嚴(yán) 強(qiáng)，林祖宇

（廣東粵電新會發(fā)電有限公司，廣東 新會 529149）

0 引言

天然氣調(diào)壓系統(tǒng)在燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組啟動、運(yùn)行、停機(jī)等工況下，將來自上游供氣管道的天然氣降壓、穩(wěn)壓，使天然氣在所要求的壓力、溫度下連續(xù)輸入下游供氣管道，供燃機(jī)、啟動鍋爐使用。ESD閥為調(diào)壓系統(tǒng)入口緊急切斷閥，在燃?xì)怆姀S發(fā)生火災(zāi)或者天然氣泄漏時緊急切斷天然氣，避免事故擴(kuò)大。

近年來聯(lián)合蒸汽循環(huán)電廠由于單電磁閥控制的電磁閥本身故障導(dǎo)致ESD動作、進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組跳閘的事故頻發(fā)，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(fā)電公司ESD閥氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥原設(shè)計為單電磁閥形式，根據(jù)浴盆曲線和概率對單電磁閥方式和串并聯(lián)電磁閥方式可靠性進(jìn)行分析，提出了一種雙通道冗余結(jié)構(gòu)的電磁閥控制方式，對ESD閥控制方式進(jìn)行改造。

1 天然氣調(diào)壓站與ESD閥

某發(fā)電公司1期工程為F級（改進(jìn)型）燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。主機(jī)采用GE公司生產(chǎn)的9FB.03型燃機(jī)及配套發(fā)電機(jī)、150 MW蒸汽汽輪機(jī)及配套發(fā)電機(jī)，余熱鍋爐為東方日立生產(chǎn)的三壓、再熱、臥式、無補(bǔ)燃、自然循環(huán)余熱鍋爐[1－2]。其天然氣調(diào)壓系統(tǒng)根據(jù)燃機(jī)及啟動鍋爐對天然氣的要求以及電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、檢修維護(hù)等方面的要求合理配置，如圖1所示，包括天然氣的緊急關(guān)斷、旋風(fēng)分離、加熱、過濾分離、計量、色譜分析、調(diào)壓以及安全隔離、氮?dú)獯祾摺⑴趴?、安全放散、疏液排污、啟動鍋爐燃?xì)夤?yīng)、站控等系統(tǒng)[3]。

圖1 天然氣調(diào)壓站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，對ESD閥有以下技術(shù)要求：

（1）采用壓縮空氣驅(qū)動，且均為獨(dú)立閥體。

（2）緊急切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以在就地和遠(yuǎn)方進(jìn)行操作，關(guān)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(tài)，驅(qū)動閥門關(guān)斷的驅(qū)動部件應(yīng)有穩(wěn)定的保護(hù)措施，對于管道正常工作所產(chǎn)生的振動不應(yīng)引起驅(qū)動部件的松懈或動作，從而導(dǎo)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(shè)備在時間區(qū)間t時刻前未發(fā)生失效，在（t，t+Δt）內(nèi)出現(xiàn)一個失效的條件概率與區(qū)間長度Δt之比，當(dāng)Δt→0的極限時：

式中： λ（t）為失效率； F（t）為失效時發(fā)生的分布函數(shù)； f（t）為失效時發(fā)生的概率函數(shù)； R（t）為可靠度函數(shù)，R（t）與 R（t1， t2）可靠度的關(guān)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(shù)圖像如圖2所示[7-11]。

3 傳統(tǒng)ESD閥氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥控制模式分析

3.1 單電磁閥

傳統(tǒng)ESD電磁閥一般采用單電磁閥，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，為兩位三通，根據(jù)系統(tǒng)要求，電磁閥為一進(jìn)一出，其帶電時接口2通向接口1，接口3關(guān)閉。系統(tǒng)正常工作時，壓縮空氣經(jīng)過電磁閥接口1向ESD閥氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣，ESD閥開啟；電磁閥失電時，接口1通向接口3，接口2關(guān)閉，ESD閥氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)壓縮空氣通過接口1和接口3排氣，ESD閥失去氣源，ESD閥關(guān)閉[6]。

圖2 電磁閥浴盆曲線

圖3 單電磁閥控制的ESD閥結(jié)構(gòu)示意

ESD閥的動作受電磁閥控制，此種控制方式下，當(dāng)電磁閥發(fā)生故障時會導(dǎo)致ESD閥誤動作，發(fā)生機(jī)組跳閘事故。根據(jù)浴盆曲線，電磁閥的失效可以分為早期失效期、穩(wěn)定失效期、耗損失效期。在早期失效期內(nèi)，失效概率極大，失效大部分是由于產(chǎn)品設(shè)計、原材料和制造過程的缺陷造成的，可以通過前期產(chǎn)品驗(yàn)收，系統(tǒng)試運(yùn)排查出不合格品來解決。穩(wěn)定失效期的失效率是可以接受的，出現(xiàn)失效情況也是偶然因素造成。但正因如此，造成設(shè)備管理時不會太重視，由于單電磁閥結(jié)構(gòu)沒有冗余，穩(wěn)定失效期內(nèi)電磁閥故障往往導(dǎo)致的是機(jī)組跳閘事故。在耗損失效期內(nèi)，由于設(shè)備使用壽命到期，設(shè)備耗損嚴(yán)重，導(dǎo)致失效率大大增加，要求設(shè)備管理部門根據(jù)設(shè)備使用壽命到期更換。單電磁閥結(jié)構(gòu)在設(shè)備耗損期內(nèi)不便于維護(hù)檢修，如果機(jī)組在運(yùn)行階段，需要停運(yùn)機(jī)組。

3.2 串并聯(lián)形式的雙電磁閥

在ESD閥氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的單電磁控制方式基礎(chǔ)上，部分燃機(jī)電廠提出各種改造措施，其結(jié)構(gòu)都是基于串并聯(lián)形式的雙電磁閥控制。圖4就是一種典型的串并聯(lián)雙電磁閥結(jié)構(gòu)控制的ESD閥，在圖3的單電磁閥結(jié)構(gòu)上增加了1個兩位三通電磁閥2。系統(tǒng)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(guān)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(guān)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(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣。當(dāng)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(guān)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(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣，ESD不會失去氣源。當(dāng)ESD閥需要關(guān)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(guān)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(guān)閉。這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了雙電磁閥串并聯(lián)控制，只有2個電磁閥都故障時ESD才會關(guān)閉[12]。

圖4 串并聯(lián)雙電磁閥控制的ESD閥結(jié)構(gòu)示意

3.3 2種模式的比較

根據(jù)浴盆曲線，電磁閥失效率為P（0

雙電磁閥串并聯(lián)結(jié)構(gòu)雖然提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是自身結(jié)構(gòu)仍有缺點(diǎn)，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(dāng)電磁閥1和2出現(xiàn)故障時，需要停機(jī)處理，不方便維護(hù)檢修[13-15]。

4 雙通道冗余結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步提高ESD閥的可靠性并方便維護(hù)，提出一種雙通道冗余結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意

當(dāng)系統(tǒng)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(guān)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(guān)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(dāng)電磁閥1故障時，接口2關(guān)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(dāng)電磁閥4故障，電磁閥4接口2關(guān)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(guān)閉。同理，當(dāng)且僅當(dāng)電磁閥2、電磁閥3同時故障，壓縮空氣才會排出，ESD閥關(guān)閉。由電磁閥1和電磁閥4、電磁閥2和電磁閥3構(gòu)成的雙通道氣路大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電磁閥故障導(dǎo)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(jié)構(gòu)ESD閥故障概率為：

串并聯(lián)雙電磁閥結(jié)構(gòu)ESD閥故障概率為：

通過對電磁閥故障導(dǎo)致ESD閥發(fā)生故障概率進(jìn)行對比，得出：

可以看出雙通道冗余結(jié)構(gòu)在提供系統(tǒng)可靠性上有了很大提升。同時增加3個手動閥，當(dāng)系統(tǒng)電磁閥發(fā)生故障時，關(guān)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(shí)現(xiàn)了在線檢修、更換電磁閥，進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時，通過雙通道冗余結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)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(nèi)，使用雙通道結(jié)構(gòu)能提高系統(tǒng)可靠性，通過早期試驗(yàn)、試運(yùn)行、檢查不合格產(chǎn)品、更換合格產(chǎn)品等措施能同時保證系統(tǒng)不會因?yàn)殡姶砰y故障導(dǎo)致跳機(jī)。在恒定失效期內(nèi)，由于電磁閥故障產(chǎn)生的失效率在可接受范圍內(nèi)，這時可采用一用一備方式運(yùn)行，電磁閥1和電磁閥4、電磁閥2和電磁閥3為雙通道，當(dāng)通道打通，ESD閥失氣，因此可以在運(yùn)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(jié)構(gòu)同理。這些結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定失效期內(nèi)可定期切換，這樣就可避免電磁閥長期帶電導(dǎo)致電磁閥耗損嚴(yán)重，能延長電磁閥的壽命，避免耗損失效期提前。

5 結(jié)語

針對燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)天然氣調(diào)壓站ESD閥氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥控制方式進(jìn)行分析，在原有控制策略上提出了一種改進(jìn)的雙通道冗余控制策略。以某發(fā)電公司為例，驗(yàn)證機(jī)組運(yùn)行過程中雙通道冗余結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)可靠性，同時證明這種結(jié)構(gòu)更方便機(jī)組維護(hù)。該控制策略對于同類型機(jī)組具有借鑒意義，可避免因電磁閥故障導(dǎo)致機(jī)組跳閘事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國華電集團(tuán)公司.大型燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)叢書：設(shè)備及系統(tǒng)分冊[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]國家能源局.防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點(diǎn)要求及編制釋義[M].北京：中國電力出版社，2014.

[3]馬國喜.燃?xì)廨啓C(jī)電廠天然氣調(diào)壓站裝置與功能分析[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2011（24）∶4.

[4]王小江.燃?xì)怆姀S天然氣調(diào)壓站ESD閥可靠性分析及對策[J].儀器儀表用戶，2016（2）∶98－100.

[5]王多才，高鵬.氣液聯(lián)動閥意外關(guān)斷分析及在西氣東輸?shù)膽?yīng)用[J].石油規(guī)劃設(shè)計，2012，23（2）∶51－53.

[6]高斌，李國斌.中亞天然氣管道首站進(jìn)出站 ESD截斷閥異常關(guān)斷分析與技術(shù)改造[J].油氣儲運(yùn)，2015（8）∶1－4.

[7]TODINOV M T.Reliability and risk models∶setting reliability requirements[M].ELgland∶John Wilcy&sons，2005.

[8]CINI P F，GRIFFITH P.Designing for MFOP∶towards the autonomous aircraft[J].Journal of Quality maintenance Engineerin，1995（5）∶295－306.

[9]DIETL C，RAKOWSKY U K.An operating strategy for high availability multi－sation transfer lines[J].International Journal of Automation and Computing，2006（2）∶125－130.

[10]江玉彬.浴盆曲線在通信電源設(shè)備管理中的應(yīng)用[J].通信電源技術(shù)，2013（1）∶34－36.

[11]馬紀(jì)明，萬蔚，曾聲奎.基于浴盆曲線故障率函數(shù)的FFOP預(yù)計方法[J].航空學(xué)報，2012（9）∶1164－1670.

[12]丁建軍，武海南，馮鵬飛.9FA燃機(jī)燃?xì)鈮毫Φ驼跀嘣蚍治黾疤幚韀J].浙江電力，2017，36（6）∶72－75.

[13]瞿培亮，皇甫迎波.電磁閥冗余配置在控制閥上的應(yīng)用[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2015（4）∶8－12.

[14]陳學(xué)敏.工程中電磁閥的應(yīng)用探討[J].石油化工自動化，2009（4）∶58－61.

[15]李幫軍.電磁閥冗余技術(shù)在控制上的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2013（2）∶545－548.