燃氣—蒸汽聯合循環ESD閥控制方式分析及改造

嚴 強，林祖宇

（廣東粵電新會發電有限公司，廣東 新會 529149）

0 引言

天然氣調壓系統在燃氣—蒸汽聯合循環機組啟動、運行、停機等工況下，將來自上游供氣管道的天然氣降壓、穩壓，使天然氣在所要求的壓力、溫度下連續輸入下游供氣管道，供燃機、啟動鍋爐使用。ESD閥為調壓系統入口緊急切斷閥，在燃氣電廠發生火災或者天然氣泄漏時緊急切斷天然氣，避免事故擴大。

近年來聯合蒸汽循環電廠由于單電磁閥控制的電磁閥本身故障導致ESD動作、進而導致機組跳閘的事故頻發，對于單電磁閥控制迫切需要提出一種更為可靠的控制方式。某發電公司ESD閥氣動執行機構電磁閥原設計為單電磁閥形式，根據浴盆曲線和概率對單電磁閥方式和串并聯電磁閥方式可靠性進行分析，提出了一種雙通道冗余結構的電磁閥控制方式，對ESD閥控制方式進行改造。

1 天然氣調壓站與ESD閥

某發電公司1期工程為F級（改進型）燃氣—蒸汽聯合循環熱電聯產機組。主機采用GE公司生產的9FB.03型燃機及配套發電機、150 MW蒸汽汽輪機及配套發電機，余熱鍋爐為東方日立生產的三壓、再熱、臥式、無補燃、自然循環余熱鍋爐[1－2]。其天然氣調壓系統根據燃機及啟動鍋爐對天然氣的要求以及電廠安全經濟運行、檢修維護等方面的要求合理配置，如圖1所示，包括天然氣的緊急關斷、旋風分離、加熱、過濾分離、計量、色譜分析、調壓以及安全隔離、氮氣吹掃、排空、安全放散、疏液排污、啟動鍋爐燃氣供應、站控等系統[3]。

圖1 天然氣調壓站系統結構

為保證機組安全穩定運行，對ESD閥有以下技術要求：

（1）采用壓縮空氣驅動，且均為獨立閥體。

（2）緊急切斷閥執行機構可以在就地和遠方進行操作，關閉時間不超過5 s。

（3）緊急切斷閥的開啟時間不超過1 s。

（4）緊急切斷閥在正常工作時長期處于全開狀態，驅動閥門關斷的驅動部件應有穩定的保護措施，對于管道正常工作所產生的振動不應引起驅動部件的松懈或動作，從而導致緊急切斷閥誤動作[4-5]。

2 浴盆曲線

可用失效率來衡量電磁閥的可靠性水平，失效率是設備在時間區間t時刻前未發生失效，在（t，t+Δt）內出現一個失效的條件概率與區間長度Δt之比，當Δt→0的極限時：

式中： λ（t）為失效率； F（t）為失效時發生的分布函數； f（t）為失效時發生的概率函數； R（t）為可靠度函數，R（t）與 R（t1， t2）可靠度的關系是 R（t）=R（0， t）。

電磁閥的失效率曲線是典型的浴盆曲線，其函數圖像如圖2所示[7-11]。

3 傳統ESD閥氣動執行機構電磁閥控制模式分析

3.1 單電磁閥

傳統ESD電磁閥一般采用單電磁閥，其結構如圖3所示，為兩位三通，根據系統要求，電磁閥為一進一出，其帶電時接口2通向接口1，接口3關閉。系統正常工作時，壓縮空氣經過電磁閥接口1向ESD閥氣動執行機構供氣，ESD閥開啟；電磁閥失電時，接口1通向接口3，接口2關閉，ESD閥氣動執行機構內壓縮空氣通過接口1和接口3排氣，ESD閥失去氣源，ESD閥關閉[6]。

圖2 電磁閥浴盆曲線

圖3 單電磁閥控制的ESD閥結構示意

ESD閥的動作受電磁閥控制，此種控制方式下，當電磁閥發生故障時會導致ESD閥誤動作，發生機組跳閘事故。根據浴盆曲線，電磁閥的失效可以分為早期失效期、穩定失效期、耗損失效期。在早期失效期內，失效概率極大，失效大部分是由于產品設計、原材料和制造過程的缺陷造成的，可以通過前期產品驗收，系統試運排查出不合格品來解決。穩定失效期的失效率是可以接受的，出現失效情況也是偶然因素造成。但正因如此，造成設備管理時不會太重視，由于單電磁閥結構沒有冗余，穩定失效期內電磁閥故障往往導致的是機組跳閘事故。在耗損失效期內，由于設備使用壽命到期，設備耗損嚴重，導致失效率大大增加，要求設備管理部門根據設備使用壽命到期更換。單電磁閥結構在設備耗損期內不便于維護檢修，如果機組在運行階段，需要停運機組。

3.2 串并聯形式的雙電磁閥

在ESD閥氣動執行機構的單電磁控制方式基礎上，部分燃機電廠提出各種改造措施，其結構都是基于串并聯形式的雙電磁閥控制。圖4就是一種典型的串并聯雙電磁閥結構控制的ESD閥，在圖3的單電磁閥結構上增加了1個兩位三通電磁閥2。系統正常工作時，電磁閥1和電磁閥2常帶電，因此電磁閥1和2的接口2通向接口1，接口3關閉，電磁閥2接口1通向電磁閥1接口3，由于電磁閥1接口3關閉，壓縮空氣通過電磁閥1接口2、接口1向ESD閥電磁閥氣動執行機構供氣。當電磁閥1故障時，電磁閥失電，電磁閥接口1通向接口3，接口2關閉，這時由于電磁閥2的接口1通向電磁閥1的接口3，壓縮空氣通過電磁閥2與電磁閥1的接口3向ESD閥氣動執行機構供氣，ESD不會失去氣源。當ESD閥需要關閉時，電磁閥1和電磁閥2需要同時失電，電磁閥1和2的接口2關閉，接口1通向接口3，壓縮空氣從電磁閥2接口3出排出，ESD閥失去氣源，ESD閥關閉。這種結構實現了雙電磁閥串并聯控制，只有2個電磁閥都故障時ESD才會關閉[12]。

圖4 串并聯雙電磁閥控制的ESD閥結構示意

3.3 2種模式的比較

根據浴盆曲線，電磁閥失效率為P（0

雙電磁閥串并聯結構雖然提高了系統的穩定性，但是自身結構仍有缺點，ESD閥的正常工作氣源僅由電磁閥1提供，電磁閥2的電源只有電磁閥1失效時才起作用。這樣的配置使得電磁閥2的作用大大降低，而且當電磁閥1和2出現故障時，需要停機處理，不方便維護檢修[13-15]。

4 雙通道冗余結構

為了進一步提高ESD閥的可靠性并方便維護，提出一種雙通道冗余結構的電磁閥控制方式，如圖5所示。

圖5 雙通道冗余電磁閥控制的ESD閥結構示意

當系統正常工作時圖中手動閥1和3常開，手動閥2常閉，電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3、電磁閥4為常帶電，接口2通向接口1，接口3關閉。電磁閥3和4的接口1由于電磁閥2、電磁閥1的接口3關閉，壓縮空氣通過電磁閥1和電磁閥2的接口1向ESD閥供氣。當電磁閥1故障時，接口2關閉，接口1通向接口3，壓縮空氣通過電磁閥4的接口1通向電磁閥1的接口3形成通路，同時通過電磁閥2向ESD閥供氣。在電磁閥1故障時，若電磁閥2和3故障，由于有電磁閥4提供通路，壓縮空氣不會排出；只有當電磁閥4故障，電磁閥4接口2關閉，接口3打開，壓縮空氣通過電磁閥4接口3排出，ESD閥失去氣源，ESD閥才關閉。同理，當且僅當電磁閥2、電磁閥3同時故障，壓縮空氣才會排出，ESD閥關閉。由電磁閥1和電磁閥4、電磁閥2和電磁閥3構成的雙通道氣路大大提高了系統的穩定性，電磁閥故障導致ESD閥故障的概率按以下計算：

式中：PESDA是ESD閥故障概率；P是電磁閥故障概率。

通過上文得出單電磁閥結構ESD閥故障概率為：

串并聯雙電磁閥結構ESD閥故障概率為：

通過對電磁閥故障導致ESD閥發生故障概率進行對比，得出：

可以看出雙通道冗余結構在提供系統可靠性上有了很大提升。同時增加3個手動閥，當系統電磁閥發生故障時，關閉手動閥1和3，打開手動閥2，壓縮空氣由手動閥2向ESD閥供氣，實現了在線檢修、更換電磁閥，進一步提高系統穩定性。同時，通過雙通道冗余結構可以實現通道備用冗余定期切換功能。通過電磁閥的浴盆曲線，可以得出在早期失效期內，使用雙通道結構能提高系統可靠性，通過早期試驗、試運行、檢查不合格產品、更換合格產品等措施能同時保證系統不會因為電磁閥故障導致跳機。在恒定失效期內，由于電磁閥故障產生的失效率在可接受范圍內，這時可采用一用一備方式運行，電磁閥1和電磁閥4、電磁閥2和電磁閥3為雙通道，當通道打通，ESD閥失氣，因此可以在運行中，使用電磁閥1、電磁閥2或者電磁閥1、電磁閥3工作方式，其他結構同理。這些結構在穩定失效期內可定期切換，這樣就可避免電磁閥長期帶電導致電磁閥耗損嚴重，能延長電磁閥的壽命，避免耗損失效期提前。

5 結語

針對燃氣—蒸汽聯合循環天然氣調壓站ESD閥氣動執行機構電磁閥控制方式進行分析，在原有控制策略上提出了一種改進的雙通道冗余控制策略。以某發電公司為例，驗證機組運行過程中雙通道冗余結構提高系統可靠性，同時證明這種結構更方便機組維護。該控制策略對于同類型機組具有借鑒意義，可避免因電磁閥故障導致機組跳閘事故的發生。

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