氣液聯(lián)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)意外關(guān)斷分析及在西氣東輸?shù)膽?yīng)用
介紹了氣液聯(lián)動閥在西氣東輸管道系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。針對氣液聯(lián)動閥在西氣東輸管道運(yùn)行中經(jīng)常意外關(guān)斷影響生產(chǎn)的情況，根據(jù)氣液聯(lián)動閥自動關(guān)斷的基本原理，分析了氣液聯(lián)動閥意外關(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)動閥意外關(guān)斷后能夠迅速地恢復(fù)生產(chǎn)，消除安全隱患。結(jié)合西氣東輸管道現(xiàn)場應(yīng)用情況，提出了提高氣液聯(lián)動閥運(yùn)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(tǒng)安全平穩(wěn)地運(yùn)行。
伴隨我國天然氣長輸管道的發(fā)展，氣液聯(lián)動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)在長輸天然氣管道中得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是在西氣東輸一線、二線管道工程中，氣液聯(lián)動閥得到了大量的應(yīng)用。
1、氣液聯(lián)動閥在西氣東輸?shù)膽?yīng)用
氣液聯(lián)動閥應(yīng)用于西氣東輸一線和二線管道系統(tǒng)沿線站場與閥室的進(jìn)出站閥門、越站閥門上。能夠滿足站場、閥室干線出現(xiàn)異常情況下的緊急切斷和場站進(jìn)出站的緊急關(guān)斷的需求。目前，僅西氣東輸一線運(yùn)行中的氣液聯(lián)動閥就有258臺，由LineGuard系列電子控制單元對其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集監(jiān)控，是西氣東輸管道系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一。氣液聯(lián)動閥能否正常工作，直接關(guān)系到西氣東輸管道系統(tǒng)的安全、正常、平穩(wěn)運(yùn)行。
從西氣東輸管道多年的運(yùn)行情況來看，氣液聯(lián)動閥總體工作平穩(wěn)，性能良好，故障率低且易于維護(hù)。但是，隨著西氣東輸管道系統(tǒng)的高速發(fā)展，管道系統(tǒng)的輸送任務(wù)日益繁重，因此，對氣液聯(lián)動閥提出了更高的要求。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，自2007年至2011年，全線站場閥室發(fā)生約90次氣液聯(lián)動閥關(guān)斷的情況。其中由于站場進(jìn)行氣液聯(lián)動閥關(guān)閥操作、ESD(緊急停車系統(tǒng))邏輯執(zhí)行關(guān)斷進(jìn)出站氣液聯(lián)動閥、執(zhí)行停站邏輯關(guān)斷進(jìn)出站氣液聯(lián)動閥等正常關(guān)斷共約70次。故障關(guān)斷共約20次，包括電磁閥內(nèi)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)動閥意外關(guān)斷的主要因素。氣液聯(lián)動閥意外關(guān)斷會造成天然氣局部停輸，憋壓造成危險(xiǎn)隱患，甚至站場壓縮機(jī)停機(jī)等嚴(yán)重危害。氣液聯(lián)動閥故障關(guān)斷次數(shù)及原因見表1。
表1 氣液聯(lián)動閥故障關(guān)斷次數(shù)及原因
2、氣液聯(lián)動閥關(guān)斷原理
氣液聯(lián)動閥關(guān)斷，可通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)：一種是手動關(guān)斷;另一種是自動關(guān)斷。手動關(guān)斷分為兩種方式：手動氣動關(guān)斷，手動通過液壓泵液動關(guān)斷。自動方式都是通過氣動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)動閥主要是通過LineGuard電子控制單元和SCADA系統(tǒng)控制電動頭對電磁閥進(jìn)行控制，從而進(jìn)行氣液聯(lián)動閥的開關(guān)控制。
西氣東輸所使用的氣液聯(lián)動閥為ESD關(guān)閥型，如圖1所示。正常的開關(guān)閥門動作由開電磁閥和關(guān)電磁閥來控制，ESD關(guān)閥動作由ESD電磁閥控制，一旦觸發(fā)了ESD，ESD關(guān)閥電磁閥會同時(shí)開啟帶鎖定的先導(dǎo)閥，在關(guān)閥后，帶鎖定先導(dǎo)閥因鎖定繼續(xù)導(dǎo)通，而使先導(dǎo)閥無法開啟。因此，在ESD關(guān)閥后如果不進(jìn)行手動復(fù)位帶鎖定先導(dǎo)閥操作，先導(dǎo)閥開閥氣路不能打開，就無法進(jìn)行開閥操作。另一方面，電子單元控制箱內(nèi)的LineGuard系統(tǒng)判斷需要關(guān)閥將控制電磁閥開啟后，如圖1所示也會導(dǎo)致帶鎖定功能的先導(dǎo)閥導(dǎo)通，只有對帶鎖定的先導(dǎo)閥進(jìn)行手動復(fù)位后才能進(jìn)行開閥操作。
圖1 氣液聯(lián)動閥氣動控制原理
3、氣液聯(lián)動閥關(guān)斷可能性原因分析
氣液聯(lián)動閥自動關(guān)斷主要有4種情況：通過LineGuard檢測自動進(jìn)行關(guān)斷;通過SCADA系統(tǒng)遠(yuǎn)控進(jìn)行ESD關(guān)斷;通過SCADA系統(tǒng)遠(yuǎn)控進(jìn)行正常關(guān)閥動作。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)動閥正常關(guān)斷
LineGuard系統(tǒng)對氣液聯(lián)動閥進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控以及關(guān)斷控制。在同時(shí)滿足主要報(bào)警被激活、報(bào)警持續(xù)時(shí)間達(dá)到設(shè)定值、自動關(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)動閥將自動關(guān)閉。
報(bào)警被激活主要包括：管道壓力低于低壓設(shè)定值3.5MPa;管道壓力高于高壓設(shè)定值10MPa;管道壓降速率大于設(shè)定值0.15MPa/min。在主要報(bào)警被激活后，系統(tǒng)有一時(shí)間延遲，延遲時(shí)間根據(jù)工藝情況可以從0～1800s來設(shè)定。目前，在西氣東輸管道系統(tǒng)中，時(shí)間延遲設(shè)定值為180s。如果在報(bào)警持續(xù)時(shí)間設(shè)定值范圍內(nèi)，管道壓力或者壓降速率恢復(fù)正常，報(bào)警自動復(fù)位消除。在LineGuard中，可以在軟件中配置主要報(bào)警觸發(fā)后是否執(zhí)行閥門自動關(guān)斷，即選擇自動關(guān)閥是被使用還是禁止。
另外，站場觸發(fā)ESD，進(jìn)行遠(yuǎn)控的開關(guān)閥動作，執(zhí)行停站邏輯時(shí)也會使進(jìn)出站氣液聯(lián)動閥關(guān)斷。
3.2、氣液聯(lián)動閥異常關(guān)斷
3.2.1、LineGuard檢測故障自動關(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(dāng)LineGuard軟件異常時(shí)，閥門控制模塊無法通過壓力傳感器檢測到實(shí)時(shí)壓力信息分析計(jì)算管道壓降速率，可能出現(xiàn)壓降速率高等誤報(bào)警;二是，主板異常。通過LineGuard主板狀態(tài)指示燈可以判斷主板運(yùn)行情況。當(dāng)主板出現(xiàn)電池缺電等情況時(shí)，主板無法正常工作，以致無法正常監(jiān)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(dāng)出現(xiàn)LineGuard及壓力傳感器失電或者供電電壓過低(小于8V)的情況下，則會出現(xiàn)壓力檢測誤報(bào)警，引起閥門自動關(guān)斷;四是，壓力傳感器故障導(dǎo)致誤報(bào)警。LineGuard通過DruckmodelPTX-1240工業(yè)用壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測管道壓力情況，并通過軟件計(jì)算壓降速率等參數(shù)。當(dāng)壓力傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)便無法正確監(jiān)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(bào)警，觸發(fā)氣液聯(lián)動閥自動關(guān)閉;五是，傳感器信號輸入通道故障導(dǎo)致LineGuard誤報(bào)警。當(dāng)傳感器信號輸入通道故障時(shí)，LineGuard控制單元無法接收來自壓力傳感器的管道壓力信號，引起壓力過低誤報(bào)警乃至氣液聯(lián)動閥自動關(guān)斷。
3.2.2、SCADA系統(tǒng)遠(yuǎn)控故障造成ESD關(guān)斷
電動頭回路接線示意見圖2。氣液聯(lián)動閥ESD關(guān)斷在電動頭內(nèi)的接線端子為29#，31#。當(dāng)29#、31#端子的回路24V掉電時(shí)，氣液聯(lián)動閥則會被自動ESD關(guān)斷。
圖2 電動頭回路接線
氣液聯(lián)動閥發(fā)生ESD觸發(fā)的原因可能為站控系統(tǒng)的誤報(bào)警觸發(fā)。對其排查的方法只需在站控室機(jī)柜該氣液聯(lián)動閥的ESD命令出口信號回路進(jìn)行測試。如果有24V電壓掉電，則說明此誤觸發(fā)為站控系統(tǒng)的誤觸發(fā)。若查明并非站控系統(tǒng)的誤觸發(fā)，另一種可能就是閥頭斷路，電纜線斷裂或者接觸不良引起閥頭無24V電壓而觸發(fā)ESD關(guān)閥命令。此時(shí)需要對閥頭接線進(jìn)行檢查。
3.2.3、SCADA系統(tǒng)遠(yuǎn)控故障造成非ESD關(guān)斷
正常開關(guān)閥由兩個(gè)開關(guān)電磁閥分別進(jìn)行控制。關(guān)閥接線端子為1#，32#。這種接線只有當(dāng)閥門開到位并且在遠(yuǎn)控狀態(tài)時(shí)回路才可能有24V電壓。當(dāng)氣液聯(lián)動閥自動關(guān)斷后，只需檢查1#、32#端子構(gòu)成的24V回路，如果此回路存在24V電壓，則檢查自控系統(tǒng)是否進(jìn)行了誤觸發(fā)。如果1#、32#端子回路無24V供電，則需要檢查25#，27#端子構(gòu)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(yuǎn)控和開到位的限制。如果25#、27#回路有24V電壓，則電動頭接線很可能出現(xiàn)了短接現(xiàn)象，需要對線路進(jìn)行檢查。
3.2.4、其他故障引起氣液聯(lián)動閥關(guān)斷
一、電磁閥內(nèi)漏或者引壓管堵塞及破損。出現(xiàn)電磁閥內(nèi)漏或者引壓管堵塞及破損的情況，壓力傳感器無法檢測正常的管道壓力，觸發(fā)主要報(bào)警，甚至引起氣液聯(lián)動閥自動關(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(dāng)出現(xiàn)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)動閥誤報(bào)警，甚至關(guān)斷。
三、氣液聯(lián)動閥LineGuard控制單元接地不良，管道感應(yīng)電場異常。如果氣液聯(lián)動閥接地不良，在雷雨大風(fēng)天氣下，有可能出現(xiàn)管道感應(yīng)電場異常，尖峰電流可能侵入LineGuard，引起壓力監(jiān)測異常，甚至觸發(fā)閥門自動關(guān)斷。
四、電磁閥內(nèi)進(jìn)入雜質(zhì)。在電動執(zhí)行關(guān)閥動作后，由于氣體內(nèi)的雜質(zhì)進(jìn)入電磁閥，導(dǎo)致電磁閥無法復(fù)位，使氣路一直導(dǎo)通、漏氣，無法開啟。
4、提高運(yùn)行可靠性的建議
一、按時(shí)對氣液聯(lián)動閥進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。定時(shí)排污以除去沉積的天然氣凝液、水、殘?jiān)湍p的鐵屑，檢查執(zhí)行器各連接點(diǎn)無漏氣、漏油，各引壓管、截止閥完好，無泄漏、無震動、無腐蝕。檢查各指示儀表正常，在指示范圍內(nèi)。
二、加強(qiáng)巡檢。在檢查閥室有無天然氣泄漏的同時(shí)，及時(shí)連線登陸LineGuard界面，在線檢查其工作狀態(tài)，對報(bào)警信息進(jìn)行查看，有無可疑報(bào)警出現(xiàn)。在報(bào)警頁面中，列出各個(gè)出現(xiàn)報(bào)警的變量，并注明了報(bào)警類型、參數(shù)值、報(bào)警狀態(tài)等。將報(bào)警及時(shí)消除。檢查LineGuard的電壓是否穩(wěn)定，電池是否還可以使用，保證主板、軟件工作正常，如出現(xiàn)問題及時(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。按期對電動閥頭接線進(jìn)行檢查，及時(shí)檢查閥頭有無進(jìn)水，接線有無混亂，有無接頭毛刺等造成短接或接地，并對其進(jìn)行整改。
四、適當(dāng)延長延時(shí)時(shí)間。目前，LineGuard報(bào)警延時(shí)時(shí)間設(shè)定值均為180s，而允許設(shè)定的上限值為1800s。使用時(shí)可結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用工藝，在保障生產(chǎn)安全的前提下，適當(dāng)延長延時(shí)時(shí)間，從而降低氣液聯(lián)動閥誤觸發(fā)幾率。
