双电磁阀配置在石油化工装置中的应用.pdf

第 4 7卷第 3期 2 0 1 1年 6月 石油化工 自动化 AUT0MATI oN I N PETR0一 CHEM I CAL I NDUSTRY Vo 1 ． 4 7，NO ．3 J u n e ，2 0 1 1 双 电磁 阀配置在石油化 工 装置 中的应用 范 咏峰 中国石 化工程建设公 司， 北 京 1 0 0 1 0 1 摘 要 安全性在石油化工装置设计与正常运行中起着很重要的作用， 保证安全性的前提下按照 A L A R P经济分析评估 的原则， 如何避免误停车同样得到越来越多的重视， 特别是针对误停车会带来较大经济损失的场合 ， 适当的冗余设计在石油化工装置中被较 广泛地采用。讨论了采用双电磁阀配置实现切断阀电磁阀信号线路的冗余配置， 以减少因电缆断线引起的误停车。分析了失电联锁 和得电联锁 。列举了双电磁阀气路设计及逻辑设计 ， 简介了电磁阀工作原理及故障分析， 最后简要说明了实际设计中的应用。 关键词 电磁阀； 联锁； 气路 中图分 类号 T H 1 3 8 ． 5 2 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 1 0 3 0 0 0 6 0 5 Br i e f I nt r o du c t i o n o f Du a l S o l e no i d Va l v e Co nf i g u r a t i o n a t Pe t r o c he mi c a l Uni t Fa n Yo ng f e ng S i n o p e c En g i n e e r i n g I n c ．， B e i j i n g， 1 0 0 1 0 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t Sa f e t y i s a c r i t i c a l i s s u e a t b o t h e ng i ne e r i n g a nd o pe r a t i o n of p e t r o c h e mi c a l un i t ， b a s e d o n ALARP As Lo w As Re a s o n a b l y Pr a c t i c a b l e p r i n c i p l e ，r e s e a r c h o n me t h o d o f h o w t o p r e v e n t ma l o pe r a t i o n t r i p i s o bt a i ne d m o r e a nd mo r e a t t e n t i o n， e s p e c i a l l y f o r c a s e o f hu g e e c o no mi c l os s ． App r o pr i a t e r e d un d a nc y de s i g n i s wi de l y a do p t e d i n pe t r o c he mi c a l un i t ．A d i s c us s i o n i s ma d e o n a du a l s o l e no i d v a l v e c o nf i gu r a t i on whi c h c a n a c hi e v e r e du nd a nt c o n f i g ur a t i o n o f s i g na l l o op o f o n - o f f v a l v e t o r e d uc e m a l o pe r a t i o n t r i p du e t o c a bl e b r e a k， a n a l y z e de e n e r g i z a t i on i nt e r l oc k a nd e n e r gi z a t i o n i n t e r l o c k，i l l us t r a t e p ne u ma t i c ho ok - u p a n d l og i c de s i g n o f du a l s o l e no i d v a l v e，br i e f l y i n t r o du c e d ua l s o l e n oi d va l ve o p e r a t i on p hi l o s op hy a n d m a l f un c t i o n a na l y s i s，a n d i t s a c t u a l a pp l i c a t i o n． Ke y wo r d ss o l e n o i d v a l v e；i nt e r l o c k；p ne uma t i c ho o k u p O 引 言 安全 问题 在石油化工装置设计 与正常运行 中得 到越来越多 的重视 。 目前很 多装置 的设计 中增加 了 工厂 危 害 和 可 操 作 性 研 究 HAZ O P Ha z a r d a n d O p e r a b i l i t y S t u d y 和仪 表 保 护 功 能 研 究 I P F S t u d y I n s t r u me n t e d P r o t e c t i v e F u n c t i o n S t u d y ， 其 中包 括 S I L S a f e t y I n t e g r i t y L e v e 1 评级等 。这使 得仪表 安全 保护系统 的设计更加科学与完善 ， 有助 于避 免在设计 中发 生 安全 性 能 达不 到 要求 或 采取 了过 多 的安 全 保护。 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 也会 引起 较 大 的经 济 损 失 。为 了降低 误 停 车率 ， 可 以考 虑引入 冗余 的配 置 ， 例 如 由 2 0 0 2 代 替 l o o l ， 由 2 0 0 3 对 于检 测单元 而 言 或者 2 0 0 4 对 于 阀门 而 言 代 替 l o o 2 ， 但 这 需 要 做 AL AR P As L o w As R e a s o n a b l y P r a c t i c a b l e 经济 分析评估 ， 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n ] 。该 文 主要 讨 论 采 用 双 电磁阀配置实现切断阀电磁 阀信号线路 的冗余配 置 ， 以减少 因 电缆 断线 引起 的误 停车 。 1 单 电磁 阀配 置 石油化工装置仪表联锁一般按故障安全型设计， 切 断阀配置的电磁 阀一般设计成正 常得 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 收 稿 日期 2 0 1 10 22 1 。 作者简介范咏 峰 1 9 7 0 一 ， 男 ， 山东济 宁人， 1 9 9 3年毕业 于 上海同济大学工业 电气 自动化专业 ， 获学士学位 ， 现在 中国石化工 程建设公司仪表 自控室从事石 油化工 自动化 工程设 计工作 ， 任高 级工 程 师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 范咏峰．双电磁阀配置在石油化 工装 置中的应用 断线时可以及时由 S I S D o断线检测并报警， 提示及 时检查线路并维修至正常 ， 如果 维修更换 线路需 要较 长周期 ， 则可 以考虑 改接备 用 电缆 ， 最 大限度 地减 少 电磁 阀控制线路非正常中断的时 间 ， 减少 因电磁 阀线 路断线而不能执行 联锁 的可能性 。图 1 ～3所示 为几 种应用示例 ， 其 中图 3 为一种得 电联锁示例 。 放 空 FC 图 1 切 断阀 FC 、 单 电磁 阀、 失 电联 锁 F C 关 闭 注 正常“ 1 ” 时 ， 1 2通 ； 联锁⋯ 0时 ， 1 3通 ES D FC 图 2 F C、 单 电磁 阀、 失 电联锁 F C打 开 注 正 常 “ 1 ” 时 ， 1 3通 ； 连 锁 ⋯ 0’ 时 ， 1 2通 ； NE正 常励 磁 ES D I A FC 图 3 F C、 单 电磁 阀、 得 电联锁 F C打开 注 正常“ 0 ” 时 ， 1 3通 ； 联锁 ⋯ 1 ’ 时 ， 1 2 通 ； ND E 正 常失 电 图 2和 图 3的区别 在 于图 2是失 电联 锁 ， 电磁 阀信号 电缆 断线 时 ， 电磁 阀失 电 ， 1 2通 ， 仪 表 净 化 风 通 F C 膜 头 ， F C打 开 即联 锁 要 求 的 F C位 置 ； 图 3是 得 电联 锁 ， 电磁 阀信 号 电缆 断线 时 ， 电 磁 阀失 电 ， 1 3通 ， F C 膜 头 放 空 ， F C关 闭 即 F C 气源故障时对应 的阀位 。两种配置各有优缺点 ， 图 2在无 联 锁情 况 下 电磁 阀信 号 电缆 断线 时会 出 现误 动作 ； 图 3在 电磁 阀信 号 电缆断 线且需 要 联锁 触发 时会 出现联锁 不 能执行 。 2双 电磁 阀配置 某些 因误 停 车 而 引起 较 大 经 济损 失 的工 艺过 程， 可 以采用双电磁阀配置实现切断阀电磁 阀信号 线路 的冗 余 配 鼍 ， 以减 少 因 电 缆 断 线 引起 的 误 停 车 。气路 的设 计原 则有 以下 几方 面 。 a 1双 电磁 阀失电联锁 配置 。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 ， 切断阀仍然维持 正常状态 ， 避 免 了 因单 根 信号 电缆 断 线 引起 的误 停 车 。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 说 明 如 果 有 一 个 电磁 阀故障 ， 停 留在励 磁 时对 应 的气 路 ， 不 能 在 失 电时切换 到 对应 的气 路 ， 则 联 锁 不 能 被 执行 ， 但 出现这 种 故 障 的 可 能 性 较 小 ， 参 见 文 中 第 5部 分 “ 电磁阀工作原理及故障分析” 中的相关描述 。 b 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 电缆 断线 时 ， 信 号 电缆 没 有断 线 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 电缆断 线 引起 的联锁 不能 被执 行 的问题 说 明 只要 有一 个 电磁 阀在励 磁 时可 以切换 到对 应气 路 ， 联 锁 发生 时 即可 被顺 利 执行 ， 改善 了单 电磁 阀得 电联 锁 配置 中 因电 磁 阀故 障 ， 得 电不 能切 换 到励磁 对应 气路 而 引起联 锁 不能 被执 行 的问题 。 双 电磁 阀状 态 和 切 断 阀状 态 对 应 真 值 表 见 表 1 所列 。 表 1 双电磁阀状态和切 断阀状态对应值 双 电磁 阀配 置 中 ， 两路 信 号 电缆宜 采用 独立 路 径 敷设 。得 电联 锁配 置 中 ， 联锁 控 制 系统对 信号 电 缆宜设 置 “ L i n e Mo n i t o r i n g ” ， 及 时监 测到信 号 电缆 断线故 障 ， 并提 示 维 护 人 员 及 时维 修 ， 一 定 程 度 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 石油化工 自动化 第 4 7 卷 降低了因信号电缆断线而不能执行联锁的可能性。 储气罐 配置 中 ， 宜设 置远 传压 力指 示报警 。切 断 阀 宜采用弹簧复位型。双电磁阀配置如图4 ～9 所示。 气源 图 4 切 断 阀 F C、 双 电磁 阀、 失 电联 锁 FC关 闭 注 正 常“ 1 ” 时 ， 1 2通 ； 联锁“ o ” 时 ， 1 3通 ES D 1 1 一一一J ⋯ ⋯ 气源 图 5 切 断阀 FC、 双 电磁 阀 、 得 电联锁 FC关 闭 注 正常“ o ” 时 ， 1 2通； 联锁“ 1 ” 时 ， 1 3通 ES D I I 气源 图 6 切 断 阀 FO、 双 电磁 阀、 失 电联锁 FC打开 注正常“ 1 ” 时 ， 1 2通 ； 联锁“ o ” 时 ， 1 3通 ESD t ⋯一一一 - ⋯一 一 气 源 图7 切断阀 F O、 双电磁 阀、 得 电联锁 F C打开 注 正常“ o ” 时 ， l 一3通 ； 联锁“ 1 ” 时 ， 1 2通 ESD 气源 图 8 切断阀 F C、 双电磁 阀、 失电联锁 F C打开 注 正 常“ 1 ” 时 ， 1 2通 ； 联 锁“ 0 ” 时 ， 1 3通 ESD 气 源 图9切 断 阀 F C、 双 电磁 阀 、 得 电联锁 FC打 开 注 正常“ o ” 时 ， 1 3 通 ； 联锁“ 1 ” 时 ， 1 2通 3 逻辑 图 逻 辑 图需 要 根 据 不 同 的工 艺 过 程 、 工艺 联 锁 和操作要求及不 同的仪表配置做具 体分 析设计 ， 图 1 0仅作 示 例 性 说 明 。该 例 为 失 电 联 锁 ， 切 断 阀关 闭 。现场 设 手动 关 ／ 开 阀按 钮 ， D C S或 S I S设 软 手 动 关 ／ 开 阀 按 钮 ， 操 作 员 可 以 根 据 需 要 在 现 场 或控制 室执行关／ 开阀指令 ， 其 中开 阀指 令只 有 在 没有 联 锁 条 件 存 在 或 发 生 过 联 锁 但 已 经 复 位 时 才有 效 。 双 电磁 阀状 态 和 F C状 态 对 应 关 系 见 表 1所 列。如果没有工艺过程参数参与联锁 ， 只有现场和 控制 室 手 动 关／ 开 阀 按 钮 ， 可 以取 消 R S触 发 器 。 根据操作岗位划分和不同工艺要求， 也可以考虑将 手动开 阀指令 和复 位指令 做 “ OR ” 运算 后 ， 接 入 R S 触 发器 的复 位 端 R 端 或 不 单 设 复 位 按 钮 ， 这样 可 以取消 一个 R S触发 器 。 4方 案选择 中应 考虑 的问题 方案 的选 择需 要综合 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。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 范咏峰．双电磁阀配置在石油化工装置 中的应用 9 图 1 0 单／ 双 电磁 阀 、 失 电联 锁 ， F C关 闭 实 际 方 案 需 要 考 虑 到HAZ oP，I P F S t u d y ， S I L评 级 ， AL ARP经 济 分 析 评 估 等 方 面 ， 需 要 考 虑 监 测 单 元 、 执 行 元 件 、 S I S等 的 总 体 配 置 。 表 2对 图 1 ～9的不 同方 案在 不 同的侧 面做 了 示 意性 的 比较 ， 每个 方案都 按 高 、 中 、 低 三个 等级 做 示 意性 比较 。表 3以图 4为例 示意性 地 说 明 了高 、 中 、 低三 个等 级划 分 的依据 。 表 2不 同方案 的比较 逻辑不能执 行 的可能 性 误停车的可 能 性 电源故障 气 源故障 信号线故 障 电源故障 气 源故 障 N．A． N．A． N．A． 低 高 信号线故障 低 故障安全性 高 硬件投资 中 失 电联锁 ， 电源故障不会 阻碍联锁 的执行 切断阀为弹簧复位型 ， 气源故 障时 切断 阀在 弹簧力作用下关闭 ， 气源故障不会 阻 碍联锁的执行 因是失电联锁 ， 所以信号 电缆断线不会 阻碍 联锁 的执行 两路信号电源同时故 障的可能性 为“ 低” 切断阀为弹簧复位 型 ， 气 源故 障 时切 断阀在 弹簧 力作 用下关 闭 ， 与联 锁方 向一 致 ， 切断 阀供气故 障时会引起误停车 两路信 号电缆按不同路径敷设 ， 同时断线 的可能性 为“ 低” F C和联锁方 向一致 ； 失 电联锁 ， 信号电缆断线不会 阻碍连 锁执行 双 电磁 阀、 双路信号 电缆 ， 硬件投资 为“ 中” 5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 ， 比如 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 ， 比如 电磁 阀放空 口和工作 口相通 。 a 电磁 阀励 磁 时 无 法 对 应 相 应 气路 的原 因 电源接 线是 否不 良； 电 源 电压 是 否 在 工 作 范 围 ； 线 圈是否 脱 焊 ； 线 圈 是 否烧 坏 ； 有 杂 质使 电磁 阀 阀 芯 卡死 。 b 电磁 阀 失 电 时无 法 对 应相 应 气 路 的原 因 阀芯 密 封件 已损 坏 ； 有 杂 质 进 入 电磁 阀 阀芯 ； 弹簧 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 石油化工 自动化 第 4 7卷 寿命 已到或 变形 ； 节 流孔平衡 孔堵 塞 。 通常情 况下 ， 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 。 c 对 于单 电磁 阀配 置 而 言 ， 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 。 d 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 。 6应 用举例 电磁 阀配 置 图 4方案 在 UO P项 目燃 料 气 线 、 长明灯线等场合和雪佛龙项 目防止 B AC KF L OW 等场合有应用实例； 图 6方案在 UOP项 目紧急泄 压 和雪佛 龙项 目紧 急泄压 等场 合有 应 用 实例 ； 图 7 方案 在壳牌 项 目紧 急 泄压 及 某 些工 艺 过 程 等 场合 有应用实例； 图 8方案在 UO P项 目紧急泄压等场 合有应用实例； 图 9方案在壳牌项 目紧急泄压等场 合 有应 用实例 。 7 结束 语 提 高装 置 安全 性 和 有效 防 止误 停 车 在石 油化 工装置 中起着重要的作用 ， 设计 中需要综合考虑， 按照 AL AR P原 则 采用 合 理 的 工 程设 计 。采用 双 电磁阀配置实现切断阀电磁阀信号线路 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 多石油化 工装 置 中有着很 好 的应用 实例 ， 为一 种有 效 的设计 。 参 考 文 献 [1] 范咏峰． 石油化工装置 中安全度 等级 的评定 与实施 E J 3 ． 石 油化 工 自动 化 ， 2 0 0 5 ， 2 8 1 2 ． [2] 刘军． 切断阀采用电磁 阀达到 相对连续 控制 的探讨 E J ] ． 石油化工 自动化 ， 2 0 0 9 ， 4 5 3 6 2 6 3 ． [3 ] 唐丹蓉． 电磁阀在石油化 工装置安 全联锁保 护过 程 中的设 计与应用[ J ] ． 石油化工 自动化， 2 0 0 3 ， 4 5 4 1 2 1 5 ． [ 4]陈学敏． 工程中 电磁阀 的应用 探 讨 E J 3 ． 石 油化 工 自动 化， 2 0 0 9， 4 5 86 1 ． [ 5] 周超群． 电磁阀的原 理及其在 工程设 计 中的应用 探讨 E J ] ． 石油化工 自动化 ， 2 0 0 6 ， 5 9 2 9 4 ． [6] 陆德民， 张振基 ， 黄步余． 石油化 工 自动控 制设计手册 E M] ． 3版． 北 京 化 学 工业 出 版社 ， 2 0 0 0 2 4 2 2 4 3 ． [7] 孙旭． 气动切断阀实现 三位控 制的探 讨[ J ] ． 石 油化 工 自 动 化 ， 2 0 0 3 ， 5 8 5 8 7 ． [8] 陈金铨． 汽轮机 4 取 2停机电磁阀冗余 容错 系统[ J ] ． 液压气 动与密封 ， 2 0 0 8 ， 3 3 8 4 1 ． [ 9] 沈加明． 采用冗余 的双电磁 阀来提 高安全联 锁保 护系统 的 可靠性l J ] ． 炼油化工 自动化， 1 9 9 4 ， 1 8 1 o ． [ 1 0 ] 国家石油和化 学工 业局． S H 3 0 0 5 -- 1 9 9 9石 油化 工 自动化 仪表选型设计规 范[ s ] ． 北京 中国石化出版杜 ， 1 9 9 9 ． [ ] 国家石 油和化学工业局． HG／ T 2 0 5 1 1 2 0 D 0信号报警 、 安 全联锁 系统设 计 规定E s J ． 全国化 工工 程建 设标 准编 辑 中 心 ， 2 0 0 0 ． [ 1 2 3 国家石油 和化学 工业 局． S H 3 0 2 0 --2 0 0 1石油 化工仪 表供 气设计规范[ s ] ． 北京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 1 ． 全 国化 工 自控设 计 技术 中心站 建站 5 0周 年 站庆暨学术交流会在杭州召开 2 0 1 1 年 6月 8 ～1 0 E l ， 全 国化工 自控设计技术中心站建站 5 O周年庆典 暨学术报告会在 杭州召开。回顾过去 5 O 周 年 ， 自控 中心站 在中国石油和化 工勘察设计 协会 、 中国石化股份公司工程部 、 中国石化集 团公 司宁波工程有 限公司的正确领 导下 ， 在各兄弟单位的支持下 ， 团结协作 ， 艰苦创业 ， 开拓前 进 ， 共 同谱写 了自控 中心站 5 O 年 的光辉历史 。同化工 、 中石化 、 中石油各工 程公 司 设计 院 共 同编制完成 了一整套 自控专业设计标准 、 规范 ， 满足 了自 控 工程设计 的需要 ， 同国内外仪 表厂 公 司 紧密合作 ， 共 同推进 自动化技术 的进步 。来 自中国石油和化工勘察设计协会 、 中国石化股 份公司工程 部、 中 国石化集 团公司宁波工程有限公司 的领导 ， 中心站技术 委员 、 顾 问委 员 ， 石 油化工 自动化 杂志 的编委 以及 国内外仪表 厂 公 司 的 2 7 0名 代表 出席 了会议 。除 了 自控 中心站 5 o 周 年 的相关 庆典活 动 ， 会议 交流 了 D C s 、 安全仪表系统 ， 无线仪表及网络 ， 节能环保 与计量控制等新技术在化工 、 石化行业 的应用 ， 自控工程设 计 、 控制系统技术 的最新进展 ， 国内外仪表厂 公司 新技术 ， 新产品 ， 讨论 了“ 十二 五” 期间 自控中心站工作规划 。 全 国 化 工 自控 设 计技 术 中心 站 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m