电磁阀冗余在控制阀上的应用

1、电磁阀冗余在控制阀上的应用李帮军 吴凌锋（河南煤业化工集团 义马气化厂 472300）摘 要：作为过程控制的最终执行者，安全联锁控制阀通常是联锁系统最终执行的关键设备。在生产实践中通过控制阀附件电磁阀冗余配置，将安全联锁控制阀可靠性显著提高。电磁阀冗余配置方案多样，各种配置方案具有不同特点。关键词：电磁阀 冗余 控制阀0 引言 随着科学技术飞速发展，工业化生产对过程控制系统可靠性要求越来越高，控制系统通过电源、控制器、服务器、通讯网络、IO卡件等部件级冗余将系统可靠性大大提高。联锁系统作为过程控制的保护屏障，控制系统之外的执行环节可靠性要求尤其突出。作为过程控制的最终执行者控制阀联锁动作可靠性

2、高低，必将严重影响整个联锁系统的可靠性。生产实践中SIL1、SIL2安全度等级联锁系统，采用单一的控制阀，根据需要配套电磁阀，特别是采用冗余手段将关键控制阀的联锁可靠性显著提高。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，电磁阀有三种类型：常闭型阀失电时，压力口关闭，排气口连到气缸口；阀得电时，压力口连到气缸口，而排气口关闭。常开型阀失电时，压力口连到缸口，排气口关闭；阀得电时，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其中之一，或由一个口转换流到另一个口。三种操作方式气路流程图见表一。表一 两位三通电磁阀气路流程图类型失电得电常闭常开通用控制阀依据开度控制

3、是否连续变化，可以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信号实现在0%和100%行程之间定位，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供给和排放，达到联锁目的；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中，分别为： 图1 图2 图3 图4图中: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 气动控制阀根据仪表空气

4、故障时阀门所处安全位置，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（fail safe）的原则设计为：正常得电励磁，失电联锁方式NE (NORMAL ENERGIZE)，图1、图4。同时火气系统负载设计：正常失电，得电联锁方式NDE (NORMAL ENERGIZE)，图2、图3。根据失效安全原则设计不同，图1图4在不同状态时阀门处于全开、全关或调节状态，详见表二。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精确定位，要求气路不能切断，所以图3不适于设计为：正常失

5、电，联锁得电励磁方式。图4不适于设计为：正常得电励磁，失电联锁方式。本文中以通用性两位三通电磁阀为例。表二：单电磁阀配置控制阀状态图号控制阀类型电磁阀状态正常得电励磁，失电联锁正常失电，联锁得电励磁图1FO正常工作状态全关全开联锁状态全开全关FC正常工作状态全开全关联锁状态全关全开图2FO正常工作状态全开全关联锁状态全关全开FC正常工作状态全关全开联锁状态全开全关图3FO正常工作状态调节-联锁状态全开-FC正常工作状态调节-联锁状态全关-图4FO正常工作状态-调节联锁状态-全开FC正常工作状态-调节联锁状态-全关注：表中“-”表示无此状态，下同2 控制阀冗余电磁阀配置方案一般地讲，安全联锁系统

6、有两种失效方式，安全失效和危险失效。安全失效即当系统产生显性故障时将触发安全联锁系统动作，导致误停车；危险失效则为当系统内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、DCS故障等都会导致控制阀误动作联锁即安全失效。需要采取容错措施，为提高可靠性，一般采用2个两位三通（3/2）电磁阀冗余配置实现功能热备。2个电磁阀冗余适用于SIL1、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：2个独立电磁阀，2条分开敷设的信号线路，2个不在同一DCS卡件但完

7、全相同的控制信号。实现方案有以下6种。 图5 图6 图7 图8 图9 图10图9和图10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，膜头就和哪路相通，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5图10在不同状态时控制阀处于全开、全关或调节状态，详见表三。同样存在图7和图10不适于设计为：正常失电，联锁得电励磁方式。图8不适于设计为：正常得电励磁，失电联锁方式。表三 冗余双电磁阀配置控制阀状态图号控制阀类型电磁阀状态正常得电励磁，失电联锁正常失电，联锁得电励磁实现功能图5FO正常工作状态关开同图

8、1联锁状态开关FC正常工作状态开关联锁状态关开图6FO正常工作状态-关同图2联锁状态-开FC正常工作状态-开联锁状态-关图7FO正常工作状态调节-同图3联锁状态开-FC正常工作状态调节-联锁状态关-图8FO正常工作状态-调节同图4联锁状态-开FC正常工作状态-调节联锁状态-关图9FO正常工作状态关开同图5、图1联锁状态开关FC正常工作状态开关联锁状态关开图10FO正常工作状态调节-同图5、图1联锁状态开-FC正常工作状态调节-联锁状态关-3冗余双电磁阀配置特点及分析在6种冗余双电磁阀配置方案中，存在三类情况：一、图5和图7，电磁阀SV1和SV2工作在得电状态时，电磁阀SV2气路3-2导通，1,

9、2截止，仪表空气进入膜头，控制阀动作，电磁阀SV1 1-2截止，气路3-2导通， 仪表空气到达电磁阀SV2口1截止，在电磁阀SV2出现故障状态翻转时，仪表空气经电磁阀SV1气路3-2和电磁阀SV2气路1-2到达膜头，控制阀动作。电磁阀SV1和SV2失电时，控制阀膜头内仪表空气经由电磁阀SV2气路2-1和电磁阀SV1气路2-1放空，控制阀动作。二、图6和图8，工作状态时电磁阀SV1和SV2失电，电磁阀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。联锁时电磁阀SV1和SV2得电，控制阀膜头内仪表空气经由电磁阀SV2气路2-3放空，控制阀动作。若电磁阀SV1故障，仪表空气经

10、由电磁阀SV2气路2-1和电磁阀SV1气路2-3放空，控制阀联锁动作。三、图9和图10 ，电磁阀SV1和SV2工作在得电状态时，电磁阀SV2和SV1气路3-2导通，1,2截止，仪表空气哪端压力高，膜头就和哪路相通，另一端关闭，仪表空气进入膜头，控制阀动作。当任意电磁阀故障状态翻转时，该电磁阀1-2导通放气，另一电磁阀3-2继续导通，仪表空气进入气势，调节阀继续工作。实现正常工作冗余。4 冗余双电磁阀配置对电磁阀要求在冗余双电磁阀配置方案中，电磁阀处于得电或者失电状态，以及一个电磁阀回路故障时，仪表空气流动方向不同，对电磁阀要求不同，见表四。 表四 冗余双电磁阀类型要求图号SV1SV2图1常闭型

11、或通用型无图2常开型或通用型无图3常闭型或通用型无图4敞开型或通用型无图5常闭型或通用型通用型图6常开型或通用型常开型或通用型图7常闭型或通用型通用型图8常开型或通用型常开型或通用型图9常闭型或通用型常闭型或通用型图10常闭型或通用型常闭型或通用型5 冗余双电磁阀配置可靠性冗余电磁阀配置在形式上有串联和并联，功能实现等效于系统并联，任何一个冗余电磁阀的失效，均不会影响系统的功能，只有在二个冗余电磁阀均失效时，系统才不能正常工作。冗余电磁阀配置的可靠性数学关系为：故障概率：F=F1·F2可 靠 性： R=1F=1F1·F2式中：F 为冗余电磁阀配置系统的故障率F1为冗余电磁阀

12、SV1的故障率F2为冗余电磁阀SV2的故障率R为冗余电磁阀配置系统的可靠度假设2个冗余电磁阀的故障率均为0.1（电磁阀可靠性为0.9），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，较单个电磁阀可靠性明显提高。结束语采用冗余电磁阀配置后，安全联锁控制阀可靠性显著提高。实现电磁阀冗余配置需要2个独立电磁阀，2条分开敷设的信号线路，2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(As Low As Reasonably Practicable)经济分析，用来评估由于引入冗余配置所带来的额外投资能否带来一定的投资回报率，设计中需综合考虑。在控制的关键环节，冗余是非常必要的。参考文献:【1】沈加明. 采用冗余的双电磁阀来提高安全保护联锁系统的可靠性J炼油化工自动化, 1994,(1):8-10.【2】烦咏峰. 双电磁阀置在石油化工装置中的应用J石油化工自动化,2011,(3):