燃?xì)怆姀S調(diào)壓站緊急關(guān)斷閥門控制及電源優(yōu)化研究

丁建博，王贊惠，于庭芳

（華能（天津）煤氣化發(fā)電有限公司，天津 300452）

0 引言

調(diào)壓站在燃?xì)怆姀S中有著非常重要的作用，不僅可保證氣源穩(wěn)定供應(yīng)，同時(shí)具有緊急安全隔離的功能[1]。其中緊急關(guān)斷閥門（Emergency Shutdown Device，ESD）是實(shí)現(xiàn)緊急關(guān)斷功能的重要設(shè)備，其可靠性直接關(guān)系燃?xì)鈾C(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。調(diào)壓站設(shè)備多為廠家成套供貨，閥門設(shè)計(jì)時(shí)更多注重事故情況下的緊急切斷功能，對(duì)閥門的防誤動(dòng)方面考慮不全面。雖然調(diào)壓站配置很多冗余設(shè)備，但仍然存在很多問(wèn)題：調(diào)壓站單元的閥門電源配置不合理，大部分調(diào)壓站閥門電源使用一路電源，且雙電磁閥閥門僅采用一組控制回路進(jìn)行控制，沒有實(shí)現(xiàn)真正的冗余。調(diào)壓站電源系統(tǒng)及閥門控制回路故障均會(huì)導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)。目前國(guó)內(nèi)調(diào)壓站ESD閥及電源故障問(wèn)題頻發(fā)，如江蘇某電廠因調(diào)壓站電源裝置中不間斷電源（Uninterraptible Power Supply，UPS）故障導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)，江蘇某發(fā)電公司燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組在進(jìn)行調(diào)壓站控制電源雙電源切換試驗(yàn)時(shí)電源切換裝置切換過(guò)程中ESD閥跳閘[2]，天津某燃?xì)怆姀S調(diào)壓站系統(tǒng)電源因外部原因失電導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)。究其原因，多是因?yàn)镋SD閥設(shè)計(jì)時(shí)電磁閥、控制回路和電源冗余性不足。本文以某燃?xì)怆姀SESD閥為例，對(duì)閥門工作特性、控制回路及整個(gè)調(diào)壓站的電源配置進(jìn)行分析，并對(duì)閥門配置及電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，得到一整套安全可靠的調(diào)壓站閥門控制及電源配置系統(tǒng)[3]。

1 燃?xì)怆姀S調(diào)壓站概況

某燃?xì)怆姀S調(diào)壓站布置在廠區(qū)天然氣增壓站內(nèi)，主要由入口單元、計(jì)量單元、過(guò)濾單元、調(diào)壓?jiǎn)卧M成。入口單元的主要設(shè)備為ESD閥，當(dāng)調(diào)壓站內(nèi)的可燃?xì)怏w探測(cè)器檢測(cè)到天然氣濃度過(guò)高或發(fā)現(xiàn)火警等緊急情況時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)或在主控室遠(yuǎn)程操作來(lái)關(guān)閉閥門，保證天然氣調(diào)壓站及下游燃?xì)鈾C(jī)組等設(shè)備安全。計(jì)量單元主要有天然氣流量計(jì)、氣相色譜儀和配套儀表，用以實(shí)現(xiàn)天然氣的計(jì)量及成分分析。過(guò)濾單元有4臺(tái)粗精一體分離過(guò)濾器，用于將天然氣中的固體小顆粒和液體小液滴分離過(guò)濾[4-5]。調(diào)壓?jiǎn)卧谐隹贓SD閥、放散閥、調(diào)壓器和增壓機(jī)，主要作用為調(diào)整過(guò)濾后的天然氣壓力，給燃?xì)鈾C(jī)組和啟動(dòng)鍋爐供氣。送往燃?xì)鈾C(jī)組的管路各有一個(gè)出口ESD閥和放散閥，送往啟動(dòng)鍋爐的總管路上有一個(gè)出口ESD閥和放散閥[6-7]。天然氣經(jīng)調(diào)壓站的過(guò)濾調(diào)壓后送至燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電做功[8]。

2 ESD閥電磁閥配置優(yōu)化

ESD閥門是燃?xì)怆姀S調(diào)壓站發(fā)揮緊急關(guān)斷作用的重要設(shè)備，任何閥門誤關(guān)都會(huì)導(dǎo)致燃?xì)鈾C(jī)組停運(yùn)[9]。ESD閥一般選用氣開式、單作用的氣動(dòng)球閥。電磁閥帶電時(shí)，儀表氣進(jìn)入氣缸，閥門打開；電磁閥失電時(shí)，氣缸通過(guò)排氣閥快速排氣，通過(guò)彈簧作用實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閉功能。電磁閥是ESD閥的重要配件，目前主要有24 V電磁閥和220 V電磁閥兩種形式。2種電磁閥比較見表1。從表1可以看出，24 V DC電磁閥要比220 V AC電磁閥更為安全，調(diào)壓站內(nèi)屬于易燃易爆區(qū)域，220 V AC電源存在一定安全隱患。220 V AC電磁閥的線圈閥體機(jī)構(gòu)若出現(xiàn)卡死或吸合行程匹配過(guò)大，易造成吸合不良，導(dǎo)致線圈燒毀，引發(fā)ESD閥誤動(dòng)[10]。因此24 V DC電磁閥更適合調(diào)壓站ESD閥[11]。

表1 24 V DC電磁閥和220 V AC電磁閥對(duì)比Tab.1 Comparison of 24 V DC solenoid valve and 220 V AC solenoid valve

使用單電磁閥的ESD閥氣路如圖1所示，在電磁閥1帶電后氣路EU通，氣缸進(jìn)氣閥門打開。反之電磁閥1失電后氣路SU通，氣缸排氣閥門關(guān)閉。緊急情況下可以手動(dòng)控制，將三通手閥1切至1/2通路、三通手閥2切至2/3通路，ESD閥打開；都切至2/3通路則閥門關(guān)閉。這種氣路方式能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)形式的閥門快速開啟、關(guān)閉功能。ESD閥的電磁閥需要長(zhǎng)時(shí)間帶電，以保持閥門常開，但線圈容易燒毀導(dǎo)致閥門誤關(guān)。因此需將ESD閥氣路優(yōu)化改造成雙電磁閥控制氣路（見圖2）。當(dāng)電磁閥1和電磁閥2都帶電時(shí)，兩個(gè)電磁閥氣路EU通，電磁閥2起作用使閥門打開。當(dāng)電磁閥1失電、電磁閥2帶電時(shí)，電磁閥1氣路SU通、電磁閥2氣路EU通，電磁閥2起作用使閥門打開。當(dāng)電磁閥1帶電、電磁閥2失電時(shí)，電磁閥1氣路EU通、電磁閥2氣路SU通，電磁閥1起作用使閥門打開。綜上所述，在此氣路配置方式下，只有2個(gè)電磁閥同時(shí)失電ESD閥才關(guān)閉。

圖1 單電磁閥控制的ESD閥控制氣路圖Fig.1 Air circuit diagram of ESD valve controlled by single solenoid valve

圖2 雙電磁閥控制ESD閥控制氣路圖Fig.2 Air circuit diagram of ESD valve controlled by dual solenoid valves

優(yōu)化后的雙電磁閥控制氣路不僅可實(shí)現(xiàn)雙電磁閥的冗余，也保留了手動(dòng)開關(guān)閥門的功能。電磁閥狀態(tài)和閥門的狀態(tài)見表2。從表2可以看出，任意一個(gè)電磁閥失電，ESD閥都不會(huì)關(guān)閉，且正常工況都帶電的條件下，電磁閥2起主要作用。這種雙電磁閥控制氣路可以有效保證ESD閥的可靠性[12-13]。

表2 電磁閥狀態(tài)對(duì)應(yīng)ESD閥狀態(tài)Tab.2 ESD valve state table corresponding to solenoid valve state

3 ESD閥控制回路優(yōu)化

3.1 控制回路及其存在的問(wèn)題

調(diào)壓站ESD閥的控制回路一般選用硬接線方式，主要是保證ESD閥動(dòng)作及時(shí)，發(fā)生異常時(shí)能夠快速關(guān)閉ESD閥。圖3為傳統(tǒng)ESD閥控制回路，該回路控制單電磁閥。就地控制電路電源為24 V DC，遠(yuǎn)方控制回路電源為220 V AC。

圖3 傳統(tǒng)單電磁閥控制回路Fig.3 Traditional single solenoid valve control loop

ESD閥就地控制過(guò)程：遠(yuǎn)方回路中主控操作臺(tái)關(guān)閥按鈕PB1未按下時(shí)，繼電器KA1帶電，左側(cè)主回路KA1觸點(diǎn)11、14閉合，此時(shí)按下計(jì)量柜開閥按鈕SB1，且計(jì)量柜關(guān)閥按鈕PB2未按下，主回路繼電器KA2帶電，KA2觸點(diǎn)11、14閉合，回路自鎖；KA2觸點(diǎn)21、24閉合，1號(hào)電磁閥得電，ESD閥打開，直接按下計(jì)量柜關(guān)閥按鈕PB2，斷開主回路觸點(diǎn)1、2，繼電器KA2失電，ESD閥關(guān)閉。

ESD閥遠(yuǎn)方控制過(guò)程：集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）發(fā)出開閥指令，繼電器KA3帶電，左側(cè)主回路KA3觸點(diǎn)11、14閉合，ESD閥打開；按下主控操作臺(tái)關(guān)閥按鈕PB1，使繼電器KA1失電，主回路KA1觸點(diǎn)11、14斷開，繼電器KA2失電，ESD閥關(guān)閉。

雖然該控制回路可以實(shí)現(xiàn)集散控制系統(tǒng)ESD閥遠(yuǎn)方、就地快速開啟和關(guān)閉，但是任一個(gè)線路節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)短路或斷路都會(huì)導(dǎo)致ESD閥關(guān)閉。而且該控制回路是單電磁閥控制，存在電磁閥故障導(dǎo)致閥門誤關(guān)的隱患。

3.2 第一次優(yōu)化

由于單電磁閥控制可靠性低，將其升級(jí)改造為雙電磁閥控制（如圖4）：在原有的單電磁閥控制回路中增加繼電器KA4和2號(hào)電磁閥。雖然該回路實(shí)現(xiàn)了電磁閥和繼電器的冗余，但仍存在如下隱患。

圖4 傳統(tǒng)雙電磁閥控制回路Fig.4 Traditional dual solenoid valve control loop

（1）雙電磁閥共用一個(gè)24 V DC電源，即使上級(jí)電源冗余，若共用電源線路故障也會(huì)造成兩個(gè)電磁閥失電，同時(shí)任一個(gè)電磁閥短路可能導(dǎo)致共用的上級(jí)電源跳閘。

（2）雙電磁閥共用一個(gè)主控制回路，可靠性差，若主控制回路線路故障，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)電磁閥都失電。

（3）遠(yuǎn)方控制回路單一，尤其是遠(yuǎn)方主控關(guān)閥按鈕回路，僅有一路220 V AC電源供電，一旦失電或線路故障，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)電磁閥都失電。

3.3 第二次優(yōu)化

針對(duì)以上單電磁閥和雙電磁閥控制回路的隱患，決定將ESP閥控制回路優(yōu)化改造為新型雙電磁閥ESD閥控制回路（見圖5）。將遠(yuǎn)方主控操作臺(tái)關(guān)閥按鈕和計(jì)量柜的開、關(guān)按鈕的第二組觸點(diǎn)給2號(hào)電磁閥使用，同時(shí)將2號(hào)電磁閥從原控制回路中獨(dú)立出來(lái)，并使用DCS開閥指令繼電器KA3的第二組觸點(diǎn)，組成2號(hào)電磁閥的控制回路。新控制回路可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)電磁閥的電源獨(dú)立、控制獨(dú)立和遠(yuǎn)方控制回路冗余。兩個(gè)電磁閥的遠(yuǎn)方控制回路分別使用兩路220 V AC電源，主控制回路分別使用兩路24 V DC電源。優(yōu)化后的新型控制回路優(yōu)點(diǎn)如下：

圖5 新型雙電磁閥ESD閥控制回路Fig.5 Novel control loop of ESD valve with dual solenoid valve

（1）兩個(gè)電磁閥的主控制回路獨(dú)立后，任一控制回路故障，ESD閥都不會(huì)關(guān)閉。

（2）主控制回路獨(dú)立后，可以有效避免因外部故障導(dǎo)致整個(gè)24 V DC電源失電、ESD閥關(guān)閉，從而提高了設(shè)備的可靠性。

（3）遠(yuǎn)方控制采用雙回路設(shè)計(jì)，每個(gè)回路分別使用一路220 V AC電源，可以避免電源切換，消除單電源單回路的隱患。

4 ESD閥配置電源優(yōu)化

4.1 存在的問(wèn)題

調(diào)壓站UPS裝置電源系統(tǒng)見圖6，上級(jí)電源有2路：應(yīng)急鍋爐動(dòng)力控制（Power Control，PC）和調(diào)壓站電機(jī)控制中心（Moter Control，MCC），經(jīng)過(guò)電源切換裝置后給UPS裝置供電[14-15]。UPS裝置下端連接ESD閥的遠(yuǎn)方控制回路、24 V電源模塊和色譜儀等計(jì)量?jī)x表，24 V電源模塊配有冗余切換模塊。遠(yuǎn)方控制回路選用220 V AC電源主要因?yàn)橹骺厥揖嚯x調(diào)壓站較遠(yuǎn)，220 V AC電源相對(duì)24 V DC電源抗干擾性更強(qiáng)。此電源配置較為可靠，但仍存在如下隱患。

圖6 調(diào)壓站電源配置圖Fig.6 Power supply configuration diagram of pressure regulating station

（1）電源切換裝置后不僅連接UPS裝置，也連接機(jī)柜內(nèi)的照明、風(fēng)扇、除濕加熱器。風(fēng)扇和加熱器故障率較高，若出現(xiàn)風(fēng)扇卡澀、加熱器短路，會(huì)瞬間產(chǎn)生高電流越級(jí)跳5QF1開關(guān)，導(dǎo)致系統(tǒng)失電。

（2）電源系統(tǒng)加設(shè)UPS裝置，如果UPS裝置維護(hù)不及時(shí)、電池老化，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失電。

（3）ESD閥的主控制回路24 V DC電源和遠(yuǎn)方控制回路220 V AC電源來(lái)自同一電源，即使是雙電磁閥，也失去了冗余意義。而任意一個(gè)電磁閥故障短路都可能導(dǎo)致24 V DC電源開關(guān)跳閘。

4.2 優(yōu)化措施

針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)調(diào)壓站電源配置進(jìn)行優(yōu)化（見圖7），首先取消機(jī)柜內(nèi)風(fēng)扇、照明、加熱器的電源。然后從主廠房UPS裝置引入另一路220 V AC電源，將此電源作為第二路電源，只用于ESD閥2號(hào)電磁閥的主控制回路和遠(yuǎn)方控制回路，接到24 V DC電源模塊2中，保證1號(hào)電磁閥主控制回路的電源冗余。UPS裝置電源用于ESD閥1號(hào)電磁閥的主控制回路、遠(yuǎn)方控制回路和其他計(jì)量?jī)x表等。

圖7 優(yōu)化后調(diào)壓電源配置圖Fig.7 Optimized power supply configuration diagram of pressure regulating station

該種電源配置方式優(yōu)化后，實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）斷開應(yīng)急鍋爐PC、調(diào)壓站MCC中任一電源，切換裝置切至另一路電源，期間會(huì)有幾秒斷電，UPS裝置能保證出口電源不斷，ESD閥不會(huì)關(guān)閉。

（2）斷開應(yīng)急鍋爐PC和調(diào)壓站MCC電源，UPS裝置切至電池供電，能夠堅(jiān)持8 h供電，期間ESD閥不會(huì)關(guān)閉，儀表電源正常。

（3）斷開主廠房UPS至調(diào)壓站供電，ESD閥不會(huì)關(guān)閉。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的ESD閥雙電磁閥配置結(jié)合獨(dú)立雙電磁閥控制回路，實(shí)現(xiàn)了真正的雙電磁閥控制功能，可確保ESD閥不發(fā)生誤動(dòng)，并通過(guò)對(duì)調(diào)壓站的電源配置進(jìn)行優(yōu)化，得到一套安全可靠的調(diào)壓站閥門控制及電源配置系統(tǒng)。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了閥門配置冗余、電磁閥控制冗余、電源系統(tǒng)冗余，層層冗余保證了系統(tǒng)的可靠性。新的ESD閥控制模式和電源配置方法不僅可用于燃?xì)鈾C(jī)組調(diào)壓站，也可以廣泛應(yīng)用于石油、化工、天然氣等行業(yè)中，以保證緊急關(guān)斷系統(tǒng)的安全性與可靠性。