气液联动执行机构意外关断分析及在西气东输的应用
介绍了气液联动阀在西气东输管道系统中的应用情况。针对气液联动阀在西气东输管道运行中经常意外关断影响生产的情况，根据气液联动阀自动关断的基本原理，分析了气液联动阀意外关断的可能情况，给出了意外关断时故障的排查思路和排除方法，以便于在气液联动阀意外关断后能够迅速地恢复生产，消除安全隐患。结合西气东输管道现场应用情况，提出了提高气液联动阀运行可靠性的建议，以减少发生意外关断的频率，使管道系统安全平稳地运行。
伴随我国天然气长输管道的发展，气液联动阀以其不需要外界能源，关断速度快、事故状态下可靠的紧急切断等优点在长输天然气管道中得到了广泛的应用。尤其是在西气东输一线、二线管道工程中，气液联动阀得到了大量的应用。
1、气液联动阀在西气东输的应用
气液联动阀应用于西气东输一线和二线管道系统沿线站场与阀室的进出站阀门、越站阀门上。能够满足站场、阀室干线出现异常情况下的紧急切断和场站进出站的紧急关断的需求。目前，仅西气东输一线运行中的气液联动阀就有258台，由LineGuard系列电子控制单元对其运行参数进行采集监控，是西气东输管道系统最重要的设备之一。气液联动阀能否正常工作，直接关系到西气东输管道系统的安全、正常、平稳运行。
从西气东输管道多年的运行情况来看，气液联动阀总体工作平稳，性能良好，故障率低且易于维护。但是，随着西气东输管道系统的高速发展，管道系统的输送任务日益繁重，因此，对气液联动阀提出了更高的要求。根据统计分析，自2007年至2011年，全线站场阀室发生约90次气液联动阀关断的情况。其中由于站场进行气液联动阀关阀操作、ESD(紧急停车系统)逻辑执行关断进出站气液联动阀、执行停站逻辑关断进出站气液联动阀等正常关断共约70次。故障关断共约20次，包括电磁阀内漏或引压管堵塞引起关断，传感器信号输入通道故障引起关断，压力传感器故障引起关断以及ESD意外触发等。其中，由压力传感器故障和ESD误触发引起关断是气液联动阀意外关断的主要因素。气液联动阀意外关断会造成天然气局部停输，憋压造成危险隐患，甚至站场压缩机停机等严重危害。气液联动阀故障关断次数及原因见表1。
表1 气液联动阀故障关断次数及原因
2、气液联动阀关断原理
气液联动阀关断，可通过两种方式来实现：一种是手动关断;另一种是自动关断。手动关断分为两种方式：手动气动关断，手动通过液压泵液动关断。自动方式都是通过气动方式由电磁阀完成对气路的控制。目前，西气东输所使用的气液联动阀主要是通过LineGuard电子控制单元和SCADA系统控制电动头对电磁阀进行控制，从而进行气液联动阀的开关控制。
西气东输所使用的气液联动阀为ESD关阀型，如图1所示。正常的开关阀门动作由开电磁阀和关电磁阀来控制，ESD关阀动作由ESD电磁阀控制，一旦触发了ESD，ESD关阀电磁阀会同时开启带锁定的先导阀，在关阀后，带锁定先导阀因锁定继续导通，而使先导阀无法开启。因此，在ESD关阀后如果不进行手动复位带锁定先导阀操作，先导阀开阀气路不能打开，就无法进行开阀操作。另一方面，电子单元控制箱内的LineGuard系统判断需要关阀将控制电磁阀开启后，如图1所示也会导致带锁定功能的先导阀导通，只有对带锁定的先导阀进行手动复位后才能进行开阀操作。
图1 气液联动阀气动控制原理
3、气液联动阀关断可能性原因分析
气液联动阀自动关断主要有4种情况：通过LineGuard检测自动进行关断;通过SCADA系统远控进行ESD关断;通过SCADA系统远控进行正常关阀动作。其他故障如关阀电磁阀或者ESD电磁阀故障。
3.1、气液联动阀正常关断
LineGuard系统对气液联动阀进行状态监控以及关断控制。在同时满足主要报警被激活、报警持续时间达到设定值、自动关断被激活和关阀输出已经定义等4个条件的情况下，气液联动阀将自动关闭。
报警被激活主要包括：管道压力低于低压设定值3.5MPa;管道压力高于高压设定值10MPa;管道压降速率大于设定值0.15MPa/min。在主要报警被激活后，系统有一时间延迟，延迟时间根据工艺情况可以从0～1800s来设定。目前，在西气东输管道系统中，时间延迟设定值为180s。如果在报警持续时间设定值范围内，管道压力或者压降速率恢复正常，报警自动复位消除。在LineGuard中，可以在软件中配置主要报警触发后是否执行阀门自动关断，即选择自动关阀是被使用还是禁止。
另外，站场触发ESD，进行远控的开关阀动作，执行停站逻辑时也会使进出站气液联动阀关断。
3.2、气液联动阀异常关断
3.2.1、LineGuard检测故障自动关断
由于LineGuard的故障而造成误关断的主要原因：一是，软件异常。当LineGuard软件异常时，阀门控制模块无法通过压力传感器检测到实时压力信息分析计算管道压降速率，可能出现压降速率高等误报警;二是，主板异常。通过LineGuard主板状态指示灯可以判断主板运行情况。当主板出现电池缺电等情况时，主板无法正常工作，以致无法正常监测、分析管道压力情况;三是，LineGuard控制单元及压力传感器失电。当出现LineGuard及压力传感器失电或者供电电压过低(小于8V)的情况下，则会出现压力检测误报警，引起阀门自动关断;四是，压力传感器故障导致误报警。LineGuard通过DruckmodelPTX-1240工业用压力传感器实时检测管道压力情况，并通过软件计算压降速率等参数。当压力传感器出现故障时，系统便无法正确监测管道天然气压力，造成检测到的压力信号与实际不符，激活主要报警，触发气液联动阀自动关闭;五是，传感器信号输入通道故障导致LineGuard误报警。当传感器信号输入通道故障时，LineGuard控制单元无法接收来自压力传感器的管道压力信号，引起压力过低误报警乃至气液联动阀自动关断。
3.2.2、SCADA系统远控故障造成ESD关断
电动头回路接线示意见图2。气液联动阀ESD关断在电动头内的接线端子为29#，31#。当29#、31#端子的回路24V掉电时，气液联动阀则会被自动ESD关断。
图2 电动头回路接线
气液联动阀发生ESD触发的原因可能为站控系统的误报警触发。对其排查的方法只需在站控室机柜该气液联动阀的ESD命令出口信号回路进行测试。如果有24V电压掉电，则说明此误触发为站控系统的误触发。若查明并非站控系统的误触发，另一种可能就是阀头断路，电缆线断裂或者接触不良引起阀头无24V电压而触发ESD关阀命令。此时需要对阀头接线进行检查。
3.2.3、SCADA系统远控故障造成非ESD关断
正常开关阀由两个开关电磁阀分别进行控制。关阀接线端子为1#，32#。这种接线只有当阀门开到位并且在远控状态时回路才可能有24V电压。当气液联动阀自动关断后，只需检查1#、32#端子构成的24V回路，如果此回路存在24V电压，则检查自控系统是否进行了误触发。如果1#、32#端子回路无24V供电，则需要检查25#，27#端子构成的回路。此回路同样为关阀回路，不同的是，其不受就地远控和开到位的限制。如果25#、27#回路有24V电压，则电动头接线很可能出现了短接现象，需要对线路进行检查。
3.2.4、其他故障引起气液联动阀关断
一、电磁阀内漏或者引压管堵塞及破损。出现电磁阀内漏或者引压管堵塞及破损的情况，压力传感器无法检测正常的管道压力，触发主要报警，甚至引起气液联动阀自动关闭。
二、ESD电磁阀或关阀电磁阀电阻值异常。正常情况下，其电磁阀电阻值约为60Ω。当出现电磁阀进水或者其他因素引起电磁阀电阻值异常的情况，则可能引起气液联动阀误报警，甚至关断。
三、气液联动阀LineGuard控制单元接地不良，管道感应电场异常。如果气液联动阀接地不良，在雷雨大风天气下，有可能出现管道感应电场异常，尖峰电流可能侵入LineGuard，引起压力监测异常，甚至触发阀门自动关断。
四、电磁阀内进入杂质。在电动执行关阀动作后，由于气体内的杂质进入电磁阀，导致电磁阀无法复位，使气路一直导通、漏气，无法开启。
4、提高运行可靠性的建议
一、按时对气液联动阀进行维护保养。定时排污以除去沉积的天然气凝液、水、残渣和磨损的铁屑，检查执行器各连接点无漏气、漏油，各引压管、截止阀完好，无泄漏、无震动、无腐蚀。检查各指示仪表正常，在指示范围内。
二、加强巡检。在检查阀室有无天然气泄漏的同时，及时连线登陆LineGuard界面，在线检查其工作状态，对报警信息进行查看，有无可疑报警出现。在报警页面中，列出各个出现报警的变量，并注明了报警类型、参数值、报警状态等。将报警及时消除。检查LineGuard的电压是否稳定，电池是否还可以使用，保证主板、软件工作正常，如出现问题及时进行更换。
三、按期对压力传感器及其通道进行检查评估。对使用寿命到期或者已经不符合要求的硬件进行及时更换。按期对电动阀头接线进行检查，及时检查阀头有无进水，接线有无混乱，有无接头毛刺等造成短接或接地，并对其进行整改。
四、适当延长延时时间。目前，LineGuard报警延时时间设定值均为180s，而允许设定的上限值为1800s。使用时可结合现场应用工艺，在保障生产安全的前提下，适当延长延时时间，从而降低气液联动阀误触发几率。
