冗余电磁阀的气路联接改造设计

黄 亮

（杭州华电半山发电有限公司，杭州 310000）

0 引言

能源高效的使用是推动人类社会进步发展的基石，热力发电机组极大促进了电-热能源的联合使用。安全运行是各类发电装置设计的前提，在保证发电系统安全的情况下，提高系统运行效率和煤炭一次能源的高效转换是亟待解决的问题。电磁阀作为工业生产自动化重要的执行元件，配合不同电路可实现不同控制目标，保证了系统运行的精确性和灵活性[1]。调压站系统天然气控制阀门对于燃气－蒸汽联合循环发电系统的稳定运行十分关键，电磁阀的广泛使用是基于其控制的稳定性和精确性，作为天然气控制系统安全联锁互保系统最终的执行单元，冗余电磁阀控制保证了发电系统的安全、稳定、准确运行。

杭州华电半山发电有限公司燃机一期3 台390MW 燃气－蒸汽联合循环发电机组于2005 年正式投产发电。调压站系统天然气进口紧急切断阀0GV9401 是一期3 台机组进气总阀，所有3 台机组的进气全部由它控制。单电磁阀控制风险主要由电磁阀线圈故障、电子室空开故障、电磁阀阀体故障、气源压力不足、电磁阀接线松动、气源管意外脱落、工人误操作、端子箱工作时短路、减压阀故障、作业不熟练、岗位技能不足和作业流程不规范等造成。

如果阀门误关，将导致3 台机组全部失气跳闸。一台机组热启动要花费人民币10 万元，3 台机组跳闸，热启动费用将花费30 万元，会造成较大的经济损失和安全问题[2]。0GV9401 是气动阀，仪用气为天然气，单电源单回路电磁阀控制，双缸进气，得电得气开阀，失电失气关阀。为解决上述阀门误关问题，保证生产安全和经济运行，本文提出一种新的控制回路，将单电源单电磁阀控制改造为双电源双电磁阀控制，避免由于控制回路或硬件故障造成误关阀门。

图1 电磁阀工作原理Fig.1 Working principle of solenoid valve

1 实施过程

0GV9401 是气动阀，双缸进气，得气开阀，失气关阀。仪用气为天然气，管线中天然气降压至1MPa 后进入气动阀控制管路，分别通过过滤减压阀和电磁阀，输出控制气动放大器动作。气动阀控制管路直接连接气动放大器，进而往气缸进气，驱动气动阀工作。该阀由单电源单回路电磁阀控制，电磁阀得电开阀，失电关阀。电磁阀故障，控制回路接线松动、老化，电磁阀失电都会导致阀门误动作，造成机组跳闸。误跳闸会对机组的安全性、经济性和稳定性带来重大隐患[3]。采用双控回路后，进一步提高了系统的安全性。开阀时，只要一个电磁阀得电动作，气动阀就会开启，保证了阀门正常按指令操作。只有当两个电磁阀同时失电时，阀门才会关闭，一个电磁阀失电，阀门位置保持不变，避免了因电源或者电控回路意外导致阀门误关，确保了机组真正需要关断紧急切断阀0GV9401 时，阀门才动作，一个电磁阀误动作时，阀门不动作，机组不跳闸。

气路连接改造问题一开始并没有引起太多关注，大多数工业生产中采用常规的电磁阀冗余并联方法。如图1所示的按钮信号一分二输出至两块DO 卡件；AB 段各取一路电源分别串接DO 输出，送至就地电磁阀；在原先电磁阀进出口管路各增加一个三通，新增一个电磁阀与之并联。在调试时，发现普通并联模式不适用电磁阀气路冗余改造，当其中一路电磁阀失电时，长排仪用气，从而造成较大的浪费，达不到理想目标，显然并联思路并不能解决上述问题。

如图1 所示，电磁阀的工作原理为当电磁阀得电时，AB 接通，BC 断开，仪用气通过AB 口至气缸，进气开阀；当电磁阀失电时，AB 断开，BC 接通，气缸内仪用气通过BC 排放，失气关阀。

按照常规并联方法连接电磁阀，如图2 所示。

进一步对常规并联电磁阀进行分析如下：

图2 常规并联电磁阀Fig.2 Conventional parallel solenoid valve

1）电磁阀1、电磁阀2 都得电，仪用气通过A1B1、A2B2 进气，开阀。

2）电磁阀1、电磁阀2 都失电，气缸内仪用气通过B1C1、B2C2 排气，关阀。

3）电磁阀1 得电，电磁阀2 故障失电，仪用气通过A1B1 进气，开阀。但是，同时通过B2C2 排气，仪用气一直泄漏。

4）电磁阀1 故障失电，电磁阀2 得电，仪用气通过A2B2 进气，开阀。同理，仪用气一直通过B1C1 泄漏。

双电磁阀并联的模式，虽然能达到双路控制的目标，但是当一个电磁阀失电时，另一个电磁阀在排气，这样误动作时，虽然能保机组但损耗大量天然气。显然，并联方法并不适用冗余电磁阀连接改造，不能解决阀门误关问题。于是，修改了设计思路，采用了非常规的串联方式连接电磁阀。电磁阀1 的出口连接后面电磁阀2 的排气口，这样可以保证无论是两个电磁阀得电，或者任意一个电磁阀得电，气动阀都能进气开阀、失气关阀，而且仪用气不会泄漏，有效避免了阀门误关问题。修改后的电磁阀连接方式如图3 所示。

对图3 所述方法进行分析如下：

a）电磁阀1、电磁阀2 都得电，仪用气通过A2B2 进气，开阀；而此时B2C2 断开，所以A1B1C2 这路仪用气被封闭在管道里，不起作用，不会造成泄漏。

b）电磁阀1、电磁阀2 都失电，气缸内仪用气通过B2C2B1C1 的路径，一直通到C1 口排气，关阀。

c）电磁阀1 得电，电磁阀2 故障失电，此时C2B2 接通，仪用气通过A1B1C2B2 路径进气至气缸，开阀。

d）电磁阀1 故障失电，电磁阀2 得电，仪用气通过A2B2 进气，开阀，电磁阀1 不起作用，因为B2C2 断开，所以B1C1 管道内无气，不会造成泄漏。

通过非常规的串联方式连接电磁阀，在降低了单个电磁阀控制紧急切断阀0GV9401 风险情况下，进一步解决了调压站0GV9401 由单回路控制的安全隐患，并减少了仪用气的损失。

2 实施效果

通过本文所设计的电磁阀串联方式实现了双电磁阀冗余控制，保证了双电磁阀得失电，或者单电磁阀得失电的情况下，控制阀门开关的精准性和安全性；同时，保证不会发生仪用气泄漏的问题。非常规的串联方式连接电磁阀保证了两个电磁阀进气与排气相互制约和互锁，既达到了设计目的，也防止了天然气外泄，保证了安全又节能。在改造过程中，还发现对气管路的气密性要求是非常高的，采用国产的卡套和仪表管有泄漏现象，后采用全部进口卡套和接头才解决这一问题。

在实际应用中，经过5 个月的跟踪调查，并未出现气源管路泄漏问题，电磁阀运行正常。该方法在重要气动阀实现双回路冗余控制上有较强应用价值。

3 结束语

本文对燃气－蒸汽联合循环发电机组中，天然气调压站系统天然气进口紧急切断阀0GV9401 冗余问题进行气路联接改造，采用非常规的电磁阀串联连接方式，对电磁阀常规串联和并联设计进行分析，在此基础上对非常规电磁阀串联连接方式进行研究和分析，并在实际应用中证明所提联接设计的有效性和可靠性。

图3 非常规串联方式Fig.3 Unconventional series connection

采用本文所述联接设计可有效防止设备发生突发性故障，只要安排人员定期巡检，就可以及时发现并处理电磁阀问题，减少了仪用气浪费的同时，也极大降低了系统的故障率。