燃气模块整体功能性测试仪的设计分析

燃气模块整体功能性测试仪的设计分析

王东风

常州市科尼燃气设备有限公司江苏常州213000

摘要：天然气已经是全世界认可的清洁能源。伴随着传统的发电模式，出于环保问题的考虑，其发电模式被质疑。因此以清洁高效为特点的借助天然气资源的燃气发电发展起来了。包括燃气轮机在内的燃气模块成为燃气发电系统的主要设备。燃气模块主要含：（1）燃气系统；（2）净化系统；（3）压力变送；（4）温度传感；（5）火灾报警系统；（6）照明系统等，其效果是使燃气发电系统能有更好的发电效率。为了使这套模块所拥有的一切功能都可以在出厂前试运行成功，在完成了必须的电缆绝缘测试、连续性测试、接地电阻测试以外，还须针对这套模块的整体的功能性执行测试。依据本项目的燃气模块技术要求，设计并制造了模块整体的功能性测试仪。

关键词：燃气轮机;燃气模块;功能性测试仪

1.前言

与传统燃料煤炭相比，天然气是一种高热值的清洁燃料，其以排污物较少为优点，使其在环境保护方面的竞争更具优势。因此，能够处理由于发电过程而引起的环境污染问题，用燃气来发电成为更有前途的一种方式。而且，燃气发电已是目前更为稳定和新颖的分布式供能方式之一，运用部分冷热电三联供发电系统可以使燃气发电率达到95%及以上。

目前，在全国发电总装机容量中我国的燃气电厂装机容量占2%，但在许多发达国家比如美国，天然气则被视为首选的发电燃料。从运行经验的角度来说，天然气发电站以运行灵活、机组启动快、启动成功率高、既可带基荷又可用于调峰为优点。此外，电网经济运行水平的提高是由于燃气轮机发电厂在30%~100%出力下的可靠运行。燃气电站具有高于煤电厂的可用率，为95%。

作为一个独立模块系统，燃气模块由结构、管道、电气仪表组成，要达到许多功能，当前研究的热点问题之一就是怎样使其所拥有的全部功能都在出厂前试运行成功。本文就这个问题设计优良的燃气模块功能性测试仪。

2.燃气发电及燃气轮机

目前较先进的发电方式为将天然气作为燃料的燃气-蒸汽联合循环发电。其以经济效益好，发展前景乐观为优点。燃气轮机(Gasturbine)的工作原理为以连续流动的气体（天然气）为工质，将工质的热能转化为旋转式机械设备的机械能。图1为燃气-蒸汽联合循环机组的工作流程图。

结合图1，对燃气-蒸汽联合循环机组的工作原理介绍如下：（1）对燃气增加压力，同时，对空气进行压缩，使两种气体混合然后进入燃料室；（2）在燃烧室内进行被施压的燃气和压缩空气的混合物的燃烧，在燃气轮机中，燃烧产生的高温烟气将做功；（3）燃烧产生的一部分热能转换为动能，最后又经由发电机转换为电能；（4）在余热燃气轮机排烟中的余热能产生蒸汽来促使蒸汽轮机再发出部分电能，并实现供热和制冷。

燃气-蒸汽联合循环机组能够使能源呈现出阶梯式的利用，促使天然气燃料的利用率提高，并能减少燃气发电供热的成本开销。在由空气及燃气组成的混合物做功的时候，燃气轮机循环由压气机、燃烧室和燃气发电机这三个部分组成。

通常燃气轮机由以下五个部分组成：（1）多级轴流式压气机;（2）由多个燃烧器环形布置组成的燃烧系统；（3）燃气发电机；（4）辅助设备；（5）控制系统。其中，轴流式压气机转子和发电机转子采用两个支持轴承支撑，通过法兰实现刚性连接。

3.基于项目的燃气模块的概述

为确保运行的可控高效，燃气-蒸汽联合循环的燃气发电厂的动力系统通常采用模块化设计。根据设计的负荷需求模块化的锅炉系统可进行模块化组合，即时改变燃气的提供量和对气态、液态燃料转换时的净化，确保产生的动力可以较符合发电机实际所需的动力。最终做到实现运行效率的提高。经过模块化设计的燃料模块，采用效率高且重量较传统锅炉轻的单台锅炉，同时，自配多重安全自控装置，其重要部分更具有备用功能的冗余设计，因此，其具有高安全性并且低排污染物率的特点。

依据GE的其中一个燃气模块项目撰写此文，该项目以制造与发电厂一起运用的燃气模块为目的。其是独立的模块系统，结构、管道、电气仪表三者共同组成其内部。三者中，较为简单的是结构和管道工作，而更为复杂多变、灵活性极强的电气仪表工作在整个模块的所有工作量中占了70%。

完成了这种模块的初步制造后，既要完成电缆绝缘测试、连续性测试、接地电阻测试，还要完成对其整体功能性测试。为了使这套模块所拥有的一切功能都可以在出厂前试运行成功，依据本项目的燃气模块技术要求，设计并制造了模块整体的功能性测试仪。

燃气模块的参数为：长5130mm，宽2844mm，高3465mm。其型号为9FA型燃气模块，这种模块由三部分组成：（1）燃气系统，给发电厂燃气轮机给予燃料；（2）净化系统，完成对气态、液态燃料转换时进行吹扫的功能；（3）跳闸系统，完成对模块的保护功能。需要注意的是，在由5130mm×2844mm×3465mm组成的狭窄空间内，不同型号的仪表管达到300多米，另外有200多米的电缆铺设，所以，这种燃气模块一定要是仪表管分布合理，运作、维护以及拆卸十分方便。油压燃气阀门、净化阀门、辅助停止阀门、排放阀门、压力变送器、压力开关、温度传感器、加热器、火灾报警系统等都共同组成这类模块的安装。燃气模块的功能性测试仪完全可以测试以上所有功能。

4.燃气模块整体功能性测试仪的设计方案

这个项目的燃气模块必须对多种类型进行测试，所以多功能式的调试柜应运而生。本方案中的燃气模块整体功能性测试仪主要应用于测试燃气模块中的电子线材，由于设计出的燃气模块具有各种各样的功能，具体可以分为以下五种类型的试验，根据五种试验类型，对测试仪进行不同的设计。

（1）燃气阀门的开启-关闭、脱扣、漂移试验；（2）净化阀门的开启-关闭、并测量限位开关的状态试验；（3）压力变送器、温度传感器、压力开关和温度开关的试验；（4）火灾报警系统的试验；（5）照明系统的试验。

4.1燃气阀门试验的设计

燃气阀门即为油压阀门，和测试油一起运行，与电磁阀操作完成阀门动作，为联锁操作。油路管道系统需要油箱设备和马达给其提供1500psi的压力给阀门供油，油路管道系统的油路循环由供油、脱扣、回油三部分组成。电磁阀的开启需要125V的直流电源通过脱扣电磁阀门，这时，阀门油缸内即会流入测试油，经过回流管线继续循环。以9VDC/8mA的电源供给燃气阀门，操作阀门电磁门，既可完成开启和关闭的操作，对开启和关闭的时间亦可进行跟踪。

显而易见，要实现燃气阀门的开启和关闭动作且实时记下时间需要符合下面这几点：（1）通以直流电源125V，直流稳压电源9V、8mA；（2）通以高频电源7VDC/3000Hz；（3）示波器；（4）手动开关及信号灯。

220V的交流电通过适用变压器降至125V，然后，125V交流电压经过整流块整流成125V直流电压，然而，经整流块整流的直流电压并不稳定，会出现波动，严重时将影响电气设备，因此，在整流块下油电路中装上稳压器，并把指示灯和手动开关连接在一起。设计一个由9V直流电压和8mA直流电源组成的稳压电源的独立的回路，而手动开关和信号灯与其连接在一起。由此，解决了阀门电磁阀的电源问题，电源接线如图2所示。

4.2净化阀门试验设计

为了促使电磁门能够完成阀门的操作，需供给125V直流电给净化阀门，2组限位开关被安装在了阀门内部的传动机构，切换限位开关的常开、常关点是经由转动阀门来实现的，并且信号由此传入主控室，实现对阀门状态的监控。时间捕捉和燃气阀门的设计与125V直流电源设计是一样的。

模拟控制限位开关的测试是通过借助指示灯来实现的。在电路中并联指示灯指示灯和限位开关的反馈端子通过电缆连接起来，只要开启净化阀门，随着机械转动限位开关的常开点转换成常闭点，阀门的正常开启以指示灯变亮为标志。而与此相反的是，阀门的正常关闭以指示灯熄灭为标志。如图4所示。

4.3压力变送器及温度传感器的试验设计方案

众所周知，压力变送器的用途十分广泛，在各个工业环境中都有所涉及，在液体、气体以及蒸汽、液位、密度等的测量中都有应用。供给24V的直流电源才能使压力变送器正常工作，其工作原理为：经过220V交流转24V直流的变压稳压器，通过电缆把转换来的24V直流电源与压力变送器的接线端子连接，便可使其正常工作。为了完成被监测点的压力监测，需通过。对管道系统进行打压来实现。压力变送器的显示切换通过以下三步来实现，第一，在4-20mA的电流表上连接多控转换开关；第二，在对应的接线端子上通过电缆连接多个压力变送器；第三，转动开关。

温度感应器的工作原理为：通过温度感应元件实现对被测管线温度的感应，然后以可用的输出信号来表示所测量到的温度，由此完成实时监测，而温度测量仪表的核心部分就是温感元件。如图5所示。

图6照明系统测试回路

4.4火灾报警系统的设计

火灾报警系统的工作原理为：当遇到危险的情况时，由于模块内部安装了感温探头，其能够实时发出警报声而使火灾得以及时被发现。本文中所述的方案使用变压稳压器，其工作范围为220V交流转24V直流，可以为此设备供给24V直流工作电源。这24V的直流电源与火灾报警系统的对应接线端子通过电缆连接，然后对探头的下方进行加热处理，测试功能的实现以声光喇叭报警为标志。

4.5照明系统的实验设计

传统的照明系统分为以下两种：（1）220V交流照明系统；（2）110V直流照明系统。

第一种220V交流照明系统工作原理为：以实现交流灯泡正常工作为准，将电缆和手动开关与对应的接线端子连接，并且操作手动开关来完成通电过程。

第二种110V直流照明系统工作原理为：先将220V交流电通过变压器转换为110V交流电，接着将110V交流电通过整流块转换为110V直流电，手动开关和电缆通过稳压器连接在对应的接线端子上，，最后观察直流灯泡是否正常工作，这点需通过操作手动开关来实现。如图6所示。

5.结语

本文的特点在于，首先阐述了目前较先进的燃气发电和燃气轮机的整体工作原理；其次，强调了整体功能性测试的重要性，这是燃气模块的重要测试，必须重视；最后，根据上述一系列的理论阐述设计出了燃气模块的功能性测试仪。在基于本文的所有理论基础上所设计出来的燃气模块整体功能性测试仪，其质量把握远高于传统设备，经过实际操作后，可为燃气模块制造行业的未来带来极大便捷，使得燃气模块制造业在今后的销售中占据更多主动权和话语权，以创造更大的价值。

参考文献:

[1]翁一武，闻雪友，翁史烈.燃气轮机技术及发展[J].自然杂志，2017

[2]马文通.燃气轮机及燃气-蒸汽联合循环在部分工况下的仿真研究[D].上海：上海交通大学,2002

[3]糜洪元.国内外燃气轮机发电技术的发展现况与展望[J].电力设备，2006(10):12~14

[4]周秋慧.天然气冷热电联供能源系统运行机制优化分析[D].北京：北京交通大学.2014

[5]徐铁军.燃气轮机在我国天然气管道行业的应用现状[J].燃气轮机技术，2012(01):17~21