調壓站ESD閥控制方案迭代對比分析

湖北華電襄陽燃機熱電有限公司 楊 瑩 王友全 勞秀云 付 麟

華電電力科學研究院有限公司 柳長海 劉林波

調壓站是燃機電廠天然氣處理的重要系統，其主要通過分離過濾、計量分析、加熱、調壓、排污等模塊實現天然氣壓力的調節，保證燃機穩定運行的用氣要求。為保證燃氣電廠的安全，當發生天然氣泄漏或者火災等突發事故，一般采用緊急關閉燃氣電磁閥來快速切斷天然氣供給。ESD 閥因可靠性高，靈活方便，廣泛使用于燃氣管道安全裝置中。

鑒于天然氣的可燃和易爆的特性，ESD 閥通常選用氣動執行機構，用電磁閥進行開關控制。燃機發電機運行過程中，若ESD 閥誤關將導致燃機發電機組停機；而燃機發電機組故障或者天然氣泄漏、發生火災甚至爆炸等危險情況發生時，ESD 閥若不能及時關閉，將發生嚴重的安全事故[1]。因此，結合不同的現場實際，采用一種設計合理、控制回路結構簡單、安全可靠性高的ESD 閥控制方案是燃機電站技術人員的不斷追求。

隨著燃機電站的增多和不同場景下新的安全性要求的不斷提出，ESD 閥的控制方案經過了一個不斷迭代升級的過程，其可靠性和安全性得到了不斷地提升。

1 早期控制方案

早期控制方案中，ESD 閥由單電磁閥控制，電磁閥由220V 單電源供電，氣動執行機構就地取用天然氣作為動力進行驅動。正常情況下，單電磁閥可以由遠方進行開關控制。但存在以下風險。一是當單電源失電時，ESD 閥即關閉，存在誤動的風險；采用220V 電源，則電壓等級過高，短路狀態下，易引發天然氣火災；二是單電磁閥故障如卡澀而無法關閉時，則存在失火等危急情況無法阻斷天然氣的風險；三是氣動執行機構的動力就地取用天然氣進行驅動，存在天然氣爆炸或起火的危險。

2 優化迭代方案1

該方案主要在采用雙電磁閥串并聯控制的基礎上，使用雙電源給電磁閥供電，同時閥門采用壓縮空氣驅動。

雙電磁閥串并聯控制原理如圖1所示。

圖1 串并聯雙電磁閥控制原理圖

圖1中，電磁閥3和4為兩位三通電磁閥，得電時，1-2通，1-3斷開，失電反之；氣控閥5為兩位五通氣控閥，得氣時，P-A 通，B-R 通；失氣時P-B 通，A-R 通。

一是正常情況下，電磁閥3和4均帶電，電磁閥3和4的2-1氣路均通；氣控閥5得氣，ESD 閥6打開。二是如果電磁閥3帶電、電磁閥4失電，則電磁閥3的2-1氣路通，電磁閥4的3-1氣路通；氣控閥5得氣，ESD 閥6打開。當電磁閥4得電、電磁閥3失電時，ESD 閥6也會打開。三是當電磁閥3、4同時失電，氣控閥5將失氣，此時ESD 閥6會關閉。

該方案的優點為：一是壓縮空氣系統獨立于天然氣系統，天然氣失去后，仍可對ESD 閥進行操作；二是電磁閥采用兩路獨立的24V DC 安全電源，有效防止了單一電源供電故障時ESD 閥門的突然關閉和220VAC 電源短路時的起火風險。三是雙電磁閥串并聯連接后，任意一個電磁閥正常即可保證緊急切斷閥正常工作，只有當兩個電磁閥均失效時，緊急切斷閥才會關閉。

3 優化迭代方案2

該方案在優化迭代方案1的基礎上，采用雙壓縮空氣驅動。雙電磁閥串并聯控制、雙壓縮空氣驅動原理如圖2所示。

圖2 雙套串并聯電磁閥、雙套氣源控制原理圖

圖2各器件可組成兩路壓縮空氣驅動回路?；芈芬唬菏謩娱y3、減壓閥6、手動閥7、壓縮空氣；回路二：電磁閥4、電磁閥5、減壓閥9、手動閥7、壓縮空氣8。手動閥是手動切換閥，用于切換電磁閥工作還是手動閥工作，手動閥3是用于手動打開ESD 閥。手動閥2與ESD 閥連接，并通過氣缸排放；在壓縮空氣丟失時，鎖氣器鎖住ESD 閥氣缸內部壓縮空氣，保證閥門正常打開；逆止閥可以防止一路壓縮空氣泄漏而導致另外一路壓縮空氣泄漏。

該方案的優點為采用兩路壓縮空氣供應，每路壓縮空氣入口處增加逆止閥，當單路壓縮空氣泄漏時，不影響另一路壓縮空氣，保證閥門不誤關。

4 優化迭代方案3

該方案采用雙電磁閥并串聯或者串并聯控制滿足開關要求不同的場景。圖3所示為雙電磁閥并聯、雙閥門串聯的控制方案。

圖3 雙電磁閥并聯、雙閥門串聯控制原理圖

如圖3所示，電磁閥8和電磁閥12并聯布置，電磁閥的兩端分別連接氣源和氣缸，氣缸的進氣端連接ESD 閥；電磁閥18和19并聯布置，兩電磁閥的兩端分別連接氣源和另一氣缸，另一個氣缸的進氣受ESD 閥控制；ESD 閥16和ESD 閥17串聯布置于系統管路中。

當4個電磁閥8、12、18和19，其中某一個出現故障而丟電時，氣缸可正常導通，ESD 閥16或17保持開啟，系統管路可正常導通，而當4個電磁閥8、12、18和19全部處于丟電狀態時，ESD 閥16和17均處于關閉狀態，系統管路中斷，從而保證了系統的安全性[2]。

雙電磁閥串聯、雙閥門并聯原理如圖4所示。

圖4 雙電磁閥串聯、雙閥門并聯控制原理圖

圖4中，ESD 閥16和17的單獨控制，這點與圖3相同；但與圖3不同之處在于圖4中ESD 閥16和17并聯布置于系統管路20中。

正常工作時，4個電磁閥8、12、18和19全部丟電，ESD 閥16和17關閉；電磁閥8和12分別得電，或者電磁閥18和19分別得電，又或者電磁閥8、12、18和19全部得電時，系統管路20接通。實現電磁閥保護開停機。

該方案的優點為：一是利用雙電磁閥并聯和雙閥門串聯的器件布置，確保閥門關閉情況下的安全性；二是利用雙電磁閥串并聯和雙閥門并聯的器件布置，確保閥門開啟時的安全性；三是這種控制系統相較于傳統的單電磁閥控制系統，減少了誤操作的風險，相較于雙電磁閥控制系統，降低了拒動風險，保證了系統的可靠工作。

5 優化迭代方案4

該方案主要對ESD 閥的就地控制方案進行優化。ESD 閥就地控制原理如圖5所示。

圖5 雙套串并聯電磁閥、雙套氣源控制原理圖

圖5中，二位三通電磁閥3和4組成串并聯回路，安裝在就地高防護級別的防爆箱8內；緊急切斷按鈕5安裝于防爆控制箱8的控制面板上；該按鈕的常閉接點連接于24V 直流電源回路9的正負極。

該方案的優點為：一是將二位三通電磁閥安裝在高防護級別的防爆箱內，閥門出口通過橡膠軟管與二位五通氣控閥連接，這種特殊設計，提高了電磁閥工作的可靠性、安全性和使用壽命，降低了電氣元件故障引起天然氣的燃燒失火的風險。二是按下緊急切斷按鈕5，24V 直流電源回路的正負極均斷開，ESD 閥1可快速切斷，有效關閉天然氣供給。

6 優化迭代方案5

該方案主要是在有線控制失效的情況下，采用無線遙控。ESD 閥無線遙控原理如圖6所示。

圖6 無線遙控控制原理圖

圖6中裝置1為閥門監控系統，其內部主要布置有：短路/斷路檢測器件11、第一控制器12、第一無線收發器13。圖6中裝置2為無線控制系統，主要部件包括：觸摸屏21、第二控制器23、第二無線收發器22。其中，短路/斷路檢測器件11可實時監測位于ESD 閥3與遠程控制器4之間的線路工作狀態，控制器4可用于ESD 閥3的遠程關閉[3]。

當閥門3和控制器4之間的線路出現故障，短路/斷路檢測器件11可監測到故障信號并發送指令給第一控制器12，再通過第一無線收發器13發送無線信號到控制裝置2，第二無線收發器22收到狀態信號并控制第二控制器23啟動觸摸屏21工作，進行故障報警。在報警提醒下，操作人員可操作觸摸屏21，發送指令控制閥門監控裝置1，實現ESD 閥3的開關控制。

該方案的優點為：實時監測ESD 閥門和遠程控制器間的工作線路狀態，當出現短路或斷路故障，可立刻發送報警信號至無線控制端，待工作人員確認存在事故后，可迅速發送命令對ESD 閥進行操作。當發生火災時，若有線回路被切斷，遙控器能夠及時對ESD 閥進行開關控制。

7 結語

從ESD 閥控制方案的多次迭代分析可清晰反映出ESD 閥控制方案不斷優化的技術路線。結合不同的現場場景實際，選擇和優化ESD 閥的控制方案，可以有效提升ESD 閥控制系統的技術可靠性，進而提高天然氣電站的安全效應。其他類似的安全設備的控制，也可以從中得到很好地啟發和借鑒。