(dǎo)致發(fā)生拒報(bào)警、誤報(bào)警現(xiàn)象。

3.3 解決方案

根據(jù)分析,生產(chǎn)工廠確認(rèn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中忽略接地問(wèn)題,最終對(duì)M1507模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì),4個(gè)通道完全獨(dú)立,避免故障問(wèn)題的發(fā)生。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)某電廠可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)使用過(guò)程中發(fā)生的拒報(bào)警、誤報(bào)警現(xiàn)象進(jìn)行剖析,結(jié)合軟件仿真平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,確定是接地導(dǎo)致電流的再分配問(wèn)題,并對(duì)故障原因進(jìn)行分析,提出針對(duì)性的解決方案。