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  • 电磁阀冗余配置在控制阀上的应用
    发布日期:2016-2-27


    摘 要:控制阀在化工装置系统中起着极其重要的作用,进口球阀如何确保控制阀的正常运行得到越来越多的重视,特别是针对控制阀误动作直接导致系统停车带来较大经济损失的场合,因此适当的冗余配置在控制阀中被较广泛地应用。讨论了采用双电磁阀配置实现控制阀电磁阀的冗余配置,分析了双电磁阀在关键联锁控制阀中的可靠性,结合我公司的实际应用情况列举了电磁阀冗余配置典型案例。

    关键字:电磁阀 冗余配置方案 联锁 可靠性


    引言

    随着科学技术的飞速发展,化工生产对过程控制系统可靠性的要求越来越高,因此冗余技术得到了广泛的应用。DCS控制系统中的电源、主控器、数据转换卡、I/O卡件的冗余配置很大程度上提高了系统的可靠性。而在工业化生产系统中信号之间的联锁作为生产系统的安全保障,使得仪表安全保护系统的设计更加科学与完善。有时安全保护联锁的发生不是由于工艺过程异常造成的,而是由仪表本身的故障引起的。这种情况下会造成误停车,对于某些特定的工艺过程,误停车会引起较大的经济损失。对于控制阀在联锁系统中的设计一般都是采用单电磁阀控制方式,这样一来必然降低了整个联锁系统的可靠性。本文主要讨论采用冗余方式提高关键控制阀的联锁可靠性。

    1 两位三通电磁阀介绍

    两位三通电磁阀(Electromagneticvalve)是用电磁控制的工业设备,是用来控制流体的自动化基础元件,属于执行器,由阀体、阀罩、电磁组件、弹簧及密封结构等部件组成。动铁芯底部的密封块借助弹簧的压力将阀体进气口关闭。通电后,电磁铁吸合,动铁芯上部带弹簧的密封块把排气口关闭,气流从进气口进入膜头,起到控制作用。当失电时,电磁力消失,动铁芯在弹簧力作用下离开固定铁芯,向下移动,将排气口打开,堵住进气口,膜头气流经排气口排出,膜片恢复原来位置。

    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——失电时压力口连到气缸口、排气口关闭,得电时压力口关闭而气缸口连到排气口;

    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。

    通用型两位三通电磁阀基本符号如图1所示。

    图1 电磁阀

    在我公司乙二醇系统中,CO离心机进/出口控制阀、防喘振阀、8000空分空压机放空阀、水冷塔排污阀等重要设备上应用较为广泛。

    2 控制阀单电磁阀配置

    生产系统中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:FO(FailureOpen)——气源故障时气动阀门在弹簧作用下打开,即气关阀;FC(FailureClosed)——气源故障时气动阀门关闭,即气开阀。

    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。化工装置仪表联锁一般按故障安全型设计,控制阀配置的电磁阀一般为得电励磁、失电联锁方式。有时电磁阀信号电缆断线引起的误联锁会引起较大的经济损失,这时也可以考虑设计成电磁阀正常失电、得电联锁方式。这种情况下一般需要设置信号电路检测功能,即如果发生电磁阀信号电缆断线时可以及时由控制系统断线检测并报警,提示及时检查线路并维修至正常,减少因电磁阀线路断线而不能执行联锁的可能性。

    图2~图5是通用型单电磁阀配置图。

    注:IA仪表空气,正常得电励磁“1”时,3-2通,FC打开;失电联锁“0”时,2-1通,FC关闭。(正常非励磁“0”时,2-1通,FC关闭;得电励磁联锁“1”时,3-2通,FC打开)。

    图2 控制阀(FC)、单电磁阀、失电(得电)联锁时FC关闭(打开)

    注:IA仪表空气,得电励磁“1”时,3-2通,FO关闭;失电联锁“0”时,2-1通,FO打开。(正常非励磁“0”时,2-1通,FO打开;得电励磁联锁“1”时,3-2通,FO关闭)。

    图3 控制阀(FO)、单电磁阀、失电(得电)联锁FO打开(关闭)

    注:IA仪表空气,正常励磁“1”时,2-3通,FC关闭;失电联锁“0”时,1-2通,FC打开。(正常非励磁“0”时,1-2通,FC打开;得电励磁联锁“1”时,2-3通,FC关闭)。

    图4 控制阀(FC)、常开型单电磁阀、失电(得电)联锁FC打开(关闭)

    注:IA仪表空气,正常励磁“1”时,2-3通,FO打开;失电联锁“0”时,2-1通,FO关闭。(正常非励磁“0”时,2-1通,FO关闭;得电励磁联锁“1”时,2-3通,FO打开)。

    图5 控制阀(FO)、常开型单电磁阀、失电(得电)联锁FC关闭(打开)

    图2与图3、图4与图5的区别在于通气时控制阀通气是打开还是关闭(联锁状态下关闭还是打开)。其中图2、图3电磁阀在励磁状态下控制阀打开,非励磁状态下控制阀关闭;图4、图5电磁阀在励磁状态下控制阀关闭,非励磁状态下控制阀打开。

    3 控制阀双电磁阀配置

    生产系统中因控制阀误动作而引起停车会产生较大经济损失。为避免类似事故的发生,可以采用双电磁阀配置,实现控制阀电磁阀信号控制信号的冗余配置。气路设计则有以下几方面。

    1)双电磁阀失电联锁配置。当一个电磁阀失电而另外一个电磁阀仍然励磁时,失电电磁阀的失电被认为是由于信号电缆断线引起的,控制阀仍然维持正常状态,避免了因单根信号电缆断线而引起的误停车。当两个电磁阀都失电时,失电被认为是由于联锁发生而引起的,联锁动作被执行。

    2)双电磁阀得电联锁配置。只要有一个电磁阀得电,即被认为得电是由于联锁发生而引起的,联锁动作被执行。有一路信号异常时,信号正常的电磁阀在联锁发生时,仍然可以得电励磁执行联锁动作,避免了因单根信号异常引起的联锁不能被执行的问题。

    双电磁阀配置中,两路信号电缆采用独立的配置方式,一定程度上降低了因信号电缆断线而不能执行联锁的可能性。

    双电磁阀配置如图6~图11所示。

    注:IA仪表空气,SV1、SV2任一得电励磁“1”时,3-2通,FC打开;SV1、SV2同时失电联锁“0”时,2-1通,FC关闭。(SV1、SV2任一正常非励磁“0”时,2-1通,FC关闭;得电励磁联锁“1”时,3-2通,FC打开)。

    图6 控制阀FC、双电磁阀、失电(得电)联锁关闭(打开)

    注:IA仪表空气,SV1、SV2任一得电励磁“1”时,3-2通,FO关闭;SV1、SV2同时失电联锁“0”时,2-1通,FO打开。(SV1、SV2同时正常非励磁“0”时,2-1通,FO打开;任一得电励磁联锁“1”时,3-2通,FO关闭)。

    图7 控制阀FO、双电磁阀、失电(得电)联锁FC打开(关闭)

    注:IA仪表空气,SV1、SV2同时得电励磁“1”时,3-2通,FC打开;SV1、SV2任一失电联锁“0”时,2-1通,FC关闭。(SV1、SV2任一正常非励磁“0”时,2-1通,FC关闭;同时得电励磁联锁“1”时,3-2通,FC打开)。

    图8 控制阀FC、双电磁阀、失电(得电)联锁FC关闭(打开)

    注:IA仪表空气,SV1、SV2同时得电励磁“1”时,3-2通,FC关闭;SV1、SV2任一失电联锁“0”时,2-1通,FC打开。(SV1、SV2任一正常非励磁“0”时,2-1通,FC打开;同时得电励磁联锁“1”时,3-2通,FC关闭)。

    图9 控制阀FO、双电磁阀、失电(得电)联锁FO打开(关闭)

    注:IA仪表空气,SV1、SV2任一得电励磁“1”时,3-2通,FC关闭;SV1、SV2同时失电联锁“0”时,2-1通,FC打开。(SV1、SV2同时正常非励磁“0”时,2-1通,FC打开;任一得电励磁联锁“1”时,3-2通,FC关闭)。

    图10 控制阀(FC)、常开型双电磁阀、失电(得电)联锁FC打开(关闭)

    注:IA仪表空气,SV1、SV2任一得电励磁“1”时,3-2通,FC打开;SV1、SV2同时失电联锁“0”时,2-1通,FC打开。(SV1、SV2同时正常非励磁“0”时,2-1通,FC关闭;任一得电励磁联锁“1”时,3-2通,FC打开)。

    图11 控制阀(FO)、常开型双电磁阀、失电(得电)联锁FC关闭(打开)

    图6~11的区别在于双电磁应用方案不同。双电磁阀方案选择中应综合考虑各方面的因素,主要包括逻辑不能执行的可能性、误停车的可能性、故障安全性、硬件投资费用等。并充分考虑逻辑不能执行而产生的经济、人身、环境方面的影响和误停车造成的经济损失。

    4 电磁阀工作原理及故障分析

    电磁阀一般选用直动式低功耗通用型。工作原理:通电时,电磁线圈产生电磁力克服弹簧力,使得对应气路导通,例如电磁阀进气口和工作口相通;断电时,电磁力消失,在弹簧力的作用下转换气路,例如电磁阀放空口和工作口相通。

    1)电磁阀励磁无法对应相应气路的原因。

    ①电磁阀线圈是否烧毁。一般两位三通电磁线圈的功率为3W、3.6W,用万用表测量其线圈电阻值应在190Ω、160Ω左右,如果小于或者超出,说明电磁线圈有短路(接地)或断路的情况。

    ②供电电压是否正常,电源接线是否不良,一般为24V供电方式。

    ③电磁阀阀芯内有杂质使阀芯卡死,无法动作。

    2)电磁阀失电时无法对应相应气路的原因。

    ①节流孔平衡孔堵塞,使得气路不畅。

    ②电磁阀动作频繁,使用时间较长,弹簧寿命已到或变形。

    ③电磁阀阀芯内有杂质使阀芯卡死,无法动作。

    在实际应用中,发现电磁阀励磁时无法对应相应气路的故障概率要大于电磁阀失电类的故障概率。

    3)对于单电磁阀配置而言,比较以下两种联锁的因素,总结得出,失电联锁在故障安全性方面要远好于得电联锁。

    ①失电联锁不能执行联锁的因素:电磁阀失电时不能处在相对应的气路。

    ②得电联锁不能执行联锁的因素:信号电缆断线;控制室电源故障;电磁阀励磁时不能处在相对应的气路。

    4)双电磁阀配置失电联锁和得电联锁在故障安全性方面比较。

    ①失电联锁不能执行联锁的因素:两个电磁阀中任何一个电磁阀失电时不能处在相对应的气路。

    ②得电联锁不能执行联锁的因素:两路信号电缆全部断线;两路联锁信号控制室电源全部故障;两个电磁阀励磁时都不能处在相对应的气路。

    因此对双电磁阀配置而言,经常采用失电联锁的方式进行配置。

    5 应用举例

    我公司乙二醇系统中净化分公司CO离心式压缩机进气/排气控制阀上应用;8000空分、4000空分空气压缩机放空阀上应用等,采用的方案均为图5、图6,而且均为失电联锁,其应用实例如图12。


    图12 应用实例

    6 结束语

    提高装置安全性和有效防止误停车在化工装置中起着重要的作用。设计中需要综合考虑。采用双电磁阀配置,实现控制阀电磁阀信号线路的冗余配置,以减少因电缆断线引起误停车的设计模式,在很多化工装置中有着很好的应用实例,为一种有效的设计。

    文章链接:http://www.dghwvalve.com/

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