严 强，林祖宇

（广东粤电新会发电有限公司，广东 新会 529149）

0 引言

天然气调压系统在燃气—蒸汽联合循环机组启动、运行、停机等工况下，将来自上游供气管道的天然气降压、稳压，使天然气在所要求的压力、温度下连续输入下游供气管道，供燃机、启动锅炉使用。ESD阀为调压系统入口紧急切断阀，在燃气电厂发生火灾或者天然气泄漏时紧急切断天然气，避免事故扩大。

近年来联合蒸汽循环电厂由于单电磁阀控制的电磁阀本身故障导致ESD动作、进而导致机组跳闸的事故频发，对于单电磁阀控制迫切需要提出一种更为可靠的控制方式。某发电公司ESD阀气动执行机构电磁阀原设计为单电磁阀形式，根据浴盆曲线和概率对单电磁阀方式和串并联电磁阀方式可靠性进行分析，提出了一种双通道冗余结构的电磁阀控制方式，对ESD阀控制方式进行改造。

1 天然气调压站与ESD阀

某发电公司1期工程为F级（改进型）燃气—蒸汽联合循环热电联产机组。主机采用GE公司生产的9FB.03型燃机及配套发电机、150 MW蒸汽汽轮机及配套发电机，余热锅炉为东方日立生产的三压、再热、卧式、无补燃、自然循环余热锅炉[1－2]。其天然气调压系统根据燃机及启动锅炉对天然气的要求以及电厂安全经济运行、检修维护等方面的要求合理配置，如图1所示，包括天然气的紧急关断、旋风分离、加热、过滤分离、计量、色谱分析、调压以及安全隔离、氮气吹扫、排空、安全放散、疏液排污、启动锅炉燃气供应、站控等系统[3]。

图1 天然气调压站系统结构

为保证机组安全稳定运行，对ESD阀有以下技术要求：

（1）采用压缩空气驱动，且均为独立阀体。

（2）紧急切断阀执行机构可以在就地和远方进行操作，关闭时间不超过5 s。

（3）紧急切断阀的开启时间不超过1 s。

（4）紧急切断阀在正常工作时长期处于全开状态，驱动阀门关断的驱动部件应有稳定的保护措施，对于管道正常工作所产生的振动不应引起驱动部件的松懈或动作，从而导致紧急切断阀误动作[4-5]。

2 浴盆曲线

可用失效率来衡量电磁阀的可靠性水平，失效率是设备在时间区间t时刻前未发生失效，在（t，t+Δt）内出现一个失效的条件概率与区间长度Δt之比，当Δt→0的极限时：

式中： λ（t）为失效率； F（t）为失效时发生的分布函数； f（t）为失效时发生的概率函数； R（t）为可靠度函数，R（t）与 R（t1， t2）可靠度的关系是 R（t）=R（0， t）。

电磁阀的失效率曲线是典型的浴盆曲线，其函数图像如图2所示[7-11]。

3 传统ESD阀气动执行机构电磁阀控制模式分析

3.1 单电磁阀

传统ESD电磁阀一般采用单电磁阀，其结构如图3所示，为两位三通，根据系统要求，电磁阀为一进一出，其带电时接口2通向接口1，接口3关闭。系统正常工作时，压缩空气经过电磁阀接口1向ESD阀气动执行机构供气，ESD阀开启；电磁阀失电时，接口1通向接口3，接口2关闭，ESD阀气动执行机构内压缩空气通过接口1和接口3排气，ESD阀失去气源，ESD阀关闭[6]。

图2 电磁阀浴盆曲线

图3 单电磁阀控制的ESD阀结构示意

ESD阀的动作受电磁阀控制，此种控制方式下，当电磁阀发生故障时会导致ESD阀误动作，发生机组跳闸事故。根据浴盆曲线，电磁阀的失效可以分为早期失效期、稳定失效期、耗损失效期。在早期失效期内，失效概率极大，失效大部分是由于产品设计、原材料和制造过程的缺陷造成的，可以通过前期产品验收，系统试运排查出不合格品来解决。稳定失效期的失效率是可以接受的，出现失效情况也是偶然因素造成。但正因如此，造成设备管理时不会太重视，由于单电磁阀结构没有冗余，稳定失效期内电磁阀故障往往导致的是机组跳闸事故。在耗损失效期内，由于设备使用寿命到期，设备耗损严重，导致失效率大大增加，要求设备管理部门根据设备使用寿命到期更换。单电磁阀结构在设备耗损期内不便于维护检修，如果机组在运行阶段，需要停运机组。

3.2 串并联形式的双电磁阀

在ESD阀气动执行机构的单电磁控制方式基础上，部分燃机电厂提出各种改造措施，其结构都是基于串并联形式的双电磁阀控制。图4就是一种典型的串并联双电磁阀结构控制的ESD阀，在图3的单电磁阀结构上增加了1个两位三通电磁阀2。系统正常工作时，电磁阀1和电磁阀2常带电，因此电磁阀1和2的接口2通向接口1，接口3关闭，电磁阀2接口1通向电磁阀1接口3，由于电磁阀1接口3关闭，压缩空气通过电磁阀1接口2、接口1向ESD阀电磁阀气动执行机构供气。当电磁阀1故障时，电磁阀失电，电磁阀接口1通向接口3，接口2关闭，这时由于电磁阀2的接口1通向电磁阀1的接口3，压缩空气通过电磁阀2与电磁阀1的接口3向ESD阀气动执行机构供气，ESD不会失去气源。当ESD阀需要关闭时，电磁阀1和电磁阀2需要同时失电，电磁阀1和2的接口2关闭，接口1通向接口3，压缩空气从电磁阀2接口3出排出，ESD阀失去气源，ESD阀关闭。这种结构实现了双电磁阀串并联控制，只有2个电磁阀都故障时ESD才会关闭[12]。

图4 串并联双电磁阀控制的ESD阀结构示意

3.3 2种模式的比较

根据浴盆曲线，电磁阀失效率为P（0

双电磁阀串并联结构虽然提高了系统的稳定性，但是自身结构仍有缺点，ESD阀的正常工作气源仅由电磁阀1提供，电磁阀2的电源只有电磁阀1失效时才起作用。这样的配置使得电磁阀2的作用大大降低，而且当电磁阀1和2出现故障时，需要停机处理，不方便维护检修[13-15]。

4 双通道冗余结构

为了进一步提高ESD阀的可靠性并方便维护，提出一种双通道冗余结构的电磁阀控制方式，如图5所示。

图5 双通道冗余电磁阀控制的ESD阀结构示意

当系统正常工作时图中手动阀1和3常开，手动阀2常闭，电磁阀1、电磁阀2、电磁阀3、电磁阀4为常带电，接口2通向接口1，接口3关闭。电磁阀3和4的接口1由于电磁阀2、电磁阀1的接口3关闭，压缩空气通过电磁阀1和电磁阀2的接口1向ESD阀供气。当电磁阀1故障时，接口2关闭，接口1通向接口3，压缩空气通过电磁阀4的接口1通向电磁阀1的接口3形成通路，同时通过电磁阀2向ESD阀供气。在电磁阀1故障时，若电磁阀2和3故障，由于有电磁阀4提供通路，压缩空气不会排出；只有当电磁阀4故障，电磁阀4接口2关闭，接口3打开，压缩空气通过电磁阀4接口3排出，ESD阀失去气源，ESD阀才关闭。同理，当且仅当电磁阀2、电磁阀3同时故障，压缩空气才会排出，ESD阀关闭。由电磁阀1和电磁阀4、电磁阀2和电磁阀3构成的双通道气路大大提高了系统的稳定性，电磁阀故障导致ESD阀故障的概率按以下计算：

式中：PESDA是ESD阀故障概率；P是电磁阀故障概率。

通过上文得出单电磁阀结构ESD阀故障概率为：

串并联双电磁阀结构ESD阀故障概率为：

通过对电磁阀故障导致ESD阀发生故障概率进行对比，得出：

可以看出双通道冗余结构在提供系统可靠性上有了很大提升。同时增加3个手动阀，当系统电磁阀发生故障时，关闭手动阀1和3，打开手动阀2，压缩空气由手动阀2向ESD阀供气，实现了在线检修、更换电磁阀，进一步提高系统稳定性。同时，通过双通道冗余结构可以实现通道备用冗余定期切换功能。通过电磁阀的浴盆曲线，可以得出在早期失效期内，使用双通道结构能提高系统可靠性，通过早期试验、试运行、检查不合格产品、更换合格产品等措施能同时保证系统不会因为电磁阀故障导致跳机。在恒定失效期内，由于电磁阀故障产生的失效率在可接受范围内，这时可采用一用一备方式运行，电磁阀1和电磁阀4、电磁阀2和电磁阀3为双通道，当通道打通，ESD阀失气，因此可以在运行中，使用电磁阀1、电磁阀2或者电磁阀1、电磁阀3工作方式，其他结构同理。这些结构在稳定失效期内可定期切换，这样就可避免电磁阀长期带电导致电磁阀耗损严重，能延长电磁阀的寿命，避免耗损失效期提前。

5 结语

针对燃气—蒸汽联合循环天然气调压站ESD阀气动执行机构电磁阀控制方式进行分析，在原有控制策略上提出了一种改进的双通道冗余控制策略。以某发电公司为例，验证机组运行过程中双通道冗余结构提高系统可靠性，同时证明这种结构更方便机组维护。该控制策略对于同类型机组具有借鉴意义，可避免因电磁阀故障导致机组跳闸事故的发生。

参考文献：

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