電磁閥冗余在控制閥上的應(yīng)用

2013-11-20 李幫軍 河南煤業(yè)化工集團(tuán)義馬氣化廠

  為了提高過程控制的最終執(zhí)行者———安全聯(lián)鎖控制閥的可靠性,給出并分析具有不同特點(diǎn)的控制閥附件電磁閥冗余配置的幾種方案。

  隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,工業(yè)化生產(chǎn)對過程控制系統(tǒng)可靠性的要求越來越高,控制系統(tǒng)通過電源、控制器、服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)及IO卡件等部件級冗余將系統(tǒng)的可靠性大大提高。聯(lián)鎖系統(tǒng)作為過程控制的保護(hù)屏障,對控制系統(tǒng)之外的執(zhí)行環(huán)節(jié)的可靠性要求尤其突出。作為過程控制的最終執(zhí)行者的控制閥,其聯(lián)鎖動作的可靠性,必將影響整個聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性。在實際生產(chǎn)過程中,SIL1和SIL2安全度等級的聯(lián)鎖系統(tǒng)采用單一的控制閥,并根據(jù)需要配套電磁閥,常采用冗余方式將關(guān)鍵控制閥的聯(lián)鎖可靠性顯著提高,不同的冗余配置方案具有不同的特點(diǎn)。

1、控制閥單電磁閥配置

  控制閥配置兩位三通單電控型電磁閥,電磁閥有3種類型:常閉型———失電時壓力口關(guān)閉、排氣口連到氣缸口,得電時壓力口連到氣缸口而排氣口關(guān)閉;常開型———失電時壓力口連到缸口、排氣口關(guān)閉,得電時壓力口關(guān)閉而氣缸口連到而排氣口;通用型———允許閥連接成常閉或常開位置的其中之一,或由一個口轉(zhuǎn)換流到另一個口。

  控制閥依據(jù)開度控制是否連續(xù)變化分為調(diào)節(jié)閥和切斷閥兩大類。調(diào)節(jié)閥根據(jù)過程控制要求,用AO信號實現(xiàn)0%和100%行程之間的定位,配置閥門定位器。聯(lián)鎖調(diào)節(jié)閥在閥門定位器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間配置電磁閥,用DO信號實現(xiàn)聯(lián)鎖控制,電磁閥一般選用單電控型電磁閥,實現(xiàn)控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)儀表空氣的供給與排放,實現(xiàn)聯(lián)鎖目標(biāo); 切斷閥開度僅有全開和全關(guān)兩個位置,必須配置電磁閥進(jìn)行氣路導(dǎo)通和切斷控制,用DO信號使切斷閥在全開和全關(guān)兩個狀態(tài)切換?刂崎y單電磁閥常用配置方案有4種,如圖1所示。

控制閥單電磁閥常用配置方案

IA———儀表空氣;QF———過濾減壓閥;SV1———電磁閥;IP———閥門定位器;V1———切斷閥;V2———調(diào)節(jié)閥;SH———梭閥

圖1 控制閥單電磁閥常用配置方案

  氣動控制閥根據(jù)儀表空氣故障時閥門所處的安全位置分為氣開(FC)和氣關(guān)(FO)兩種,選擇氣開還是氣關(guān)在設(shè)計選型時根據(jù)工藝過程安全生產(chǎn)要求決定?刂崎y聯(lián)鎖由電磁閥實現(xiàn),石油化工裝置中電磁閥一般按失效安全的原則設(shè)計為:正常得電勵磁(圖1a),失電聯(lián)鎖方式NE(圖1d) 。同時火氣系統(tǒng)負(fù)載設(shè)計為: 正常失電(圖1b),得電聯(lián)鎖方式NDE(圖1c)。

  根據(jù)失效安全原則,圖1a~ d在不同狀態(tài)時閥門處于全開、全關(guān)或調(diào)節(jié)狀態(tài),詳見表1。由于調(diào)節(jié)閥在正常工作時,只有定位器輸出儀表空氣到達(dá)膜頭才能實現(xiàn)閥門的精確定位,要求氣路不能切斷,所以圖1c不適于設(shè)計為“正常失電、聯(lián)鎖得電勵磁”方式,圖1d不適于設(shè)計為“正常得電勵磁、失電聯(lián)鎖”方式。現(xiàn)以通用型兩位三通電磁閥為例進(jìn)行說明。

表1 單電磁閥配置控制閥狀態(tài)

單電磁閥配置控制閥狀態(tài)

2、控制閥冗余電磁閥配置方案

  安全聯(lián)鎖系統(tǒng)有安全失效和危險失效兩種方式。安全失效即當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生顯性故障時觸發(fā)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)動作,導(dǎo)致誤停車; 危險失效則指系統(tǒng)存在隱性故障時導(dǎo)致系統(tǒng)在需要時不能產(chǎn)生動作。非冗余單電磁閥使用過程中,電磁閥故障、線路或電源故障及DCS故障等都會導(dǎo)致控制閥誤動作聯(lián)鎖,即安全失效,需采取容錯措施,為提高可靠性一般采用兩個兩位三通電磁閥冗余配置實現(xiàn)功能熱備。兩個電磁閥冗余適用于SIL1和SIL2安全度等級聯(lián)鎖系統(tǒng),采用單一的控制閥,配套電磁閥冗余配置。電磁閥安裝在閥門定位器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間,或者單獨(dú)配置電磁閥控制切斷閥,具體配置為: 兩個獨(dú)立電磁閥,兩條分開敷設(shè)的信號線路,兩個不在同一DCS卡件但完全相同的控制信號。實現(xiàn)方案有6種,如圖2所示。

圖2 控制閥冗余電磁閥配置方案

  圖2e、f 采用或門型梭閥,不論哪條氣路單獨(dú)通氣,都能導(dǎo)通與其膜頭的通路; 當(dāng)兩路氣路同時通氣時,哪端壓力高膜頭就與該路相通,同時另一端關(guān)閉,用“或”邏輯關(guān)系實現(xiàn)冗余。

  在冗余雙電磁閥配置方案中,由于失效安全原則設(shè)計不同,圖2中所有設(shè)計方案在不同狀態(tài)時控制閥處于全開、全關(guān)或調(diào)節(jié)狀態(tài),詳見表2。同樣存在圖2c、f 不適于設(shè)計為“正常失電、聯(lián)鎖得電勵磁”方式,圖2d不適于設(shè)計為“正常得電勵磁、失電聯(lián)鎖”方式。

表2 冗余雙電磁閥配置控制閥狀態(tài)

冗余雙電磁閥配置控制閥狀態(tài)

  2.1、冗余雙電磁閥配置特點(diǎn)

  在如圖2所示的6種冗余雙電磁閥配置方案中,存在3類情況:

  a.圖2a、c中,電磁閥SV1和SV2工作在得電狀態(tài)時,SV2的氣路3-2導(dǎo)通,1、2截止,儀表空氣進(jìn)入膜頭,控制閥動作,SV1的1-2截止,氣路3-2導(dǎo)通,儀表空氣到達(dá)SV2的口1截止,在SV2出現(xiàn)故障而翻轉(zhuǎn)時,儀表空氣經(jīng)SV1氣路3-2和SV2氣路1-2到達(dá)膜頭,控制閥動作。SV1 和SV2失電時,控制閥膜頭內(nèi)儀表空氣經(jīng)由SV2氣路2-1和SV1氣路2-1放空,控制閥動作。

  b.圖2b、d中,工作狀態(tài)時SV1和SV2失電,SV1和SV2氣路1-2導(dǎo)通、3-2截止,儀表空氣進(jìn)入膜頭,控制閥動作。聯(lián)鎖時,SV1 和SV2得電,控制閥膜頭內(nèi)儀表空氣經(jīng)由SV2氣路2-3放空,控制閥動作。若SV1故障,儀表空氣經(jīng)由SV2氣路2-1和SV1氣路2-3放空,控制閥聯(lián)鎖動作。

  c.圖2e、f中,SV1和SV2工作在得電狀態(tài)時,SV2和SV1的氣路3-2導(dǎo)通,1、2截止,儀表空氣兩端中那一端的壓力高,膜頭就與其相通,另一端關(guān)閉,儀表空氣進(jìn)入膜頭,控制閥動作。當(dāng)任意電磁閥故障而翻轉(zhuǎn)時,該電磁閥的1-2導(dǎo)通放氣,另一電磁閥的3-2繼續(xù)導(dǎo)通,儀表空氣進(jìn)入氣室,調(diào)節(jié)閥繼續(xù)工作。實現(xiàn)正常工作冗余。

  2.2、冗余雙電磁閥配置對電磁閥的要求

  在冗余雙電磁閥配置方案中,電磁閥處于得電或失電狀態(tài),以及一個電磁閥回路故障時,儀表空氣流動方向不同,對電磁閥的要求也不相同,具體見表3。

表3 冗余雙電磁閥類型要求

冗余雙電磁閥類型要求

  2.3、可靠性分析

  冗余電磁閥配置在形式上有串聯(lián)和并聯(lián)兩種,其功能等效于系統(tǒng)并聯(lián),任何一個冗余電磁閥失效都不會影響系統(tǒng)的功能,只有在兩個電磁閥均失效時系統(tǒng)才不能正常工作。冗余電磁閥配置的可靠性數(shù)學(xué)關(guān)系如下:

  故障概率F=F1·F2

  可靠性R=1-F=1-[F1·F2]

  式中F———冗余電磁閥配置系統(tǒng)的故障率;

  F1、F2———SV1、SV2的故障率;

  R———冗余電磁閥配置系統(tǒng)的可靠度。

  假設(shè)兩個冗余電磁閥的故障率均為0.10(電磁閥的可靠性為0.90),則組成冗余電磁閥配置系統(tǒng)的故障率為0.01,系統(tǒng)可靠性為0.99,較單個電磁閥的可靠性有明顯提高。

3、結(jié)束語

  過程控制系統(tǒng)的執(zhí)行終結(jié)者———安全聯(lián)鎖控制閥的附件,在采用冗余電磁閥配置后,其可靠性顯著提高。實現(xiàn)電磁閥冗余配置需要兩個獨(dú)立的電磁閥,兩條分開敷設(shè)的信號線路,兩個不在同一DCS卡件但完全相同的控制信號,冗余配置導(dǎo)致項目投資成倍增加,需做ALARP(AsLowAsRea-sonablyPracticable)經(jīng)濟(jì)分析,用來評估引入冗余配置而額外投資帶來的投資回報率。