燃气轮机危险气体监测及故障诊断技术研究

苏州工业园区蓝天燃气热电有限公司 安 升

目前，国内燃气轮机发电机组以天然气为主要燃料，其启停快、排放低，在新型电力系统中发挥着重要的角色。天然气属于易燃易爆气体，燃气轮机燃烧系统设备均为管道法兰连接，各设备间模块化整合、集成，若天然气发生泄漏并迅速集聚在有限空间内，存在极大的安全隐患，严重时，将会发生火灾或爆炸等恶性事故。因此，燃气轮机配备相应危险气体监测系统十分必要。

当前，市场应用于燃气轮机危险气体监测系统的传感器主要有以下三种。一是接触燃烧式传感器。根据催化燃烧效应原理，当气敏元件接触可燃性气体时，可燃气体在有催化剂的电桥上无焰燃烧，桥臂的电阻值因温度增加而增加，引起桥路输出电压变化，该电压的变化量随着气体浓度增大而成正比关系增大[1]，达到设定浓度则发出报警。催化燃烧方式的检测器须安装在无冲击、无振动、无电磁场干扰的场所，并用焊锡包裹裸露线头；当探头暴露在高浓度的天然气中时，必须对其重新校验，以维持正常探测灵敏度。

二是红外气体传感器。其工作原理是基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系，当光线穿过光路中的被测气体，透过窄带滤波片，到达红外气体传感器，可测量CH4、COx、SO2等气体[2]。其反应速度、稳定性好，但是易受水汽影响，导致准确性差，标定复杂，维护成本高。

三是热线半导体传感器。其工作原理是通过内置泵吸取样气均匀通过传感器来检测，利用半导体表面电阻变化来测量可燃气体浓度。优点是传感器灵敏度高，响应速度快；通过内置泵，气体能均匀通过传感器，保证检测精度，功耗小、寿命长；泵吸式使探头远离高温、多尘的工作环境，保障测量精度，适用于低浓度泄漏检测。以上三种用于天然气监测系统的传感器，各有特点、利弊，各燃气轮机电厂按各自需求进行选择。

本文以某9E燃机电厂使用的危险气体监测系统为例，分析监测探头故障原因，并提出技术改造，消除设备隐患。

该厂9E燃机配有一套危险气体监测系统，危险气体探头分别安装在三个区域，分别是DLN阀站通风机88VL风道进口处、轮机间燃烧缸下方和轮机间通风机88BT进口处。每个区域均安装3个气体检测探头，在燃气轮机透平控制中心（TCC）内危险气体监测系统可以显示危险气体浓度、输出浓度高报警及探头或卡件故障报警，该系统参与机组保护。

该机组投产至今，发生多次因危险气体探头故障、误报，导致机组启动失败、非计划停运事件，严重影响机组安全稳定运行，亟须对其故障原因进行深入分析、研究，并提出可行性方案，避免该类异常事件再次发生。

1 危险气体探头故障原因分析

该厂原危险气体检测系统为机组配备的Honeywell system 57，型号为5701/5703。配套使用的危险气体检测探头为催化燃烧式隔爆型探头（ExdⅡB+H2 T2 Gb），采用三线制平衡电桥测量方式。当危险气体进入探头时，会发生无焰燃烧氧化反应，温度上升后电桥电阻发生变化，输出相应变化的电压信号给数据处理装置，转换为相应的危险气体浓度显示。数据处理装置根据浓度高低进行比较，输出浓度高I或II值，分别用于报警或保护跳机。危险气体监测系统SYSTEM 57如图1所示。

图1 危险气体监测系统装置

图2 45HT-4/5/6危险气体探头就地安装图

1.1 危险气体探头周围环境温度偏高

9E燃机透平缸体无保温隔热设计，整个轮机间空间温度较高，尤其顶部空间极为明显。安装在轮机间通风机88BT进口处（效果图如见2所示）的三个天然气危险气体探头（代号45HT-4/5/6），恰处于此高温区域。

危险气体探头设计的工作环境温度为-55℃至150℃，而此区域的三个危险气体探头长期处于120℃以上，接近设计极限温度下工作，从而导致高温环境温度下探头寿命、性能受到影响，发生测量数据偏差、探头故障损坏。

1.2 危险气体探头工作环境温度变化大

由于采用三线制平衡电桥测量方式，对线路电阻要求较高。危险气体探头与气体监测系统连接部分导线需经过就地接线盒转接，由于机组调峰频繁，导致设备所处的工况变化较大，端子排连接金属和就地电缆铜芯热胀冷缩，引起测量回路电桥的阻值变化，进而引起危险气体测量参数的波动，影响了危险气体监测准确性。

1.3 危险气体探头遭受强磁、粉尘及油雾干扰

危险气体探头监测的工作原理是当气体浓度超过限定值时，将经过放大的桥路输出电压与电路探测设定电压通过电压比较器进行比较，并发出监测差别报警信号[3]。从危险气体检测仪原理可以看出，若危险气体探头附近出现电磁干扰，会影响探头检测信号，出现数据偏差或波动。

当燃机轮机间冷却通风机88BT启动时，启动瞬间电流是正常运行电流的四至七倍，期间产生较大的磁场，该区域的危险气体探头受到电磁场干扰作用，对探头的监测效果产生了影响。

此外，由于危险气体探头位于通风机88BT风道入口处，固体、颗粒粉尘进入探头内部、集聚，造成探头内部堵塞，监测灵敏度下降；空气中混杂的润滑油油烟，被通风机88BT吸入，也会造成危险气体探头污染失效，通过对危险气体探头故障原因的分析，可以得出结论，任一原因发生，监测系统将会发出报警，保护误动作，机组将不可避免地发生非计划停运。

2 针对危险气体探头故障的解决方案

2.1 高温区危险气体探头移位及改型

为避免高温环境对气体探头测量产生的负影响，该厂结合现场情况，同时根据对同类型机组的多次调研，计划采用内置抽气泵的日本新宇宙公司CQ002型泵吸式危险气体探测器。在燃机透平间顶部安装检测集箱，将三只探测器布置在检测集箱内，并配套三通阀、过滤器、流量计等单元模块。箱内泵吸式探测器通过1/4英寸不锈钢管对风道入口气体进行抽吸、降温、测量、排出[4]，整个过程保证了样气的洁净和干燥，能有效保护探头，提高测量精度。改造后的安装示意图及现场安装图如图3、4、5所示。

图3 危险气体探头45HT-4/5/6移位后设计图纸

图5 危险气体探头45HT-4/5/6在检测箱内安装效果图

2.2 降低信号干扰

危险气体探头改造采用6芯双屏蔽电缆，单独制作电缆桥架，重新铺设，将危险气体探头信号电缆与透平间通风机88BT电机动力电缆隔离，同时检测集箱安装在透平间顶部检修平台东南角，远离电机布置，将电机产生的电磁场及振动对探测的干扰强度降至最低。

3 危险气体探头改造后效果

3.1 同步优化报警提示

此次改造，同步优化了报警提示，改造后的危险气体探头直接将输出的4～20mA电流信号传输至Mark VIe控制系统（改造前仅探头故障报警时才会传输），实现实时监视气体浓度，在数值发生变化时，运行人员能及时发现异常并处理，提高了机组运行的可靠性。

3.2 实现在线、离线标定

检测集箱内设计有三通阀，可对气路管进行反吹清灰，阀门切换后可在线进行探头标零，结合机组停运机会，技术人员可使用10%LEL的标气对探头进行校准，探头响应灵敏、探测精准。如图6所示。

图6 改造后危险气体探头校准中数据显示图

3.3 实现既定目标

经生产技术人员统计，危险气体探头改造后，在机组运行期间，检测集箱内探头温度较改造前平均降低了约80℃，探头运行工况良好，测量数值精准、稳定。技术人员调取了两个月的气体探头测量值的历史曲线，测量浓度值均在0%LEL～0.3%LEL。如图7所示。

图7 3月至4月危险气体探头测量历史曲线

经迁移改造后，燃机透平间通风机88BT风道入口危险气体检测探头45HT-4/5/6运行稳定，无异常波动及故障现象。每季度定期校准时，探头响应灵敏，测量误差极小。

通过对9E燃机危险气体探头的测量原理、发生故障的原因进行判断、深入分析，提出了危险气体探头换型及调整安装位置，且重新铺设信号电缆将其与透平间通风机88BT电机动力电缆隔离等改进措施，彻底解决了因危险气体探头长期故障无法投入正常运行的安全隐患。经改造后跟踪分析，危险气体探头因高温环境、信号干扰导致故障及测量值波动等现象未再发生，探头故障率得到较好控制。

机组因危险气体探头异常导致机组非计划停运的事故未再发生。通过改造，有效提高了危险气体探头的可靠性，保护正常投入，设备投用可靠率100%。从而保证了机组的安全稳定运行。