可燃气体探测系统故障排查及问题探讨

张瑞明, 潘亚洁

(中广核工程有限公司, 广东 深圳 518124)

0 引 言

电厂中部分厂房或区域存有有毒或可燃气体,对人身安全产生极大影响,并有爆炸风险,如蓄电池间(蓄电池的充放电会产生氢气)。对于该类区域,需根据气体的类型配置对应的探测装置系统,即可燃气体探测系统,探测器产生的报警信号通过气体主机发送到火灾报警控制器中[1]。

某电厂可燃气体(氢气)探测系统在运行过程中有一个氢气探测器报警,引发多个探测器同时报警。工作组通过现场调研,深入分析系统、设备原理,并搭建试验平台,最终确定故障原因(接地),提出了针对性改进措施。

1 可燃气体(氢气)探测系统

对于存在可燃、有毒气体的场所,需要配置对应的可燃气体探测系统。可燃气体探测系统由探测器、主机等组成。本文以氢气探测系统为例进行详细介绍。

1.1 探测器

按检测原理分类,探测器通常有4种,分别为热导型、半导体型、催化燃烧型(接触燃烧) 和红外线吸收型[2]。核电厂部分区域存在较强的辐射性,在选型时应予以考虑。综合耐辐照、成本、可靠性等因素,核电厂往往采用催化燃烧型探测器。

催化燃烧型探测器的传感器属于高温传感器,其检测元件是在铂丝线圈上包氧化铝和粘合剂而形成球状,其外表面敷有铂、钯等稀有金属(催化剂),习惯上称之为黑元件[2]。催化燃烧型探测器结构如图1所示。

图1 催化燃烧型探测器结构

检测过程中,可燃气体在敏感元件的表面发生燃烧反应,产生热量,使敏感元件的温度升高。敏感元件由螺旋形铂丝和表面附着的催化载体材料构成(铂丝是温度敏感材料),传感器的温度升高必然使其阻值增大,产生不平衡电压,反应出被测可燃气体的浓度[2]。

1.2 探测系统原理

探测系统原理如图2所示。

图2 探测系统原理

控制器主机提供工作电压,探测器根据被测气体的浓度通过惠斯登电桥改变回路的电压,进而改变线路的电流,再通过主机侧的采样电阻采集电压变化,确定回路电流与气体浓度的关系。不同的报警等级对应不同的报警电流大小,氢气主机通过干结点(输入模块)输出多级报警信号至火灾报警控制器。

当回路电流在4～20 mA之间时,主机报警(浓度报警)信号正常。当回路电流超出该区间时,控制器主机应发出回路故障信号(非浓度报警信号),以通知火灾报警控制器氢气回路故障,而不是浓度超标。在应用过程中发现,当回路电流<4 mA或>20 mA时,控制器主机无法发出故障信号给火灾报警控制器。为解决该问题,在回路中增加M1507监测模块。该模块通过对回路电流采样,当电流<4 mA或>20 mA时直接通过输入模块向火灾报警控制器报故障。某电厂可燃气体(氢气)探测系统如图3所示。

图3 某电厂可燃气体(氢气)探测系统

电厂中每4组探测器为一个小单元,每个M1507监测模块可以同时监测4组探测器,并发出总故障信号。受制于图纸尺寸,图3中仅显示2组探测器的应用场景。

2 故障情况

某电厂中一台氢气控制柜带4个氢气探测器,现场校验时1个探测器下方连接装有标准氢气的气瓶,当氢气浓度达到报警值时未发生报警,而继续提高氢气浓度时探测器同时报警,且报警数值接近。经对控制器、探测器软硬件进行逐项检查,未发现故障。初步怀疑是M1507模块引起的。将M1507模块移除后再次试验,不再发生故障现象。因此,确认是M1507输入通道的问题。

供应商针对该问题在工厂进行模拟试验,模拟效果与设计值一致,未发现上述故障现象。现场与工厂试验截然相反的测量结果引起工作组的注意,并确定以现场试验为主,进行重点分析。

3 故障原因分析及解决方案

3.1 原因分析

根据现象初步锁定问题在M1507模块内部,故对M1507进行分析测量。M1507接线图如图4所示。

图4 M1507接线电路

由图4可知,4个氢气探测器的输出端分别接入M1507的模拟量输入通道正端(AI0+、AI1+、AI2+、AI3+),经过内部250 Ω采样电阻后,再由M1507的模拟量输入通道负端(AI0-、AI1-、AI2-、AI3-)传出,接至控制器主机的负端。经测量发现:M1507模块的4路模拟量输入通道(AI0-、AI1-、AI2-、AI3)等电位,4个点连通,即图3中A、B两点连通(其余2个电阻也与A、B点连通)。仿真模拟电路如图5所示(2个探测器),并在软件中进行仿真,测量各节点的电压、电流。

图5 仿真模拟电路

图5中,R17、R19输出端短接,以模拟各输出通道的连通。T01与T02是模拟现场控制器主机的接地。经模拟,当T01、T02闭合时,流过R17的电流在R18、R20进行再分配,分配原则与R18、R20电阻相关。根据氢气探测系统的测量原理,假定探测器监测到回路电流达到8 mA时(一级报警值),正常工作时回路电流为5 mA。当流过R17的电流为8 mA(模拟一级报警),流过R19的电流为5 mA(模拟正常状态),经过R18、R20的重新分配,考虑到各探测器主机的采样电阻差异不大,视为相同,因此流过R18、R20的电流为6.5 mA,因此两个主机均不会报警,这与故障现象吻合。当流过R18的电流达到19 mA时,重新分配的电流为12 mA(>8 mA),两个主机均发出报警信号,与现场故障现象吻合。

经模拟,当T01、T02断开时探测器、主机均正常工作,没有误报警等状况出现,这与工厂模拟结果一致。

3.2 结果分析

现场探测器主机的接地线均连接至同一接地网,而在工厂主机的接地点悬空。二者的差异通过仿真平台模拟得以验证。经过以上分析,确定此次事件的根本原因:M1507模块的采样电阻输出端短接,电流重新分配,导致发生拒报警、误报警现象。

3.3 解决方案

根据分析,生产工厂确认在设计过程中忽略接地问题,最终对M1507模块进行重新设计,4个通道完全独立,避免故障问题的发生。

4 结 语

对某电厂可燃气体探测系统使用过程中发生的拒报警、误报警现象进行剖析,结合软件仿真平台进行试验验证,确定是接地导致电流的再分配问题,并对故障原因进行分析,提出针对性的解决方案。