调压站ESD阀控制方案迭代对比分析

湖北华电襄阳燃机热电有限公司 杨 莹 王友全 劳秀云 付 麟

华电电力科学研究院有限公司 柳长海 刘林波

调压站是燃机电厂天然气处理的重要系统，其主要通过分离过滤、计量分析、加热、调压、排污等模块实现天然气压力的调节，保证燃机稳定运行的用气要求。为保证燃气电厂的安全，当发生天然气泄漏或者火灾等突发事故，一般采用紧急关闭燃气电磁阀来快速切断天然气供给。ESD 阀因可靠性高，灵活方便，广泛使用于燃气管道安全装置中。

鉴于天然气的可燃和易爆的特性，ESD 阀通常选用气动执行机构，用电磁阀进行开关控制。燃机发电机运行过程中，若ESD 阀误关将导致燃机发电机组停机；而燃机发电机组故障或者天然气泄漏、发生火灾甚至爆炸等危险情况发生时，ESD 阀若不能及时关闭，将发生严重的安全事故[1]。因此，结合不同的现场实际，采用一种设计合理、控制回路结构简单、安全可靠性高的ESD 阀控制方案是燃机电站技术人员的不断追求。

随着燃机电站的增多和不同场景下新的安全性要求的不断提出，ESD 阀的控制方案经过了一个不断迭代升级的过程，其可靠性和安全性得到了不断地提升。

1 早期控制方案

早期控制方案中，ESD 阀由单电磁阀控制，电磁阀由220V 单电源供电，气动执行机构就地取用天然气作为动力进行驱动。正常情况下，单电磁阀可以由远方进行开关控制。但存在以下风险。一是当单电源失电时，ESD 阀即关闭，存在误动的风险；采用220V 电源，则电压等级过高，短路状态下，易引发天然气火灾；二是单电磁阀故障如卡涩而无法关闭时，则存在失火等危急情况无法阻断天然气的风险；三是气动执行机构的动力就地取用天然气进行驱动，存在天然气爆炸或起火的危险。

2 优化迭代方案1

该方案主要在采用双电磁阀串并联控制的基础上，使用双电源给电磁阀供电，同时阀门采用压缩空气驱动。

双电磁阀串并联控制原理如图1所示。

图1 串并联双电磁阀控制原理图

图1中，电磁阀3和4为两位三通电磁阀，得电时，1-2通，1-3断开，失电反之；气控阀5为两位五通气控阀，得气时，P-A 通，B-R 通；失气时P-B 通，A-R 通。

一是正常情况下，电磁阀3和4均带电，电磁阀3和4的2-1气路均通；气控阀5得气，ESD 阀6打开。二是如果电磁阀3带电、电磁阀4失电，则电磁阀3的2-1气路通，电磁阀4的3-1气路通；气控阀5得气，ESD 阀6打开。当电磁阀4得电、电磁阀3失电时，ESD 阀6也会打开。三是当电磁阀3、4同时失电，气控阀5将失气，此时ESD 阀6会关闭。

该方案的优点为：一是压缩空气系统独立于天然气系统，天然气失去后，仍可对ESD 阀进行操作；二是电磁阀采用两路独立的24V DC 安全电源，有效防止了单一电源供电故障时ESD 阀门的突然关闭和220VAC 电源短路时的起火风险。三是双电磁阀串并联连接后，任意一个电磁阀正常即可保证紧急切断阀正常工作，只有当两个电磁阀均失效时，紧急切断阀才会关闭。

3 优化迭代方案2

该方案在优化迭代方案1的基础上，采用双压缩空气驱动。双电磁阀串并联控制、双压缩空气驱动原理如图2所示。

图2 双套串并联电磁阀、双套气源控制原理图

图2各器件可组成两路压缩空气驱动回路。回路一：手动阀3、减压阀6、手动阀7、压缩空气；回路二：电磁阀4、电磁阀5、减压阀9、手动阀7、压缩空气8。手动阀是手动切换阀，用于切换电磁阀工作还是手动阀工作，手动阀3是用于手动打开ESD 阀。手动阀2与ESD 阀连接，并通过气缸排放；在压缩空气丢失时，锁气器锁住ESD 阀气缸内部压缩空气，保证阀门正常打开；逆止阀可以防止一路压缩空气泄漏而导致另外一路压缩空气泄漏。

该方案的优点为采用两路压缩空气供应，每路压缩空气入口处增加逆止阀，当单路压缩空气泄漏时，不影响另一路压缩空气，保证阀门不误关。

4 优化迭代方案3

该方案采用双电磁阀并串联或者串并联控制满足开关要求不同的场景。图3所示为双电磁阀并联、双阀门串联的控制方案。

图3 双电磁阀并联、双阀门串联控制原理图

如图3所示，电磁阀8和电磁阀12并联布置，电磁阀的两端分别连接气源和气缸，气缸的进气端连接ESD 阀；电磁阀18和19并联布置，两电磁阀的两端分别连接气源和另一气缸，另一个气缸的进气受ESD 阀控制；ESD 阀16和ESD 阀17串联布置于系统管路中。

当4个电磁阀8、12、18和19，其中某一个出现故障而丢电时，气缸可正常导通，ESD 阀16或17保持开启，系统管路可正常导通，而当4个电磁阀8、12、18和19全部处于丢电状态时，ESD 阀16和17均处于关闭状态，系统管路中断，从而保证了系统的安全性[2]。

双电磁阀串联、双阀门并联原理如图4所示。

图4 双电磁阀串联、双阀门并联控制原理图

图4中，ESD 阀16和17的单独控制，这点与图3相同；但与图3不同之处在于图4中ESD 阀16和17并联布置于系统管路20中。

正常工作时，4个电磁阀8、12、18和19全部丢电，ESD 阀16和17关闭；电磁阀8和12分别得电，或者电磁阀18和19分别得电，又或者电磁阀8、12、18和19全部得电时，系统管路20接通。实现电磁阀保护开停机。

该方案的优点为：一是利用双电磁阀并联和双阀门串联的器件布置，确保阀门关闭情况下的安全性；二是利用双电磁阀串并联和双阀门并联的器件布置，确保阀门开启时的安全性；三是这种控制系统相较于传统的单电磁阀控制系统，减少了误操作的风险，相较于双电磁阀控制系统，降低了拒动风险，保证了系统的可靠工作。

5 优化迭代方案4

该方案主要对ESD 阀的就地控制方案进行优化。ESD 阀就地控制原理如图5所示。

图5 双套串并联电磁阀、双套气源控制原理图

图5中，二位三通电磁阀3和4组成串并联回路，安装在就地高防护级别的防爆箱8内；紧急切断按钮5安装于防爆控制箱8的控制面板上；该按钮的常闭接点连接于24V 直流电源回路9的正负极。

该方案的优点为：一是将二位三通电磁阀安装在高防护级别的防爆箱内，阀门出口通过橡胶软管与二位五通气控阀连接，这种特殊设计，提高了电磁阀工作的可靠性、安全性和使用寿命，降低了电气元件故障引起天然气的燃烧失火的风险。二是按下紧急切断按钮5，24V 直流电源回路的正负极均断开，ESD 阀1可快速切断，有效关闭天然气供给。

6 优化迭代方案5

该方案主要是在有线控制失效的情况下，采用无线遥控。ESD 阀无线遥控原理如图6所示。

图6 无线遥控控制原理图

图6中装置1为阀门监控系统，其内部主要布置有：短路/断路检测器件11、第一控制器12、第一无线收发器13。图6中装置2为无线控制系统，主要部件包括：触摸屏21、第二控制器23、第二无线收发器22。其中，短路/断路检测器件11可实时监测位于ESD 阀3与远程控制器4之间的线路工作状态，控制器4可用于ESD 阀3的远程关闭[3]。

当阀门3和控制器4之间的线路出现故障，短路/断路检测器件11可监测到故障信号并发送指令给第一控制器12，再通过第一无线收发器13发送无线信号到控制装置2，第二无线收发器22收到状态信号并控制第二控制器23启动触摸屏21工作，进行故障报警。在报警提醒下，操作人员可操作触摸屏21，发送指令控制阀门监控装置1，实现ESD 阀3的开关控制。

该方案的优点为：实时监测ESD 阀门和远程控制器间的工作线路状态，当出现短路或断路故障，可立刻发送报警信号至无线控制端，待工作人员确认存在事故后，可迅速发送命令对ESD 阀进行操作。当发生火灾时，若有线回路被切断，遥控器能够及时对ESD 阀进行开关控制。

7 结语

从ESD 阀控制方案的多次迭代分析可清晰反映出ESD 阀控制方案不断优化的技术路线。结合不同的现场场景实际，选择和优化ESD 阀的控制方案，可以有效提升ESD 阀控制系统的技术可靠性，进而提高天然气电站的安全效应。其他类似的安全设备的控制，也可以从中得到很好地启发和借鉴。