電磁閥冗余在控制閥上如何應用
作為過程控(kong)制的(de)(de)終極執行者的(de)(de)控(kong)制閥,其(qi)聯鎖(suo)(suo)(suo)動作的(de)(de)可靠性(xing),必(bi)將影響整(zheng)個(ge)聯鎖(suo)(suo)(suo)系統(tong)的(de)(de)可靠性(xing)。在實(shi)際出產過程中,SIL1和SIL2安全(quan)度等級的(de)(de)聯鎖(suo)(suo)(suo)系統(tong)采用單一的(de)(de)控(kong)制閥,并根據需(xu)要配(pei)套(tao)電磁閥,常采用冗余方(fang)式(shi)將樞紐控(kong)制閥的(de)(de)聯鎖(suo)(suo)(suo)可靠性(xing)明顯進步,不同(tong)的(de)(de)冗余配(pei)置方(fang)案具有不同(tong)的(de)(de)特點。
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1 控制閥(fa)單電磁閥(fa)配置
控(kong)制(zhi)閥(fa)配置(zhi)兩位三通(tong)單電控(kong)型電磁閥(fa),電磁閥(fa)有3種類型:常(chang)閉(bi)型———失(shi)(shi)電時(shi)(shi)(shi)壓力(li)口(kou)封閉(bi)、排(pai)氣(qi)(qi)口(kou)連(lian)到(dao)氣(qi)(qi)缸(gang)口(kou),得電時(shi)(shi)(shi)壓力(li)口(kou)連(lian)到(dao)氣(qi)(qi)缸(gang)口(kou)而(er)排(pai)氣(qi)(qi)口(kou)封閉(bi);常(chang)開型———失(shi)(shi)電時(shi)(shi)(shi)壓力(li)口(kou)連(lian)到(dao)缸(gang)口(kou)、排(pai)氣(qi)(qi)口(kou)封閉(bi),得電時(shi)(shi)(shi)壓力(li)口(kou)封閉(bi)而(er)氣(qi)(qi)缸(gang)口(kou)連(lian)到(dao)而(er)排(pai)氣(qi)(qi)口(kou);通(tong)用型———答應閥(fa)連(lian)接成常(chang)閉(bi)或常(chang)開位置(zhi)的其中(zhong)之一(yi),或由一(yi)個口(kou)轉換(huan)流到(dao)另(ling)一(yi)個口(kou)。
控制閥依據開度控制是否連續變化分為調節閥和堵截閥兩大類。調節閥根據過程控制要求,用AO信號實現0%和100%行程之間的定位,配置閥門定位器。聯鎖調節閥在閥門定(ding)位(wei)器和(he)執行機構之間配置電磁閥(fa)(fa),用DO信號實現(xian)聯(lian)(lian)鎖(suo)控(kong)制,電磁閥(fa)(fa)一(yi)般選用單電控(kong)型電磁閥(fa)(fa),實現(xian)控(kong)制閥(fa)(fa)執行機構儀(yi)表(biao)空(kong)氣的供(gong)應與排(pai)放,實現(xian)聯(lian)(lian)鎖(suo)目(mu)標;堵截閥(fa)(fa)開(kai)度僅有全開(kai)和(he)全關兩個位(wei)置,必(bi)需配置電磁閥(fa)(fa)進行氣路導(dao)通(tong)和(he)堵截控(kong)制,用DO信號使堵截閥(fa)(fa)在全開(kai)和(he)全關兩個狀態(tai)切換。控(kong)制閥(fa)(fa)單電磁閥(fa)(fa)常(chang)用配置方案有4種(zhong)
控制閥單(dan)電磁閥常用配置(zhi)方案
氣(qi)動控(kong)制(zhi)(zhi)閥(fa)根據儀表(biao)空氣(qi)故障時閥(fa)門所(suo)處的安全(quan)位置分為氣(qi)開(FC)和氣(qi)關(FO)兩種(zhong),選擇氣(qi)開仍是(shi)氣(qi)關在設計(ji)選型時根據工藝過(guo)程安全(quan)出產要(yao)求(qiu)決定。控(kong)制(zhi)(zhi)閥(fa)聯(lian)鎖(suo)由電(dian)磁(ci)閥(fa)實(shi)現,石油化工裝置中電(dian)磁(ci)閥(fa)一般(ban)按失(shi)效安全(quan)的原則設計(ji)為:正常(chang)得電(dian)勵磁(ci)(圖(tu)(tu)(tu)1a),失(shi)電(dian)聯(lian)鎖(suo)方式NE(圖(tu)(tu)(tu)1d)。同時火(huo)氣(qi)系統負(fu)載(zai)設計(ji)為:正常(chang)失(shi)電(dian)(圖(tu)(tu)(tu)1b),得電(dian)聯(lian)鎖(suo)方式NDE(圖(tu)(tu)(tu)1c)。
根據失效安全原則,圖1a~ d在不同狀態時閥門處于全開、全關或調節狀態,詳見表1。因為調節閥在正常工作時,只有定位器輸出儀表空氣到達膜頭才能實現閥門的精確定位,要求氣路不能堵截,所以圖1c不適于設計為“正常失電、聯鎖得電勵磁”方式,圖1d不適于設計為“正常得電勵磁、失電聯鎖”方式。現以通用型兩位三通電磁閥為例進行說明。
控制閥(fa)冗余電磁閥(fa)配(pei)置方案
安(an)全(quan)(quan)聯(lian)(lian)(lian)鎖系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)有(you)安(an)全(quan)(quan)失(shi)效和危(wei)險失(shi)效兩(liang)(liang)種(zhong)方式。安(an)全(quan)(quan)失(shi)效即(ji)當系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)產生(sheng)顯性(xing)故障(zhang)時(shi)觸發安(an)全(quan)(quan)聯(lian)(lian)(lian)鎖系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)動作,導致誤停車;危(wei)險失(shi)效則指系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)存在隱性(xing)故障(zhang)時(shi)導致系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)在需(xu)要時(shi)不能產生(sheng)動作。非冗(rong)余單電(dian)(dian)磁(ci)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)使用過程中,電(dian)(dian)磁(ci)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)故障(zhang)、線(xian)路(lu)或(huo)電(dian)(dian)源故障(zhang)及DCS故障(zhang)等(deng)都會導致控(kong)制(zhi)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)誤動作聯(lian)(lian)(lian)鎖,即(ji)安(an)全(quan)(quan)失(shi)效,需(xu)采(cai)取(qu)容錯(cuo)措施,為(wei)提高可靠性(xing)一般采(cai)用兩(liang)(liang)個(ge)(ge)兩(liang)(liang)位(wei)三通電(dian)(dian)磁(ci)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)冗(rong)余配置實現功能熱備。兩(liang)(liang)個(ge)(ge)電(dian)(dian)磁(ci)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)冗(rong)余適用于SIL1和SIL2安(an)全(quan)(quan)度(du)等(deng)級聯(lian)(lian)(lian)鎖系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong),采(cai)用單一的控(kong)制(zhi)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa),配套電(dian)(dian)磁(ci)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)冗(rong)余配置。電(dian)(dian)磁(ci)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)安(an)裝(zhuang)在閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)門定位(wei)器(qi)與執行機構之間,或(huo)者單獨(du)配置電(dian)(dian)磁(ci)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)控(kong)制(zhi)切斷閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa),具(ju)體配置為(wei):兩(liang)(liang)個(ge)(ge)獨(du)立電(dian)(dian)磁(ci)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa),兩(liang)(liang)條分開敷設的信號(hao)線(xian)路(lu),兩(liang)(liang)個(ge)(ge)不在同(tong)一DCS卡(ka)件但完全(quan)(quan)相同(tong)的控(kong)制(zhi)信號(hao)。實現方案有(you)6種(zhong),
控制閥(fa)冗余電磁閥(fa)配(pei)置方案
f采用(yong)或門型梭閥,不論哪條氣(qi)(qi)路(lu)(lu)單獨(du)通(tong)(tong)氣(qi)(qi),都(dou)能(neng)導通(tong)(tong)與(yu)其膜頭(tou)的通(tong)(tong)路(lu)(lu);當(dang)兩路(lu)(lu)氣(qi)(qi)路(lu)(lu)同時通(tong)(tong)氣(qi)(qi)時,哪端(duan)(duan)壓力(li)高膜頭(tou)就(jiu)與(yu)該路(lu)(lu)相通(tong)(tong),同時另(ling)一(yi)端(duan)(duan)關閉,用(yong)“或”邏輯關系實(shi)現冗(rong)余。
在(zai)(zai)冗(rong)余雙電(dian)磁閥配置方案中(zhong)(zhong),由(you)于失(shi)效安(an)全(quan)(quan)原則設(she)計(ji)不(bu)同,圖(tu)2中(zhong)(zhong)所有(you)設(she)計(ji)方案在(zai)(zai)不(bu)同狀態時控(kong)制(zhi)閥處(chu)于全(quan)(quan)開、全(quan)(quan)關或調節狀態,詳見(jian)表2。同樣(yang)存在(zai)(zai)圖(tu)2c、f不(bu)適于設(she)計(ji)為(wei)“正(zheng)常失(shi)電(dian)、聯(lian)鎖得(de)電(dian)勵磁”方式,圖(tu)2d不(bu)適于設(she)計(ji)為(wei)“正(zheng)常得(de)電(dian)勵磁、失(shi)電(dian)聯(lian)鎖”方式。
冗余雙電磁閥配置控制閥
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2.1 冗余(yu)雙(shuang)電磁閥配置(zhi)特點
在如圖2所示的6種冗余雙電磁閥(fa)配置方案(an)中,存在3類情況:
a.圖2a、c中(zhong),電磁閥(fa)SV1和(he)SV2工作(zuo)(zuo)在(zai)(zai)得電狀態(tai)時(shi),SV2的氣(qi)路(lu)3-2導(dao)通,1、2截止,儀(yi)表(biao)空(kong)氣(qi)進入膜(mo)頭(tou),控制閥(fa)動作(zuo)(zuo),SV1的1-2截止,氣(qi)路(lu)3-2導(dao)通,儀(yi)表(biao)空(kong)氣(qi)到(dao)達SV2的口(kou)1截止,在(zai)(zai)SV2泛(fan)起(qi)故(gu)障而翻轉時(shi),儀(yi)表(biao)空(kong)氣(qi)經SV1氣(qi)路(lu)3-2和(he)SV2氣(qi)路(lu)1-2到(dao)達膜(mo)頭(tou),控制閥(fa)動作(zuo)(zuo)。SV1和(he)SV2失(shi)電時(shi),控制閥(fa)膜(mo)頭(tou)內儀(yi)表(biao)空(kong)氣(qi)經過SV2氣(qi)路(lu)2-1和(he)SV1氣(qi)路(lu)2-1放空(kong),控制閥(fa)動作(zuo)(zuo)。
b.圖2b、d中,工作狀態時SV1和(he)SV2失電,SV1和(he)SV2氣路(lu)1-2導通、3-2截止(zhi),儀表空(kong)氣進入膜(mo)頭,控制(zhi)(zhi)(zhi)閥(fa)動(dong)(dong)作。聯鎖(suo)時,SV1和(he)SV2得電,控制(zhi)(zhi)(zhi)閥(fa)膜(mo)頭內儀表空(kong)氣經過(guo)SV2氣路(lu)2-3放空(kong),控制(zhi)(zhi)(zhi)閥(fa)動(dong)(dong)作。若SV1故障,儀表空(kong)氣經過(guo)SV2氣路(lu)2-1和(he)SV1氣路(lu)2-3放空(kong),控制(zhi)(zhi)(zhi)閥(fa)聯鎖(suo)動(dong)(dong)作。
c.圖2e、f中,SV1和(he)SV2工(gong)作(zuo)在(zai)得電狀態時(shi),SV2和(he)SV1的(de)氣路3-2導(dao)通,1、2截止(zhi),儀(yi)表空氣兩端中那(nei)一(yi)真個壓力高,膜頭(tou)就與其(qi)相通,另一(yi)端封閉,儀(yi)表空氣進入膜頭(tou),控制閥動(dong)作(zuo)。當任意電磁(ci)閥故障而(er)翻轉時(shi),該電磁(ci)閥的(de)1-2導(dao)通放氣,另一(yi)電磁(ci)閥的(de)3-2繼(ji)承導(dao)通,儀(yi)表空氣進入氣室,調節閥繼(ji)承工(gong)作(zuo)。實現正常工(gong)作(zuo)冗余。
2.2 冗余雙電磁閥配置對電磁閥的要求
在冗余(yu)雙(shuang)電磁閥(fa)配置(zhi)方案中,電磁閥(fa)處于得電或(huo)失電狀態,以及一個電磁閥(fa)回(hui)路故(gu)障(zhang)時(shi),儀表空(kong)氣活(huo)動方向不同,對(dui)電磁閥(fa)的(de)要求(qiu)也不相同,詳細見表3。
表3 冗余雙電磁閥類型要求
2.3 可靠性分析
冗余(yu)電(dian)磁(ci)閥(fa)配置在形(xing)式上有串聯(lian)和并聯(lian)兩(liang)(liang)種,其功(gong)能等(deng)效于系(xi)(xi)統(tong)(tong)并聯(lian),任(ren)何一(yi)個冗余(yu)電(dian)磁(ci)閥(fa)失(shi)效都不會(hui)影響系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)功(gong)能,只有在兩(liang)(liang)個電(dian)磁(ci)閥(fa)均失(shi)效時系(xi)(xi)統(tong)(tong)才(cai)不能正常工作。冗余(yu)電(dian)磁(ci)閥(fa)配置的(de)(de)可靠性數學關(guan)系(xi)(xi)如下:
故障概(gai)率(lv)F=F1·F2
可靠性R=1-F=1-[F1·F2]
式中F———冗余電磁閥配置系統的故(gu)障率;
F1、F2———SV1、SV2的故障(zhang)率;
R———冗余(yu)電磁閥配置(zhi)系(xi)統的可(ke)靠度。
假設兩(liang)個冗(rong)余電(dian)(dian)磁(ci)閥的故障率均為0.10(電(dian)(dian)磁(ci)閥的可(ke)靠性(xing)為0.90),則組(zu)成冗(rong)余電(dian)(dian)磁(ci)閥配置(zhi)系(xi)統(tong)(tong)的故障率為0.01,系(xi)統(tong)(tong)可(ke)靠性(xing)為0.99,較單個電(dian)(dian)磁(ci)閥的可(ke)靠性(xing)有(you)顯著進步。
3 結束語(yu)
過程控制(zhi)(zhi)系統(tong)的(de)(de)執行終(zhong)結者———安全聯鎖控制(zhi)(zhi)閥(fa)的(de)(de)附件(jian),在采(cai)用冗余電(dian)磁閥(fa)配置后,其可(ke)靠性明顯進(jin)步。實現電(dian)磁閥(fa)冗余配置需(xu)要兩個獨立的(de)(de)電(dian)磁閥(fa),兩條分(fen)開敷設的(de)(de)信號線路,兩個不(bu)在統(tong)一DCS卡(ka)件(jian)但完全相同的(de)(de)控制(zhi)(zhi)信號,冗余配置導致(zhi)項目投(tou)資成倍增加,需(xu)做ALARP(AsLowAsRea-sonablyPracticable)經濟分(fen)析,用來評估引(yin)入冗余配置而額外投(tou)資帶來的(de)(de)投(tou)資回報率。