6F.03燃气轮机CO2灭火控制系统及常见故障分析与处理

赵雪芬

(南京汽轮电机(集团)有限责任公司,南京 210037)

1 概述

二氧化碳(CO2)灭火系统是燃气轮机发电机组最重要的保护系统之一。二氧化碳灭火系统以CO2气体作为灭火剂,采用冷却(对设备进行降温冷却)、窒息(CO2降低机组箱体内氧气含量)灭火原理[1-2],灭火后不留痕迹,不造成大破坏,灭火成本低。除了灭火,CO2充斥在空间里,能对周边降温。

从消防角度看,燃气轮机的大部分舱室都属于消防重点。燃气轮机作为内燃机的一种,本质上是通过燃料与空气的燃烧提供能量,机组配套有大量的强、弱电设施与设备,本身即是潜在的消防问题来源。燃气轮机使用的天然气或石油燃料,不论机组在高温环境下,还是在大量带电设备的环境中,都加剧了消防面临的风险。此外,燃气轮机润滑油本身并不可燃,但在高温蒸发下,足够浓度的润滑油油雾也是燃烧物质,会进一步扩大燃烧的过火面积。因此,燃气轮机CO2灭火系统自燃气轮机投产前的调试阶段开始,就必须始终处于良好的备用状态,一旦发生火灾要及时扑灭,减少机组受到的破坏,避免天然气、润滑油等造成的进一步危险。

与以往的6B、9E机组相比,6F.03机组在消防区域的划分上没有变化,依旧是1区包括燃机间和负荷齿轮间、2区排气蜗壳内、4区油气模块。在消防管路走向、喷头和气喇叭数量及各区域所需CO2体积上略有差异,但本身安装工艺与之前的机型并无太大差别。在控制系统方面,6F.03机组更新了消防盘、添加了设备、更换了探头,控制策略更加复杂、保护内容也更加丰富。

2 CO2灭火控制系统的硬件组成

熟悉设备元件是了解控制系统策略的前提,本文把现场安装的消防元件,按所在区域进行整理,并将特殊设备单独介绍。

2.1 消防1区

消防1区的设备布置最为复杂,因此也最为典型。

从安装来说,消防1区元件的布置又可分为负荷齿轮间、轮机间、燃机罩壳三个部分。负荷齿轮间内配置有A、B两个火灾探测回路,每个回路上布置2个并联的火灾感温探头。轮机间由于空间较大,配置有A1、B1、A2、B2四个回路。其中A1、B1位于天然气环管附近,每个回路上布置了3个并联的探头;A2、B2位于透平左、右两侧靠近过道处,每个回路上布置2个探头。燃机罩壳上,在各个舱室的门口,都布置有声光/闪光报警器、消防四色指示灯、消防按钮、闭锁钥匙。

从设备来说,虽然同一区域,火灾感温探头的型号不尽相同,负荷齿轮间由于环境温度低且没有天然气通过,采用了探针与处理模块一体化,安装简便,设置报警温度为(163±14)℃。轮机间环境温度高、有天然气通过,采用了探针与处理模块分离的模式,处理模块安装于罩壳外壁上,仅探针安装在轮机间内,设置报警温度为(316±14)℃。探头虽然外形不一致,但内部接线是一致的,都配置有报警信号、故障信号和供电电路,同一消防回路上的探头,采用并联的方式将信号和电路连接。声光/闪光报警器在消防触发时起到警示的作用,报警喇叭根据与声音接收位置的角度差异,有96.7～109.3 dB的高音,因此在设计阶段,采用了声光报警和单纯闪光灯报警结合布置的方式,达到既满足报警声音的覆盖需求,又降低了生产成本。消防四色指示灯显示了当前消防系统的状态,红色表示正在报警,黄色表示正常监视中,绿色表示已机械闭锁,蓝色表示已钥匙闭锁,这些灯通过消防盘的控制实现相互闭锁,每次只会有一种颜色的灯亮起。消防按钮用于手动触发消防报警。闭锁钥匙关闭CO2的喷放功能,仅保留火灾保护系统的监视与报警。这些设备也都按照并联的方式接入消防系统中。

1区的设备布置如图1所示,图中43CP为消防手报按钮,43CL为钥匙锁,AL为四色灯,SLI为声光/闪光报警器,45FT为火灾探头。

2.2 消防2区

消防2区指排气蜗壳区域内,这个地方空间最小,温度最高,因此配置了A、B两个火灾探测回路,每个回路上布置2个并联的分离式火灾感温探头,设置报警温度为(316±14)℃。探针安装在蜗壳内,信号处理模块安装在1区的罩壳上。消防2区实际是位于消防1区里燃气轮机内部的空腔区域,没有单独的罩壳,因此2区没有配备消防按钮和闭锁钥匙,并且共享1区的声光/闪光报警器和消防四色指示灯。2区的设备布置如图2所示。

2.3 消防4区

消防4区分为润滑油间和气体燃料间,对于使用石油产品作为燃料的机组,还会有液体燃料间,这些房间都会配置A、B两个火灾探测回路,每个回路上布置2个并联的火灾感温探头,设置报警温度为(163±14)℃。区别在于燃料间存在风险,采用了分离式火灾感温探头,而相对安全的润滑油间使用了一体式的探头。

在消防4区的罩壳上,与1区类似的也布置有声光/闪光报警器、消防四色指示灯、消防按钮和闭锁钥匙。4区的设备布置如图3所示。

2.4 CO2集装箱

CO2集装箱用于存放1、2、4区灭火的CO2气瓶,并配置了喷放触发和气体状态监视、阻隔闭锁等设备。消防系统将每个区的CO2喷放细分为初放和续放。初放用于初次瞬时大量释放CO2气体,达到快速灭火的作用;续放是持续且缓慢的释放CO2,以保证灭火区域的阻燃气体浓度,达到彻底灭火、防止复燃的目的。对每个消防区域,消防系统都配置了2个先导瓶电磁阀,用于打开消防先导启动瓶,启动瓶内的压力气体,会顶开对应区域的初放和续放CO2气瓶,初放和续放管路上配置有压力开关,用于监视管路中是否有CO2存在,管路出口也配置有手阀,手阀的位置开关作为消防系统机械锁定的依据,机械锁定与罩壳上的钥匙锁定功能相同,会关闭电磁阀的触发功能,但能正常的监视和报警。此外,初放和续放区域还配置有CO2气瓶的检测,一旦CO2瓶内气体无意中泄漏或被喷放,气瓶重量减轻,发出气瓶失重报警。

2.5 紫外线探头

紫外线探头在1、4区的每个区域都有布置,一般采用区域正中背靠背或者对角安装的方法,而在空间较大的轮机间,采用多组紫外线探头,分部照射燃气轮机本体和走道,其目的是尽可能的覆盖整个区域。与其他消防设备相比,紫外线探头首先接入燃气轮机自身的控制系统进行报警,再将处理后的报警信号转交给消防系统。采用不同设备提高了消防安全的冗余度,这也是国标GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》[3]中消防系统不能采用单一设备类型、必须是不同探测形式的报警触发装置的要求。

更重要的是,相比于消防感温探头,紫外线探头对早期火灾的发现与扑灭具有重大意义。2022年10月13日,江苏某电厂润滑油泵发生故障,MCC马达保护尚处在报警的延时阶段,起火后油泵运作状态异常,不再满足马达保护的报警条件,运行人员因此无法察觉危机的出现。但伴随着油泵火苗的刚刚窜出,紫外线探头迅速报警,运行人员即刻前往现场巡查并灭火,切换备泵,成功避免了火势的加剧,保障了机组继续运行。按设计要求,润滑油间的消防感温探头设定值在163 ℃,如果单纯的只依靠感温探头报警,显然只有更大的火势、更高的温度才能触发报警动作,此次紫外线探头在火情初期的报警,极大减轻了失火程度,缩短了运行人员的反应时间,将损失降到了最低。紫外线探头的迅速报警,有效避免了大面积失火和机组的跳机,避免了事故后期的通报和检查等一系列工作,提高了电厂运行生产效率。紫外线探头在各消防区域的布置如图4所示。

图4 6F.03燃气轮机紫外线探头现场布置概况

3 CO2消防控制系统逻辑消防策略

6F.03机组新增了很多元器件,消防控制逻辑较以往的机组也更加复杂。从消防分区来看,1区与4区较为独立,2区只有感温探头,2区在状态显示和指令上调用了1区罩壳上的设备;从逻辑上看,各消防区域的保护策略仍相对独立且高度类似。本文不采用常规的按消防区域逐个描述策略的方法,而是从实际应用状况出发,依据报警重要程度,将其划分为一般报警、故障报警、火警报警三块内容进行总结,这些报警的总结对消防任意一个区域都是适用的。

3.1 一般报警

一般报警主要包括正常运行状态的显示、CO2气瓶是否被锁定禁止喷放及气瓶状态。

(1) 当CO2集装箱内初放管路或续放管路手阀关闭时,先导瓶电磁阀动作被禁止,发出系统故障报警。

(2) 当CO2集装箱内初放管路或续放管路手阀关闭时,先导瓶电磁阀动作被禁止,CO2机械锁定报警,消防四色指示灯显示为绿色亮。

(3) 当燃气轮机或油气模块罩壳上钥匙锁定时,先导瓶电磁阀动作被禁止,CO2钥匙锁定报警,消防四色指示灯显示为蓝色亮。

(4) 当CO2集装箱内气瓶失去重量时,显示对应区域的CO2气瓶失重,系统故障报警。

(5) 当罩壳上钥匙未锁,初放管路与续放管路都处于手阀打开状态,且消防四色灯的红色状态灯未亮时,表示当前消防系统正常监视中,消防四色灯显示为黄色亮。

在一般报警中,消防锁定分手阀机械闭锁和钥匙闭锁。手阀的锁定更倾向从机械角度隔离CO2气体,甚至对手阀的单管路锁定还增添了一组故障报警,其目的就是为了保证CO2气体在初放和续放管路上都能被完全打开或隔绝,避免功效缺失。钥匙的锁定是从消防盘的控制角度隔断CO2气体触发。虽然他们动作与显示状态不同,但从逻辑策略上看并无任何区别。此外,气瓶的失重报警也增添了故障报警,其目的是加强对CO2气瓶的重视。

3.2 故障报警

故障报警主要是各类元件或火灾盘的状态不正常引起的。

(1) 当同一舱室内回路A或B故障时,触发系统故障报警。

(2) 当同一舱室内回路A且B故障时,触发系统故障报警,且触发该区域失去火灾保护报警。

(3) 火警已触发50 s但初放管路的压力开关未动作时,触发系统报警,由于无法确认是管路中真的没有CO2气体还是压力开关出现了故障,但出于安全目的,系统仍然会激活对应区域的声光/闪光报警器,消防四色指示灯显示为红色亮,并发出CO2气体已被释放报警且停运对应区域的所有风机,此时燃气轮机跳机。

(4) 当消防盘的供电电压或备用电池出现故障时,触发系统报警。

(5) 当消防盘的供电电压且备用电池出现故障时,触发该区域失去火灾保护报警。

在故障报警中,单个故障报警的出现一般不具有处理的紧迫性,但多个故障同时报警常常会导致燃气轮机自动停机,火警也会失去冗余保护,因此必须谨慎对待,尽快处理故障。

3.3 火警报警

火警报警分为预火警、火警和紫外线探头监测火警。

(1) 当同一舱室内回路A或B报出火警时,触发预火警。

(2) 当同一舱室内回路A或B任意发出一个火警和一个故障信号时,触发系统故障和火警。

(3) 当同一舱室内回路A且B报出火警时,触发火警。

(4) 当消防按钮动作时,触发火警。

(5) 当收到紫外线探头报警时,发出紫外线探头监测火警。

(6) 当CO2集装箱内初放管路或续放管路压力开关动作时,声光/闪光报警器持续工作,且送出对应区域CO2气体释放的信号。

在各类火警报警中,紫外线火警探头非常灵敏,对外界的强烈阳光、工作焊接电弧、火机喷枪等都会做出反应,因此作为火灾早期出现的抑制手段,可配合巡检人员检查后采取手动措施,因此不触发火警。预火警则是作为区域火警前的冗余,确保不会因单个回路的问题导致消防误动。当判定实际火警发生时,消防系统会对对应区域的CO2先导瓶电磁阀动作,CO2气体开始喷放并灭火,声光/闪光报警器开始报警,消防四色指示灯显示为红色亮,同时消防盘会向燃气轮机控制系统送出对应区域火灾报警和通用火警信号,向燃气轮机MCC送出对应消防区域的风机停运信号。消防管路上的压力开关定值非常低,因此喷放后,即使火势已灭,只要消防管路中存在压力,声光/闪光报警器就会一直工作,CO2释放信号不会消失,防止人员窒息。

综上所述,消防系统在报警发生时,不仅有系统的警告、消防动作和状态显示,还与燃气轮机控制系统、燃气轮机MCC存在逻辑连锁。其中大部分消防状态都会作为燃气轮机的起机判定条件,因此一个正常的、无故障、无火警的消防系统是燃气轮机起机的必要条件。在燃气轮机运行期间,失去消防保护(30FTA)会触发机组自动停机;火警(45FTX-N、45FTX)和CO2的释放(63CP-N)则会导致燃气轮机跳机、MCC风机停运。

4 消防控制系统常见问题

消防控制系统常见问题往往与设备的自然损坏、检修过程中的操作不当有关。本文按照消防设施的部署位置,阐述CO2气瓶集装箱内设备、消防区域的元件和消防盘柜三处易出现的问题。

(1) CO2气瓶集装箱内设备

闭锁手阀的开关空间常会受到消防管路的影响,因此在安装和更换时,应注意避让管路。

CO2喷放电磁阀在检修时,需从先导瓶上全部拆除,避免各类情况导致的气体误喷。压力开关内部加装巡检电阻,在定期压力表校验后应检查电阻是否正常,更换元件后应加装巡检电阻,否则会使系统误判为线路开路。

(2) 消防区域的元件

消防感温探头在不同舱室的温度设定是不一致的,比如轮机间和消防2区本身环境温度高,探头的报警温度就需要更高,更换时一定要注意正确设置。多个电厂出现过温度设置错误,导致燃气轮机运行期间探头报火警跳机、CO2气体误喷放的情况。更换探头后的接线也应该注意,前文我们已介绍到同一回路的探头采用并联接线的方法,但探头的故障信号是常闭点,有些电厂会误判并联方式并在早期调试时弄错,改为了串联方式,实则故障信号的常闭指其失电状态,探头得电会变为开信号,因此正常运行阶段仍需采用并联方式接入回路。

紫外线探头在超过允许的高温环境下易失能,反复失能会导致设备彻底损坏,因此对于舱室的环境温度要提高重视,如环境温度异常,应找出不合理的热源。

消防四色指示灯采用了卤素灯泡,属于易耗品,尤其是黄色灯在正常运行期间常亮,点亮半年即时长约4 400 h,已远超一般卤素灯的寿命,因此要常备备件或选择更换寿命更长的LED灯。

消防按钮应定期检查击碎玻璃是否断裂,如果断裂需及时更换,避免玻璃脱落触发火警,更换时要选择正规的消防玻璃,这些玻璃在击碎中心点处已做了划痕,在火情紧急时刻更易击破。如果整体更换消防按钮,需检查其内部接线端子,很多消防按钮带有巡检电阻,而消防系统本身已安装了巡检电阻,两处电阻一旦并联,整个回路的巡检电阻会降为原先额定值的二分之一,此时消防系统会判定消防按钮触发,立刻喷放CO2气体。

(3) 消防盘柜

消防盘柜放置在燃气轮机控制室内,环境较好,一般不会出现故障,但在现场检修时,应断电工作或解开对应的回路。有的电厂在做一些简单的维护时,带弱电接线,导致消防盘内保险丝烧毁。还有些电厂因机组长期不运行,燃气轮机消防盘柜彻底断电,最终导致蓄电池因长期亏电而报废。因此消防盘如果长期断电,需要定期给其中的蓄电池充电。

在消防盘与燃气轮机的保护闭锁方面,消防盘不仅会向燃气轮机控制系统发送停机和跳机指令,还会向燃气轮机MCC发送停止风机运行的信号。一些电厂在运行期间处理消防问题时,只着重考虑了控制系统的保护,屏蔽了消防盘柜发来的停机和跳机指令,忽略了正常运行的燃气轮机停下风机后控制系统逻辑会因通风问题导致跳机。因此,在临时解除消防连锁保护方面,也应做好周全考虑,并在处理完故障后做到全面恢复。

综上所述,燃气轮机的消防问题在安装、运行和维护检修各阶段都会存在。在处理的过程中,往往面临机组跳机、CO2气体误喷的风险,需要高度谨慎。因此只有提前预备设置好参数的备品备件、详细规划好检修工作步骤、不断完善工作票上的操作流程,才能保证各类故障的妥善解决。

5 总结

6F.03系列燃气轮机在国内的订单量已超过40台,其中接近半数已投入商业运行,这些项目都使用了新型的消防控制系统。与早前的6B、9E机型相比,6F.03消防盘采用了全新的微处理器控制代替了原先GE自产的可编程逻辑控制器(PLC);现场新增了紫外线探头、消防四色指示灯、闭锁钥匙;使用了新型的消防探头、消防按钮。丰富的设备让消防系统对燃气轮机的保护更加全面,但也带来了更复杂的控制策略。

经过分析,我们发现大多数的消防跳机和喷放都是人为原因导致的,因此了解设备特性、理顺逻辑原理、熟悉检修要点变得尤为重要。本文从消防系统的硬件设备、消防控制策略、常见故障三个方面进行了全面的阐述和详尽总结,相信只要结合工作实践,一定可以提升6F.03机型消防系统的稳定性,降低运行维护中的风险,提高燃气轮机运行的整体质量。