电磁阀冗余在控制阀上的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)河南煤业化工集团义马气化厂 作者:李帮军

  为了提高过程控制的最终执行者———安全联锁控制阀的可靠性,给出并分析具有不同特点的控制阀附件电磁阀冗余配置的几种方案。

  随着科学技术的飞速发展,工业化生产对过程控制系统可靠性的要求越来越高,控制系统通过电源、控制器、服务器、通信网络及IO卡件等部件级冗余将系统的可靠性大大提高。联锁系统作为过程控制的保护屏障,对控制系统之外的执行环节的可靠性要求尤其突出。作为过程控制的最终执行者的控制阀,其联锁动作的可靠性,必将影响整个联锁系统的可靠性。在实际生产过程中,SIL1和SIL2安全度等级的联锁系统采用单一的控制阀,并根据需要配套电磁阀,常采用冗余方式将关键控制阀的联锁可靠性显著提高,不同的冗余配置方案具有不同的特点。

1、控制阀单电磁阀配置

  控制阀配置两位三通单电控型电磁阀,电磁阀有3种类型:常闭型———失电时压力口关闭、排气口连到气缸口,得电时压力口连到气缸口而排气口关闭;常开型———失电时压力口连到缸口、排气口关闭,得电时压力口关闭而气缸口连到而排气口;通用型———允许阀连接成常闭或常开位置的其中之一,或由一个口转换流到另一个口。

  控制阀依据开度控制是否连续变化分为调节阀和切断阀两大类。调节阀根据过程控制要求,用AO信号实现0%和100%行程之间的定位,配置阀门定位器。联锁调节阀在阀门定位器和执行机构之间配置电磁阀,用DO信号实现联锁控制,电磁阀一般选用单电控型电磁阀,实现控制阀执行机构仪表空气的供给与排放,实现联锁目标; 切断阀开度仅有全开和全关两个位置,必须配置电磁阀进行气路导通和切断控制,用DO信号使切断阀在全开和全关两个状态切换。控制阀单电磁阀常用配置方案有4种,如图1所示。

控制阀单电磁阀常用配置方案

IA———仪表空气;QF———过滤减压阀;SV1———电磁阀;IP———阀门定位器;V1———切断阀;V2———调节阀;SH———梭阀

图1 控制阀单电磁阀常用配置方案

  气动控制阀根据仪表空气故障时阀门所处的安全位置分为气开(FC)和气关(FO)两种,选择气开还是气关在设计选型时根据工艺过程安全生产要求决定。控制阀联锁由电磁阀实现,石油化工装置中电磁阀一般按失效安全的原则设计为:正常得电励磁(图1a),失电联锁方式NE(图1d) 。同时火气系统负载设计为: 正常失电(图1b),得电联锁方式NDE(图1c)。

  根据失效安全原则,图1a~ d在不同状态时阀门处于全开、全关或调节状态,详见表1。由于调节阀在正常工作时,只有定位器输出仪表空气到达膜头才能实现阀门的精确定位,要求气路不能切断,所以图1c不适于设计为“正常失电、联锁得电励磁”方式,图1d不适于设计为“正常得电励磁、失电联锁”方式。现以通用型两位三通电磁阀为例进行说明。

表1 单电磁阀配置控制阀状态

单电磁阀配置控制阀状态

2、控制阀冗余电磁阀配置方案

  安全联锁系统有安全失效和危险失效两种方式。安全失效即当系统产生显性故障时触发安全联锁系统动作,导致误停车; 危险失效则指系统存在隐性故障时导致系统在需要时不能产生动作。非冗余单电磁阀使用过程中,电磁阀故障、线路或电源故障及DCS故障等都会导致控制阀误动作联锁,即安全失效,需采取容错措施,为提高可靠性一般采用两个两位三通电磁阀冗余配置实现功能热备。两个电磁阀冗余适用于SIL1和SIL2安全度等级联锁系统,采用单一的控制阀,配套电磁阀冗余配置。电磁阀安装在阀门定位器与执行机构之间,或者单独配置电磁阀控制切断阀,具体配置为: 两个独立电磁阀,两条分开敷设的信号线路,两个不在同一DCS卡件但完全相同的控制信号。实现方案有6种,如图2所示。

图2 控制阀冗余电磁阀配置方案

  图2e、f 采用或门型梭阀,不论哪条气路单独通气,都能导通与其膜头的通路; 当两路气路同时通气时,哪端压力高膜头就与该路相通,同时另一端关闭,用“或”逻辑关系实现冗余。

  在冗余双电磁阀配置方案中,由于失效安全原则设计不同,图2中所有设计方案在不同状态时控制阀处于全开、全关或调节状态,详见表2。同样存在图2c、f 不适于设计为“正常失电、联锁得电励磁”方式,图2d不适于设计为“正常得电励磁、失电联锁”方式。

表2 冗余双电磁阀配置控制阀状态

冗余双电磁阀配置控制阀状态

  2.1、冗余双电磁阀配置特点

  在如图2所示的6种冗余双电磁阀配置方案中,存在3类情况:

  a.图2a、c中,电磁阀SV1和SV2工作在得电状态时,SV2的气路3-2导通,1、2截止,仪表空气进入膜头,控制阀动作,SV1的1-2截止,气路3-2导通,仪表空气到达SV2的口1截止,在SV2出现故障而翻转时,仪表空气经SV1气路3-2和SV2气路1-2到达膜头,控制阀动作。SV1 和SV2失电时,控制阀膜头内仪表空气经由SV2气路2-1和SV1气路2-1放空,控制阀动作。

  b.图2b、d中,工作状态时SV1和SV2失电,SV1和SV2气路1-2导通、3-2截止,仪表空气进入膜头,控制阀动作。联锁时,SV1 和SV2得电,控制阀膜头内仪表空气经由SV2气路2-3放空,控制阀动作。若SV1故障,仪表空气经由SV2气路2-1和SV1气路2-3放空,控制阀联锁动作。

  c.图2e、f中,SV1和SV2工作在得电状态时,SV2和SV1的气路3-2导通,1、2截止,仪表空气两端中那一端的压力高,膜头就与其相通,另一端关闭,仪表空气进入膜头,控制阀动作。当任意电磁阀故障而翻转时,该电磁阀的1-2导通放气,另一电磁阀的3-2继续导通,仪表空气进入气室,调节阀继续工作。实现正常工作冗余。

  2.2、冗余双电磁阀配置对电磁阀的要求

  在冗余双电磁阀配置方案中,电磁阀处于得电或失电状态,以及一个电磁阀回路故障时,仪表空气流动方向不同,对电磁阀的要求也不相同,具体见表3。

表3 冗余双电磁阀类型要求

冗余双电磁阀类型要求

  2.3、可靠性分析

  冗余电磁阀配置在形式上有串联和并联两种,其功能等效于系统并联,任何一个冗余电磁阀失效都不会影响系统的功能,只有在两个电磁阀均失效时系统才不能正常工作。冗余电磁阀配置的可靠性数学关系如下:

  故障概率F=F1·F2

  可靠性R=1-F=1-[F1·F2]

  式中F———冗余电磁阀配置系统的故障率;

  F1、F2———SV1、SV2的故障率;

  R———冗余电磁阀配置系统的可靠度。

  假设两个冗余电磁阀的故障率均为0.10(电磁阀的可靠性为0.90),则组成冗余电磁阀配置系统的故障率为0.01,系统可靠性为0.99,较单个电磁阀的可靠性有明显提高。

3、结束语

  过程控制系统的执行终结者———安全联锁控制阀的附件,在采用冗余电磁阀配置后,其可靠性显著提高。实现电磁阀冗余配置需要两个独立的电磁阀,两条分开敷设的信号线路,两个不在同一DCS卡件但完全相同的控制信号,冗余配置导致项目投资成倍增加,需做ALARP(AsLowAsRea-sonablyPracticable)经济分析,用来评估引入冗余配置而额外投资带来的投资回报率。

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