水煤浆气化安全联锁系统中双电磁阀的应用

2022-10-10

引言

水煤浆气化安全联锁系统是煤气化生产装置不可缺少的一部分, 是安全生产的重要保护层, 而作为气化安全联锁系统最终执行元件的电磁阀, 由于长期在露天的环境下工作, 一旦失效, 就会导致安全联锁系统在关键时刻起不到应有的保护作用。

根据IEC 61508的分析计算, 最终执行元件在危险故障率中所占的比例是50%, 它显然是最容易产生危险的故障环节[1]。

这种由于仪表本身故障引起的误停车, 对于水煤浆气化装置也会引起较大的经济损失。为了降低误停车率, 在水煤浆气化安全联锁系统的设置中, 装置采用了双电磁阀的控制方案[2]。这种方案将进一步提高安全联锁系统的完整性, 将风险降低到最低程度, 确保装置和人身的安全。

一、双电磁阀气路的组成及设置原则

1. 双电磁阀气路的组成

双电磁阀气路实际上是由两个2位三通型式电磁阀组合而成, 在介绍双电磁阀之前, 我们先了解一下单个电磁阀的工作原理。2位三通式电磁阀, 即有3个管道接口和2个气路的电磁阀。当一个气路打开, 另一路就关闭, 反之亦然。2位三通式电磁阀分为常闭型 (NC) 、常开型 (NO) 和通用型 (UNIVERSAL) , 如图1所示[3]。

为了避免因信号电缆断路故障而导致电磁阀在联锁发生时不能动作, 电磁阀通常设置成常闭型 (NC) , 即正常时带电、联锁动作时失电。在实际工程应用中, 需根据工艺过程安全保护需要, 确定选用常闭型 (NC) 或通用型。

2. 双电磁阀的设置原则

(1) 双电磁阀“与”逻辑

当重点考虑系统的安全性时, 双电磁阀宜采用“与“逻辑连接, 如图2A所示。当一个电磁阀失电 (通常认为失电是由于信号电缆断路而引起的) , 而另一个电磁阀仍然励磁时, 阀门维持在正常状态, 避免了由于非工艺原因而引起的误停车。两个电磁阀都失电时, 失电被认为是由于联锁而引起的, 联锁动作被执行。

(2) 双电磁阀“或”逻辑

当重点考虑系统的可用性时, 双电磁阀宜采用“或”逻辑连接, 如图2B所示。只要有一个电磁阀得电, 即被认为得电是联锁条件被触发而引起的, 联锁动作被执行。当一个电磁阀的信号电缆发生断路时, 另一个电磁阀仍可以得电励磁执行联锁动作, 避免了因某一信号电缆断路而引起的联锁不能被执行的问题。

二、水煤浆气化装置中双电磁阀的应用实例

1. 选用双电磁阀的必要性

在水煤浆气化工艺中, 氧气管线和煤浆管线是气化炉供给的两条命脉, 而分别安装在这两条管线上氧气阀和煤浆阀, 对于正常运行、开停车及安全生产起到至关重要的作用。因为用于氧气和煤浆管线的开关阀的价格比较高, 采用单阀门双电磁阀比采用双阀门单电磁阀的配置不仅降低了成本, 同时也能最大限度减小仪表自身故障而造成误停车的可能性, 最终选择了采用双电磁阀的冗余配置方案。

根据石化SH/T 3018中对安全系统最终元件的要求, 如果是安全仪表系统中的阀门, 宜采用冗余阀门;如果采用单一阀门, 配套的电磁阀宜采用冗余配置[4]。由此可见, 在保证系统安全的情况下, 选择双电磁阀冗余配置还是非常必要的。

2. 双电磁阀选型及气路分析

以水煤浆气化装置中氧气切断阀为例, 氧气切断阀采用弹簧复位执行机构, 电磁阀选用2位三通。双电磁阀配合工艺切断阀FC (FAIL CLOSE) 的气路配置如图3所示。SOV 1A、1B分别表示电磁阀, NE (NORMAL ENERGIZE) 代表电磁阀正常时带电。在电磁阀三个接口中3为放空口 (图中用黑色三角表示) , 2为进气口, 1为公共口, IA表示仪表气源。当电磁阀带电时, 2口和1口相通;断电时, 1口和3口相通。

在水煤浆气化装置中, 双电磁阀冗余配置是出于对系统的安全性来考虑的。所以, 双电磁阀 (图3) 是采用“与”逻辑的连接方式。即双电磁阀配置为“二取二”判断, 只有当两个电磁阀同时失电时, 阀门才会失气关闭, 避免因其中任意一个电磁阀失效引发联锁误动作。下面我们逐一对3种不同工况进行分析:

工况1:当两个电磁阀都正常工作时, 两个电磁阀SOV 1A、SOV 1B均处于带电状态 (NE) , 两个电磁阀的2口和1口相通, 气源首先通过SOV 1A的2→1口而受阻于SOV 1B的3口, 另一支路经过SOV 1B的2→1口到达阀门的执行机构。当联锁动作使SOV 1A、SOV 1B断电时, 气缸通过SOV 1B的1→3口及SOV 1A的1→3口排放仪表空气。

工况2:当SOV 1A电磁阀信号电缆断路而不能动作时, 可由SOV 1B的2→1口保证气路仍能畅通, 不会发生误动作。当联锁动作使SOV 1B断电时, 气缸通过SOV 1B的1→3口及SOV 1A的1→3口排放仪表空气。

工况3:反之, 一旦SOV 1B失效时, 则由SOV 1A的2→1口及SOV 1B的3→1口保证气路仍能畅通, 不会发生误动作。当联锁动作使SOV 1A断电时, 气缸通过SOV 1B的1→3口及SOV1A的1→3口排放仪表空气。

在电磁阀的选型时, 我们对比图1和气路分析不难发现, 图3中的电磁阀必须选择通用型 (UNIVERSAL) , 即电磁阀1口和2口, 1口和3口均为双向互通。因为工况3是, 当SOV 1B失效时, 供气是沿着SOV 1A的2→1和SOV 1B的3→1路线完成供气的, 从图1可以得知, 常开型 (NO) 和常闭型 (NC) 电磁阀1和3口都是单向的, 即1→3单向导通, 而3→1反向是不通的。只有通用型是1、3双向互通的。所以, 选用通用型电磁阀才满足双电磁阀“与”逻辑的工作原理。

3. 双电磁阀实际应用中的问题

电磁阀的种类、形式多种多样, 下面仅从煤化工项目的实例来说明双电磁阀设置过程中遇到的一些问题, 这将密切关系到安全联锁能否准确地实现。

在水煤浆气化装置中, 由于煤浆和氧气切断阀口径和关闭压差比较大, 且要求阀门开启和关闭时间比较短, 通常时间要求小于3s。而电磁阀的口径大小和流通能力关系到整个阀门控制系统的开关速度和驱动能力。在进行技术研究和澄清时, 了解到有的切断阀配备的电磁阀尺寸达到3/4″。经和电磁阀制造商进行交流, 通用型电磁阀的最大尺寸只能做到1/2″, 而从上文3.2所述的气路分析中我们不难发现, 双电磁的工作原理是基于通用型电磁阀基础上实现的。所以, 当电磁阀口径达到3/4″时, 电磁阀规格中没有通用型;如果不是通用型电磁阀, 按照图3配置双电磁阀气路就行不通, 那么该如何解决这个问题呢?

4. 双电磁阀应用问题的解决思路

如何既能保证阀门开关速度, 又要实现双电磁阀的功能。先导式电磁阀 (图4) 的工作方式给了我们一个启示。

先导式电磁阀由先导阀与主阀组成, 两者有通道相联系, 当电磁阀线圈通电, 动铁芯与静铁芯吸合使导阀孔开放, 阀芯背腔的压力通过导阀孔流向出口, 此时阀芯背腔的压力低于进口压力, 利用压差使阀芯脱离主阀口, 介质从进口流向出口。当线圈断电, 动铁芯与静铁芯脱离, 关闭了导阀孔, 阀芯背腔压力受进口压力的补充逐渐趋于和进口平衡, 阀芯因弹簧力作用下把阀门紧密关闭。它的特点是不仅结构简单, 而且驱动力矩小, 易实现快速启闭[3]。

5. 双电磁阀应用问题的解决方案

基于先导式电磁阀的工作方式和通用型电磁阀最大尺寸为1/2″的情况, 在实际应用中, 我们采用两个1/4″通用型2位三通电磁阀, 功能类似于先导阀;用1个3/4″的2位三通气控阀, 功能类似于主阀, 如图5所示。也就是说, 通过双电磁阀控制气控阀, 从而完成切断阀气缸进气和排气。

之前, 我们就双电磁阀的气路已经做了分析。当双电磁阀中任何一个出现故障时, 都能保证气控阀门的控制气路畅通。这样, 气控阀门始终都能保持正常工作, 使仪表空气顺利进入切断阀的执行机构。当联锁动作时, 气缸内的气体通过气控阀门的放空口迅速排出。由于排气速度很快, 为了减少噪音, 在气控阀门的放空口增加了消音器。而且, 气控阀门全部是机械部件, 发生故障的概率很低, 也不会有电磁阀信号线断路的情况出现。

采用此方案, 切断阀的气路即保证使用双电磁阀, 增大了阀门使用的安全性;又保证了阀门的开启和关闭的时间。

结论

采用双电磁阀冗余配置来控制切断阀, 以减少因信号线断路而引起的误停车的设计模式, 在其他很多化工装置中也有着很好的应用实例, 不失为一种有效的设置。

本文结合双电磁阀的配置原则, 首先对水煤浆气化中氧气切断阀的双电磁阀气路进行了分析, 阐明了电磁阀选型时需注意的问题。然后, 针对水煤浆气化工程中双电磁阀的应用实例, 介绍了如何解决双电磁阀大口径气路的解决思路和方法。文中详细阐述了采用双电磁阀配置用于切断阀的设置方法, 降低了因信号电缆断路引起误停车的可能性。

双电磁阀的应用必须经过周密细致的考虑, 选配出规格和型号正确的电磁阀, 才能保证装置联锁系统的可靠性和正确执行, 避免人身伤害和重大经济损失。在使用双电磁阀的同时, 也需要设置信号电路检测功能, 即如果电磁阀信号电缆断路时, 安全联锁系统可以及时检测并报警, 提示仪表工及时检查线路并维修至正常, 最大限度减少电磁阀信号线路非正常中断时间, 减少因电磁阀线路故障而不能执行联锁的可能性。

摘要：本文依据电磁阀的工作原理, 在水煤浆气化安全联锁系统的设置中, 装置采用了双电磁阀的控制方案。首先对水煤浆气化中氧气切断阀的双电磁阀气路进行了分析, 阐明了电磁阀选型时需注意的问题。然后, 针对水煤浆气化工程中双电磁阀的应用实例, 介绍了如何解决双电磁阀大口径气路的解决思路和方法。文中详细阐述了采用双电磁阀配置用于切断阀的设置方法, 降低了因信号电缆断路引起误停车的可能性, 以避免人身伤害和重大经济损失。

关键词：水煤浆气化,双电磁阀,大口径气路,设置,应用