段小文

(國(guó)能浙江南潯天然氣熱電有限公司，浙江 湖州 313009)

天然氣的主要成分是易燃、易爆、易揮發(fā)的甲烷(CH4)氣體，作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃料，一旦發(fā)生泄漏將導(dǎo)致不可估量的風(fēng)險(xiǎn)。為了實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備區(qū)域的可燃?xì)怏w檢測(cè)，保障現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)安全，按照天然氣行業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和安全技術(shù)規(guī)范要求，燃?xì)廨啓C(jī)配置可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)，用于可燃?xì)怏w的泄漏預(yù)警[1-2]。

某公司裝機(jī)2臺(tái)100 MW級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組是由南京汽輪電機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司生產(chǎn)的PG6111FA型燃?xì)廨啓C(jī)和QFR-88-2J型發(fā)電機(jī)配套組成。自2018年投產(chǎn)以來(lái)，燃?xì)廨啓C(jī)配置的可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)零點(diǎn)漂移，探測(cè)器的檢測(cè)數(shù)據(jù)在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中偏離零點(diǎn)，導(dǎo)致檢測(cè)系統(tǒng)異常報(bào)警，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)存在的問題與分析

1.1 可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)介與保護(hù)配置

該公司燃?xì)廨啓C(jī)可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)由控制器和可燃?xì)怏w探測(cè)器組成[3-4]，采用霍尼韋爾(Honeywell)公司生產(chǎn)的設(shè)備：控制器為System 57型盤裝式控制器，安裝在燃?xì)廨啓C(jī)控制室內(nèi)，配套冗余電源供電；探測(cè)器為SENSEPOINT HT高溫型催化燃燒式可燃?xì)怏w探測(cè)器，安裝在燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)房?jī)?nèi)[5]。探測(cè)器每三個(gè)為一組，共計(jì)三組九通道：透平間底部(45HT-1、45HT-2、45HT-3)、透平間出風(fēng)道(45HT-4、45HT-5、45HT-6)、油氣模塊間出風(fēng)道(45HA-4、45HA-5、45HA-6)。探測(cè)器檢測(cè)甲烷(CH4)體積百分比濃度≥4 % LEL時(shí)高報(bào)警，體積百分比濃度≥8 % LEL時(shí)高高報(bào)警。

燃?xì)廨啓C(jī)可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作邏輯設(shè)置為：(1) 同組中任意兩通道高高報(bào)警，延時(shí)5 s燃?xì)廨啓C(jī)跳閘；(2) 同組中任一通道故障且另外兩通道任一高高報(bào)警，延時(shí)5 s燃?xì)廨啓C(jī)跳閘；(3) 同組中任意兩通道故障且第三個(gè)高報(bào)警，延時(shí)5 s燃?xì)廨啓C(jī)跳閘。由此可見，燃?xì)廨啓C(jī)可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

1.2 探測(cè)器零點(diǎn)漂移的成因

催化型可燃?xì)怏w探測(cè)器是利用催化燃燒熱效應(yīng)原理,由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)構(gòu)成測(cè)量電橋，在一定溫度條件下可燃?xì)怏w在檢測(cè)元件載體表面及催化劑的作用下發(fā)生無(wú)焰燃燒，使載體溫度升高，內(nèi)部的鉑絲電阻也相應(yīng)升高，平衡電橋失去平衡，輸出一個(gè)與可燃?xì)怏w濃度成正比的電信號(hào)。因此可以通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)部鉑絲的電阻變化來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)可燃性氣體的濃度[6-7]。

可燃?xì)怏w探測(cè)器通過(guò)擴(kuò)散和吸附的方式，使空氣和檢測(cè)氣體通過(guò)一個(gè)燒結(jié)的不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)與探測(cè)器及平衡器充分接觸，探測(cè)器上受熱的表面促進(jìn)可燃?xì)怏w分子的氧化，而經(jīng)過(guò)處理的平衡器是惰性的，不支持這一氧化過(guò)程。通常平衡器可在很廣的環(huán)境狀況下保持零點(diǎn)漂移的穩(wěn)定性，但催化燃燒傳感器在使用過(guò)程中可能會(huì)被環(huán)境中的特定物質(zhì)逐漸改變或中毒，在正常使用情況下其靈敏度每年自然下降10 %～30 %，因此須要定期校準(zhǔn)探測(cè)器，使正常產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移保持在可控范圍[8]。

通常零點(diǎn)漂移的產(chǎn)生與系統(tǒng)的信號(hào)機(jī)制有關(guān)，System 57檢測(cè)系統(tǒng)配置的探測(cè)器工作電壓為2.9 ～3.5 V，對(duì)應(yīng)200 mA電流，由控制卡件提供3 V工作電源，控制卡件與探測(cè)器建立實(shí)時(shí)通訊，控制回路并非標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA信號(hào)。在探測(cè)器內(nèi)部電阻有較小的物理特性變化即探測(cè)器傳回信號(hào)與控制器卡件通道內(nèi)的預(yù)設(shè)信號(hào)不一致，導(dǎo)致探測(cè)器信號(hào)值大于或小于通道配置數(shù)據(jù)中保持的預(yù)設(shè)值，數(shù)據(jù)異常出現(xiàn)零點(diǎn)漂移。高溫區(qū)域探測(cè)器更容易受到影響，在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)透平間溫度一般高于110 ℃。在燃?xì)廨啓C(jī)停運(yùn)狀態(tài)下，透平間溫度為正常環(huán)境溫度，此時(shí)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)并預(yù)設(shè)卡件通道信號(hào)，探測(cè)器數(shù)據(jù)顯示正常。而當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)，由于透平間溫度急劇上升，探測(cè)器數(shù)據(jù)偏離正常的零點(diǎn)，出現(xiàn)了零點(diǎn)漂移[9]。

1.3 溫度變化產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的實(shí)例分析

該公司燃?xì)廨啓C(jī)主要參與電網(wǎng)調(diào)峰，機(jī)組等效利用時(shí)長(zhǎng)不高，運(yùn)行方式多為晝啟夜停，啟停次數(shù)頻繁，使燃?xì)廨啓C(jī)透平間溫度變化比較頻繁。統(tǒng)計(jì)2020年度1、2號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)探測(cè)器零點(diǎn)漂移發(fā)生的頻次與溫區(qū)的數(shù)據(jù)(見表1)，發(fā)現(xiàn)探測(cè)器零點(diǎn)漂移基本出現(xiàn)在燃?xì)廨啓C(jī)高溫區(qū)域透平間內(nèi)，符合環(huán)境溫度頻繁變化導(dǎo)致探測(cè)器零點(diǎn)漂移頻繁發(fā)生的特點(diǎn)。

表1 探測(cè)器零點(diǎn)漂移發(fā)生頻次與溫區(qū)的數(shù)據(jù)表

統(tǒng)計(jì)1、2號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)2020年度探測(cè)器零點(diǎn)漂移次數(shù)、燃?xì)廨啓C(jī)啟停次數(shù)及運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)(見表2)發(fā)現(xiàn)：2號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)探測(cè)器零點(diǎn)漂移次數(shù)比1號(hào)少7次、啟停次數(shù)少24次、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)少264.83 h。計(jì)算零點(diǎn)漂移發(fā)生概率與啟停次數(shù)的關(guān)系：燃?xì)廨啓C(jī)每啟停1次，1號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生零點(diǎn)漂移的概率為18.75 %，2號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生零點(diǎn)漂移的概率為12.5%，概率偏差33.3%。計(jì)算零點(diǎn)漂移發(fā)生概率與運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系：燃?xì)廨啓C(jī)每運(yùn)行1 h，1號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生零點(diǎn)漂移的概率為1.01 %，2號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生零點(diǎn)漂移的概率為0.54 %,概率偏差46.5%。由此也可以看出，1、2號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)探測(cè)器發(fā)生零點(diǎn)漂移的概率偏差跟機(jī)組啟停次數(shù)、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)有關(guān)。

表2 探測(cè)器零點(diǎn)漂移與燃?xì)廨啓C(jī)啟停次數(shù)、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)表

環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)影響零點(diǎn)漂移的趨勢(shì)，出現(xiàn)“正漂移”和“負(fù)漂移”兩種變化。根據(jù)溫度與電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系：在常溫狀態(tài)下校準(zhǔn)零點(diǎn)基準(zhǔn)，當(dāng)環(huán)境溫度升高后，探測(cè)器內(nèi)部電阻增大，出現(xiàn)“+2.5% LEL”范圍內(nèi)的數(shù)值漂移；在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行狀態(tài)下校準(zhǔn)零點(diǎn)基準(zhǔn)，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)停運(yùn)后環(huán)境溫度逐漸降低，探測(cè)器內(nèi)部電阻減小，出現(xiàn)“-2.5% LEL”范圍內(nèi)的數(shù)值漂移。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)多次升溫降溫的劇烈溫度變化對(duì)探測(cè)器的使用壽命影響比較大，探測(cè)器使用了一段時(shí)間后，隨著性能的下降，零點(diǎn)漂移發(fā)生的頻次更高[10]。

2 技術(shù)改造的方案

2.1 技術(shù)改造的兩種思路

可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)System 57型盤裝式控制器在2019年已經(jīng)停產(chǎn)，如不進(jìn)行設(shè)備升級(jí)改造，將面臨后續(xù)配件無(wú)法采購(gòu)的問題。因此在規(guī)劃可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)時(shí)，考慮到探測(cè)器的零點(diǎn)漂移與環(huán)境溫度變化有關(guān)，而燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行方式又決定溫度變化的因素不可消除，如果要降低探測(cè)器零點(diǎn)漂移，只能從設(shè)備的信號(hào)特性或探測(cè)器的工作環(huán)境上去做改善。目前可以嘗試兩種解決思路，抑制探測(cè)器受環(huán)境溫度的影響或者消除探測(cè)器所在的環(huán)境溫度的變化。由這兩種思路可以延伸制定相應(yīng)的解決方案(見圖1)，并對(duì)技術(shù)方案的適用性進(jìn)行探討。

圖1 解決方案選擇圖

2.2 方案的設(shè)計(jì)與分析

消除溫度變化的解決思路是采用抽取式取樣檢測(cè)，將燃?xì)廨啓C(jī)透平間可燃?xì)怏w探測(cè)器移出高溫區(qū)，安裝在燃?xì)廨啓C(jī)本體外的分析柜內(nèi)，通過(guò)抽樣裝置將高溫氣體抽到分析柜內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。抽樣動(dòng)力源使用射流真空裝置，以提高氣體通過(guò)速度、節(jié)約檢測(cè)時(shí)間、保證檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。抽入分析柜的樣氣經(jīng)過(guò)濾及流量調(diào)解后進(jìn)入探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，并可設(shè)置流量監(jiān)控裝置確保采樣流量。設(shè)計(jì)方案見圖2。

圖2 抽取式取樣檢測(cè)方案示意圖

抑制零點(diǎn)漂移的解決思路是改變信號(hào)傳輸機(jī)制，利用原系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備升級(jí)。通過(guò)增設(shè)變送器將原控制回路非標(biāo)準(zhǔn)、易受干擾的通訊信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA信號(hào)，提高信號(hào)回路的抗干擾能力，抑制零點(diǎn)漂移。新控制器采用專業(yè)消防型控制器，配套消防控制電源模塊，系統(tǒng)具有完整CCCF認(rèn)證[11]。設(shè)計(jì)方案見圖3 。

圖3 改變信號(hào)傳輸機(jī)制方案示意圖

2.3 方案的對(duì)比與選擇

針對(duì)設(shè)備現(xiàn)狀的改善，進(jìn)行技術(shù)方案遴選的時(shí)候須要考慮多種因素，抽取式取樣檢測(cè)方案和改變信號(hào)傳輸機(jī)制方案都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。

新機(jī)組在考慮配置燃?xì)廨啓C(jī)危險(xiǎn)氣體檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，目前主流采用抽取式取樣檢測(cè)方案，因?yàn)樵诔貐^(qū)安裝設(shè)備，系統(tǒng)的定期工作和故障檢修比較方便，不受機(jī)組運(yùn)行方式影響。如果是對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，達(dá)到降低設(shè)備故障率、提高系統(tǒng)可靠性的目的，這要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，從實(shí)施難度、施工工期、經(jīng)濟(jì)性以及后期維護(hù)4個(gè)方面進(jìn)行綜合對(duì)比(詳見表3)。

表3 兩個(gè)技術(shù)改造方案的綜合對(duì)比

通過(guò)對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)燃?xì)廨啓C(jī)危險(xiǎn)氣體檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)改造選擇了改變信號(hào)傳輸機(jī)制方案，完成了1號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備升級(jí)改造，以達(dá)到抑制零點(diǎn)漂移、降低系統(tǒng)故障率的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，改造后1號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)使用狀況良好，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，工作環(huán)境溫度頻繁變化沒有對(duì)探測(cè)器測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，消除了受溫度影響導(dǎo)致的零點(diǎn)漂移。

上述技術(shù)改造思路可推廣于燃?xì)廨啓C(jī)的可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備升級(jí)改造。選擇更利于現(xiàn)場(chǎng)的改造方案實(shí)施技術(shù)改造，可以有效抑制探測(cè)器零點(diǎn)漂移的產(chǎn)生，保障燃?xì)廨啓C(jī)重要的輔助監(jiān)視系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。