燃机厂房气体检测系统的研究与应用

2020-10-22张海忠郭永鹏

冶金动力 2020年9期

张海忠，郭永鹏，武哲

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

引言

面对日益迫切的环境问题，钢铁企业节能减排和提质增效的愿望十分强烈，能源介质的高效循环利用就是一个努力的方向。利用燃气蒸汽联合循环发电装置（CCPP）进行发电就是一种多介质多梯度的能源综合利用项目。

在典型的利用富余煤气发电的CCPP 系统中，高炉煤气与焦炉煤气混合并经煤气压缩机增压后，与经压气机压缩后的空气充分混合燃烧，生成高温烟气驱动燃气轮机做功。在燃机厂房内，煤气介质广泛存在，尤其是燃机本体的煤压机罩壳区域和燃机罩壳内，可能会存在煤气泄漏和集聚。因煤气有强烈的毒性和可燃性，容易致人中毒、引发火灾或爆炸，所以可燃气体和有毒气体检测报警和联动控制对燃机系统的安全运行非常重要。

1 功能需求

在高炉煤气型燃气轮机系统中，其燃料为由高炉煤气（BFG）和焦炉煤气（COG）混合后形成的混合煤气，含有高浓度的有毒气体（主要是CO）和可燃气体（主要是H2）。其主要危险部位有3 个区域，分别是GT罩内部，GC罩内部，GT排气道。

GT（GC）罩：需要同时检测有毒气体和可燃气体，当罩壳内部的有毒气体浓度达到报警设定值时，系统需发出报警信号，及时通知工作人员离开；当可燃气体的浓度达到报警设定值时，该系统也会发出报警信号，并通过DCS 系统启动排气扇装置，对燃机罩、压缩机罩、烟气通道等处进行吹扫，直到这些气体的浓度降到安全浓度；另外当可燃气体的浓度达到燃机跳机值时，该检测系统能将高高报警信号送到燃气轮机控制系统（GTC），通过GTC 系统将燃机立刻停机，以防止发生爆炸。

因GC 罩和GT 罩内部环境基本相同，检测系统设置也基本相似。

GT 排气管道：在燃机点火前，燃气排气管道内不能含有可燃气体，如果燃气排气管道阀门泄漏或点火前吹扫不彻底，在燃气排气管道内会聚积一定浓度的可燃气体，如果这时点火就有可能发生爆炸事故。通过可燃气体检测控制系统，在点火前在线检测燃气排气管道内的可燃气体浓度，当可燃气体的浓度高于工艺设定值时，则控制燃机保持吹扫，直至可燃气体的浓度降低到允许范围内，以确保装置和人员的安全。

因此，气体检测系统需要实现3 个区域的2 种气体（CO 和H2）检测，并能够接入DCS 控制系统实现检测数值显示、报警和联动控制功能。

2 实施方案

2.1 测点位置

根据本项目三菱燃机的系统配置，GT罩壳共设置了3套排风扇，GC罩壳共设置了2套排风扇，在其对应的每套风机出口均设置了一套可燃气体检测器，因GT 罩和GC 罩内部空间较大，在其左右两侧各设置了1套有毒气体检测器，在GT 排气管道上方设置了1套可燃气体检测器。具体测点位置示意图如图1 所示，分别是主厂房GC 罩内部（1）、GT 罩内部（2）、GC 罩排风扇出口（3）、GT 罩排风扇出口（4）、GT排气管（5）。

图1 燃机厂房气体检测点位示意图

2.2 气体检测传感器

目前常用的有毒气体检测多采用电化学原理的传感器，其特点是工艺成熟，性价比高；可燃气体检测设备原理以催化燃烧型较为常见，其优点是检测精度高、响应快，稳定性好。本系统所采用的气体报警设备如表1所示。

表1 有毒气体和可燃气体报警设备配置表

2.3 系统总体配置

整套气体检测系统的连接方式和逻辑关系如图2 所示，在控制室设置了一套立式集中显示报警控制柜作为整套检测系统的核心设备，联锁报警和控制信号接入DCS系统。在现场5个不同的检测位置设置5面控制柜，其所需电源为DC24V，由安装在控制室内的立式显示报警器控制柜集中供电，气体浓度信号由电缆传输到立式显示报警器控制柜上，再由立式显示报警器控制柜将AI（DC4～20 mA)信号和DI（H和故障报警接点）信号传送到DCS系统。

2.4 现场控制柜配置

GT（GC）罩CO 检测控制柜:机组运行时，GT 罩内部温度可达80℃，罩壳内的温度较高，而且气体含有多种杂质，不能直接检测，必需通过气体采样系统从罩壳的采样点抽气采样，气体采样点设置在罩壳中部两侧墙高度1.5 m 左右，样气管入口安装漏斗状滤网，对采样气体进行粗滤，管道沿罩壳顶部接入控制柜。由采样管路传送至分析控制柜内，再经过预处理系统将气体降温和去除各种杂质后才能进行检测。

为提高传感器使用寿命，将传感器控制柜集中布置在GT 罩壳外，在GT 罩壳外设置一面CO 控制柜，柜内集成2台CO检测仪主机，2路泵吸式采样系统、2路预处理系统、2个气体采集器，带流量监视的过滤器、三通切换阀、防爆电动采样泵等设备。GC罩与GT罩的CO检测控制柜配置相同。

GT 罩（GC 罩）风扇出口H2 检测控制柜：GT 罩和GC 罩顶部都装有排气扇，罩壳内的气体都是从底部向顶部排风口流动，将采样点设置在每个排气扇出口管道内，H2检测控制柜安装在罩壳风扇平台上，柜内集成H2检测仪主机，配套泵吸式采样系统、预处理系统、气体采集器等。在三菱MS701SDA(X)机组中，GT 罩顶部装有3 个排风扇，GC 罩顶部有2个排风扇。因此GT罩壳风扇出口的H2控制柜内为3 套传感器。GC 罩壳风扇出口的控制柜为2 套传感器。

图2 气体检测系统连接方式和逻辑关系示意图

GT 排气管道H2检测控制柜：在燃机点火后，燃气排气管道中的温度将高达到600 ℃左右，其环境温度与其他检测点位相比差异较大，而且燃气排气管道内含有大量烟尘、水汽等杂质，其预处理系统必须加装降温设备。

由于点火后燃气正常燃烧时，燃气排气管道中的温度和可燃气体的浓度都很高，此时检测燃气排气管道中的可燃气体浓度将失去意义，而周围环境空气中因排气管道可能存在的泄漏而存在可燃气体，有必要进行气体检测以保证周围环境的安全。

在排气道上方GT 罩壳风扇平台处，设置一面H2检测控制柜，柜内集成H2检测仪主机、含泵吸式采样系统、预处理系统、气体采集器、水汽分离器、排水器、防爆电加热器等。并集成了1 台防爆电磁阀（三通、24VDC、单线圈），用于控制样气与环境空气的切换。

2.5 集中显示和报警控制柜

安装在控制室内，将从现场气体检测仪接收到的信号在显示报警控制器上显示出来对应的气体浓度，当气体浓度超过设定值时，将发出声光报警，同时将报警DI 信号和AI 信号传送到DCS 系统上，DCS 根据接收的DI、AI 信号和逻辑关系来控制排气扇等联动设备的工作。气体监测报警及控制系统盘将接收DCS 的指令，通过继电器来控制电磁阀切换采样系统的采样回路。

每个检测回路都具有自检功能。当任何一个回路出现故障时，都能发出故障报警，并将故障信号传送到DCS 系统上，便于及时发现和解决系统故障。提供扩展功能，可以根据需求对报警设定值、报警励磁方式、报警接点输出方式（NC或NO），报警延迟响应时间，零点漂移抑制功能、零追尾功能、线性输出、峰值保持功能、报警试验数值等功能进行设定和更改。

控制柜密集组合安装CO 和H2显示/报警控制器。由外部集中供电AC 220V5A，柜内配置有气体显示报警控制器安装盒、公共蜂鸣报警控制器、总电源开关、分路电源开关、整流设备、DC24V 电源、控制继电器、散热风扇、接线端子排、接地铜排等。

3 点检和维护

由于气体检测器为用于防灾和安全保障的重要设备，所以必须进行日常和定期点检工作。

3.1 日常点检

日常点检需要对电源指示灯和浓度显示值进行确认，以H2报警器GD-D58 为例，其显示面板如图3 所示，在检测模式时，电源指示灯为绿色常亮，在维护模式时为绿灯闪烁；本机发生故障时，故障指示灯黄灯亮起。在正常运行时，需确认状态显示为RUN 状态，同时故障灯为关闭状态，浓度显示值与集中显示报警器主机及DCS 画面保持一致，结合指示值判断现场是否存在气体，当存在显示偏差时立即检查确认，用零点气体或者新鲜空气确认和调整零点。

图3 GD-D58显示面板

对于安装在中央控制室的立式显示报警控制柜来说，其周边环境较好，日常检查比较方便，只需要检查电源指示灯，报警和故障指示灯的状态，各点位的浓度显示值是否正常，环境温湿度等。

3.2 月度回路点检

月度点检需要对报警线路进行确认，利用系统的报警测试功能进行检查；用MENU 键进入测试模式，可以进行气体测试、报警测试、故障测试、LED测试、存储测试等各种测试模式，每月需定期进行报警测试以确保检测回路正常工作，在集中显示报警控制柜中对于的显示面板进行状态确认，同时检查DCS 画面显示状态是否一致，有异常时安排检查DCS控制回路及接线情况。

3.3 定期点检

定期点检周期一般不超过6 个月，需要利用标准气体对报警器进行校准和报警性能确认，具体标准气体规格和标定步骤参照产品手册执行，需提前准备好相关的标定专用工具，如标定罩、磁力计等；确认操作人员经过相关的作业培训。对于GD-D58型可燃气体报警器，还需要利用固定流量泵确认流量传感器功能。

3.4 维护注意事项

利用检修或停机时间，可以对现场传感器和报警柜进行清理，清理前确保电源已经关闭，按照指导手册进行易损件检查和更换，如垫圈、滑环、过滤网和电磁阀等。

在系统投运初期，需要对现场传感器的取样管路进行多次检查，防止施工初期由于现场粉尘和杂物过多导致的管路堵塞，可在现场仪表柜的样气管入口处拆开接头，用压缩空气进行反吹，确保取样管路的通畅。同时，燃机排气段H2检测柜中的三通阀也需要定期进行切换试验，因为三通阀是否动作无法通过上位机进行监控，定期试验可以确保其正常切换的功能，保证检测的样气来源是正确的。