氣液聯(lián)動(dòng)執行機構意外關(guān)斷分析及在西氣東輸的應用
介紹了氣液聯(lián)動(dòng)閥在西氣東輸管道系統中的應用情況。針對氣液聯(lián)動(dòng)閥在西氣東輸管道運行中經(jīng)常意外關(guān)斷影響生產(chǎn)的情況，根據氣液聯(lián)動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)斷的基本原理，分析了氣液聯(lián)動(dòng)閥意外關(guān)斷的可能情況，給出了意外關(guān)斷時(shí)故障的排查思路和排除方法，以便于在氣液聯(lián)動(dòng)閥意外關(guān)斷后能夠迅速地恢復生產(chǎn)，消除安全隱患。結合西氣東輸管道現場(chǎng)應用情況，提出了提高氣液聯(lián)動(dòng)閥運行可靠性的建議，以減少發(fā)生意外關(guān)斷的頻率，使管道系統安全平穩地運行。
伴隨我國天然氣長(cháng)輸管道的發(fā)展，氣液聯(lián)動(dòng)閥以其不需要外界能源，關(guān)斷速度快、事故狀態(tài)下可靠的緊急切斷等優(yōu)點(diǎn)在長(cháng)輸天然氣管道中得到了廣泛的應用。尤其是在西氣東輸一線(xiàn)、二線(xiàn)管道工程中，氣液聯(lián)動(dòng)閥得到了大量的應用。
1、氣液聯(lián)動(dòng)閥在西氣東輸的應用
氣液聯(lián)動(dòng)閥應用于西氣東輸一線(xiàn)和二線(xiàn)管道系統沿線(xiàn)站場(chǎng)與閥室的進(jìn)出站閥門(mén)、越站閥門(mén)上。能夠滿(mǎn)足站場(chǎng)、閥室干線(xiàn)出現異常情況下的緊急切斷和場(chǎng)站進(jìn)出站的緊急關(guān)斷的需求。目前，僅西氣東輸一線(xiàn)運行中的氣液聯(lián)動(dòng)閥就有258臺，由LineGuard系列電子控制單元對其運行參數進(jìn)行采集監控，是西氣東輸管道系統最重要的設備之一。氣液聯(lián)動(dòng)閥能否正常工作，直接關(guān)系到西氣東輸管道系統的安全、正常、平穩運行。
從西氣東輸管道多年的運行情況來(lái)看，氣液聯(lián)動(dòng)閥總體工作平穩，性能良好，故障率低且易于維護。但是，隨著(zhù)西氣東輸管道系統的高速發(fā)展，管道系統的輸送任務(wù)日益繁重，因此，對氣液聯(lián)動(dòng)閥提出了更高的要求。根據統計分析，自2007年至2011年，全線(xiàn)站場(chǎng)閥室發(fā)生約90次氣液聯(lián)動(dòng)閥關(guān)斷的情況。其中由于站場(chǎng)進(jìn)行氣液聯(lián)動(dòng)閥關(guān)閥操作、ESD(緊急停車(chē)系統)邏輯執行關(guān)斷進(jìn)出站氣液聯(lián)動(dòng)閥、執行停站邏輯關(guān)斷進(jìn)出站氣液聯(lián)動(dòng)閥等正常關(guān)斷共約70次。故障關(guān)斷共約20次，包括電磁閥內漏或引壓管堵塞引起關(guān)斷，傳感器信號輸入通道故障引起關(guān)斷，壓力傳感器故障引起關(guān)斷以及ESD意外觸發(fā)等。其中，由壓力傳感器故障和ESD誤觸發(fā)引起關(guān)斷是氣液聯(lián)動(dòng)閥意外關(guān)斷的主要因素。氣液聯(lián)動(dòng)閥意外關(guān)斷會(huì )造成天然氣局部停輸，憋壓造成危險隱患，甚至站場(chǎng)壓縮機停機等嚴重危害。氣液聯(lián)動(dòng)閥故障關(guān)斷次數及原因見(jiàn)表1。
表1 氣液聯(lián)動(dòng)閥故障關(guān)斷次數及原因
2、氣液聯(lián)動(dòng)閥關(guān)斷原理
氣液聯(lián)動(dòng)閥關(guān)斷，可通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現：一種是手動(dòng)關(guān)斷;另一種是自動(dòng)關(guān)斷。手動(dòng)關(guān)斷分為兩種方式：手動(dòng)氣動(dòng)關(guān)斷，手動(dòng)通過(guò)液壓泵液動(dòng)關(guān)斷。自動(dòng)方式都是通過(guò)氣動(dòng)方式由電磁閥完成對氣路的控制。目前，西氣東輸所使用的氣液聯(lián)動(dòng)閥主要是通過(guò)LineGuard電子控制單元和SCADA系統控制電動(dòng)頭對電磁閥進(jìn)行控制，從而進(jìn)行氣液聯(lián)動(dòng)閥的開(kāi)關(guān)控制。
西氣東輸所使用的氣液聯(lián)動(dòng)閥為ESD關(guān)閥型，如圖1所示。正常的開(kāi)關(guān)閥門(mén)動(dòng)作由開(kāi)電磁閥和關(guān)電磁閥來(lái)控制，ESD關(guān)閥動(dòng)作由ESD電磁閥控制，一旦觸發(fā)了ESD，ESD關(guān)閥電磁閥會(huì )同時(shí)開(kāi)啟帶鎖定的先導閥，在關(guān)閥后，帶鎖定先導閥因鎖定繼續導通，而使先導閥無(wú)法開(kāi)啟。因此，在ESD關(guān)閥后如果不進(jìn)行手動(dòng)復位帶鎖定先導閥操作，先導閥開(kāi)閥氣路不能打開(kāi)，就無(wú)法進(jìn)行開(kāi)閥操作。另一方面，電子單元控制箱內的LineGuard系統判斷需要關(guān)閥將控制電磁閥開(kāi)啟后，如圖1所示也會(huì )導致帶鎖定功能的先導閥導通，只有對帶鎖定的先導閥進(jìn)行手動(dòng)復位后才能進(jìn)行開(kāi)閥操作。
圖1 氣液聯(lián)動(dòng)閥氣動(dòng)控制原理
3、氣液聯(lián)動(dòng)閥關(guān)斷可能性原因分析
氣液聯(lián)動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)斷主要有4種情況：通過(guò)LineGuard檢測自動(dòng)進(jìn)行關(guān)斷;通過(guò)SCADA系統遠控進(jìn)行ESD關(guān)斷;通過(guò)SCADA系統遠控進(jìn)行正常關(guān)閥動(dòng)作。其他故障如關(guān)閥電磁閥或者ESD電磁閥故障。
3.1、氣液聯(lián)動(dòng)閥正常關(guān)斷
LineGuard系統對氣液聯(lián)動(dòng)閥進(jìn)行狀態(tài)監控以及關(guān)斷控制。在同時(shí)滿(mǎn)足主要報警被激活、報警持續時(shí)間達到設定值、自動(dòng)關(guān)斷被激活和關(guān)閥輸出已經(jīng)定義等4個(gè)條件的情況下，氣液聯(lián)動(dòng)閥將自動(dòng)關(guān)閉。
報警被激活主要包括：管道壓力低于低壓設定值3.5MPa;管道壓力高于高壓設定值10MPa;管道壓降速率大于設定值0.15MPa/min。在主要報警被激活后，系統有一時(shí)間延遲，延遲時(shí)間根據工藝情況可以從0～1800s來(lái)設定。目前，在西氣東輸管道系統中，時(shí)間延遲設定值為180s。如果在報警持續時(shí)間設定值范圍內，管道壓力或者壓降速率恢復正常，報警自動(dòng)復位消除。在LineGuard中，可以在軟件中配置主要報警觸發(fā)后是否執行閥門(mén)自動(dòng)關(guān)斷，即選擇自動(dòng)關(guān)閥是被使用還是禁止。
另外，站場(chǎng)觸發(fā)ESD，進(jìn)行遠控的開(kāi)關(guān)閥動(dòng)作，執行停站邏輯時(shí)也會(huì )使進(jìn)出站氣液聯(lián)動(dòng)閥關(guān)斷。
3.2、氣液聯(lián)動(dòng)閥異常關(guān)斷
3.2.1、LineGuard檢測故障自動(dòng)關(guān)斷
由于LineGuard的故障而造成誤關(guān)斷的主要原因：一是，軟件異常。當LineGuard軟件異常時(shí)，閥門(mén)控制模塊無(wú)法通過(guò)壓力傳感器檢測到實(shí)時(shí)壓力信息分析計算管道壓降速率，可能出現壓降速率高等誤報警;二是，主板異常。通過(guò)LineGuard主板狀態(tài)指示燈可以判斷主板運行情況。當主板出現電池缺電等情況時(shí)，主板無(wú)法正常工作，以致無(wú)法正常監測、分析管道壓力情況;三是，LineGuard控制單元及壓力傳感器失電。當出現LineGuard及壓力傳感器失電或者供電電壓過(guò)低(小于8V)的情況下，則會(huì )出現壓力檢測誤報警，引起閥門(mén)自動(dòng)關(guān)斷;四是，壓力傳感器故障導致誤報警。LineGuard通過(guò)DruckmodelPTX-1240工業(yè)用壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測管道壓力情況，并通過(guò)軟件計算壓降速率等參數。當壓力傳感器出現故障時(shí)，系統便無(wú)法正確監測管道天然氣壓力，造成檢測到的壓力信號與實(shí)際不符，激活主要報警，觸發(fā)氣液聯(lián)動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉;五是，傳感器信號輸入通道故障導致LineGuard誤報警。當傳感器信號輸入通道故障時(shí)，LineGuard控制單元無(wú)法接收來(lái)自壓力傳感器的管道壓力信號，引起壓力過(guò)低誤報警乃至氣液聯(lián)動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)斷。
3.2.2、SCADA系統遠控故障造成ESD關(guān)斷
電動(dòng)頭回路接線(xiàn)示意見(jiàn)圖2。氣液聯(lián)動(dòng)閥ESD關(guān)斷在電動(dòng)頭內的接線(xiàn)端子為29#，31#。當29#、31#端子的回路24V掉電時(shí)，氣液聯(lián)動(dòng)閥則會(huì )被自動(dòng)ESD關(guān)斷。
圖2 電動(dòng)頭回路接線(xiàn)
氣液聯(lián)動(dòng)閥發(fā)生ESD觸發(fā)的原因可能為站控系統的誤報警觸發(fā)。對其排查的方法只需在站控室機柜該氣液聯(lián)動(dòng)閥的ESD命令出口信號回路進(jìn)行測試。如果有24V電壓掉電，則說(shuō)明此誤觸發(fā)為站控系統的誤觸發(fā)。若查明并非站控系統的誤觸發(fā)，另一種可能就是閥頭斷路，電纜線(xiàn)斷裂或者接觸不良引起閥頭無(wú)24V電壓而觸發(fā)ESD關(guān)閥命令。此時(shí)需要對閥頭接線(xiàn)進(jìn)行檢查。
3.2.3、SCADA系統遠控故障造成非ESD關(guān)斷
正常開(kāi)關(guān)閥由兩個(gè)開(kāi)關(guān)電磁閥分別進(jìn)行控制。關(guān)閥接線(xiàn)端子為1#，32#。這種接線(xiàn)只有當閥門(mén)開(kāi)到位并且在遠控狀態(tài)時(shí)回路才可能有24V電壓。當氣液聯(lián)動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)斷后，只需檢查1#、32#端子構成的24V回路，如果此回路存在24V電壓，則檢查自控系統是否進(jìn)行了誤觸發(fā)。如果1#、32#端子回路無(wú)24V供電，則需要檢查25#，27#端子構成的回路。此回路同樣為關(guān)閥回路，不同的是，其不受就地遠控和開(kāi)到位的限制。如果25#、27#回路有24V電壓，則電動(dòng)頭接線(xiàn)很可能出現了短接現象，需要對線(xiàn)路進(jìn)行檢查。
3.2.4、其他故障引起氣液聯(lián)動(dòng)閥關(guān)斷
一、電磁閥內漏或者引壓管堵塞及破損。出現電磁閥內漏或者引壓管堵塞及破損的情況，壓力傳感器無(wú)法檢測正常的管道壓力，觸發(fā)主要報警，甚至引起氣液聯(lián)動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉。
二、ESD電磁閥或關(guān)閥電磁閥電阻值異常。正常情況下，其電磁閥電阻值約為60Ω。當出現電磁閥進(jìn)水或者其他因素引起電磁閥電阻值異常的情況，則可能引起氣液聯(lián)動(dòng)閥誤報警，甚至關(guān)斷。
三、氣液聯(lián)動(dòng)閥LineGuard控制單元接地不良，管道感應電場(chǎng)異常。如果氣液聯(lián)動(dòng)閥接地不良，在雷雨大風(fēng)天氣下，有可能出現管道感應電場(chǎng)異常，尖峰電流可能侵入LineGuard，引起壓力監測異常，甚至觸發(fā)閥門(mén)自動(dòng)關(guān)斷。
四、電磁閥內進(jìn)入雜質(zhì)。在電動(dòng)執行關(guān)閥動(dòng)作后，由于氣體內的雜質(zhì)進(jìn)入電磁閥，導致電磁閥無(wú)法復位，使氣路一直導通、漏氣，無(wú)法開(kāi)啟。
4、提高運行可靠性的建議
一、按時(shí)對氣液聯(lián)動(dòng)閥進(jìn)行維護保養。定時(shí)排污以除去沉積的天然氣凝液、水、殘渣和磨損的鐵屑，檢查執行器各連接點(diǎn)無(wú)漏氣、漏油，各引壓管、截止閥完好，無(wú)泄漏、無(wú)震動(dòng)、無(wú)腐蝕。檢查各指示儀表正常，在指示范圍內。
二、加強巡檢。在檢查閥室有無(wú)天然氣泄漏的同時(shí)，及時(shí)連線(xiàn)登陸LineGuard界面，在線(xiàn)檢查其工作狀態(tài)，對報警信息進(jìn)行查看，有無(wú)可疑報警出現。在報警頁(yè)面中，列出各個(gè)出現報警的變量，并注明了報警類(lèi)型、參數值、報警狀態(tài)等。將報警及時(shí)消除。檢查L(cháng)ineGuard的電壓是否穩定，電池是否還可以使用，保證主板、軟件工作正常，如出現問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行更換。
三、按期對壓力傳感器及其通道進(jìn)行檢查評估。對使用壽命到期或者已經(jīng)不符合要求的硬件進(jìn)行及時(shí)更換。按期對電動(dòng)閥頭接線(xiàn)進(jìn)行檢查，及時(shí)檢查閥頭有無(wú)進(jìn)水，接線(xiàn)有無(wú)混亂，有無(wú)接頭毛刺等造成短接或接地，并對其進(jìn)行整改。
四、適當延長(cháng)延時(shí)時(shí)間。目前，LineGuard報警延時(shí)時(shí)間設定值均為180s，而允許設定的上限值為1800s。使用時(shí)可結合現場(chǎng)應用工藝，在保障生產(chǎn)安全的前提下，適當延長(cháng)延時(shí)時(shí)間，從而降低氣液聯(lián)動(dòng)閥誤觸發(fā)幾率。
