控制阀上电磁阀冗余的应用
——1控制阀单电磁阀配置
控制阀配备两位三通单电控电磁阀。电磁阀有三种类型：常闭式-失电时压力口关闭，排气口连接到气缸口，得电时压力口连接到气缸口，排气口关闭；常开式-失电时压力口连接到气缸口和排气口，得电时压力口关闭，气缸口连接到排气口；通用型-允许阀连接到常闭或常开位置之一，或从一个端口转换到另一个端口。
根据开度控制，控制阀是否连续变化分为调节阀和切断阀两类。调节阀根据工艺控制要求使用AO阀门定位器配置在0%和100%的行程之间。联锁调节阀在阀门定位器和执行器之间配置电磁阀DO信号实现联锁控制，电磁阀一般采用单电控电磁阀，实现控制阀执行机构仪表空气的供应和排放，实现联锁目标；切断阀的开度只有两个位置：全开和全关。必须配备电磁阀进行气路导通和切断控制DO信号使切断阀在全开全关状态下切换。控制阀单电磁阀有四种常用配置方案，如图1所示。
IA———仪表空气；QF———过滤减压阀；SV1-电磁阀；IP———阀门定位器；
V1-切断阀；V2-调节阀；SH———梭阀
图1
根据仪表空气故障时阀门的安全位置，气动控制阀分为气开（FC）和气关（FO）根据工艺安全生产要求，选择气开或气关。控制阀联锁由电磁阀实现，石化装置电磁阀一般按故障安全原则设计为：正常电励磁（图1a），失电联锁模式NE（图1d）。同时，火气系统负载设计为正常失电(图11)b），电联锁模式NDE（图1c）。
根据失效安全原则，图1a～d在不同状态时阀门处于全开、全关或调节状态，详见表1。由于调节阀在正常工作时，只有定位器输出仪表空气到达膜头才能实现阀门的精确定位，要求气路不能切断，所以图1c图1d不适合设计为正常电励磁、失电联锁。以通用两位三通电磁阀为例。
表1
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2 控制阀冗余电磁阀配置方案
安全联锁系统有两种方式：安全故障和危险故障。安全故障是指当系统发生显性故障时，触发安全联锁系统的动作，导致误停；危险故障是指系统在必要时无法产生动作。在使用非冗余单电磁阀时，电磁阀故障、线路或电源故障及DCS故障会导致控制阀误动作联锁，即安全故障，需要采取容错措施。为了提高可靠性，一般采用两位三通电磁阀冗余配置，实现功能热准备。两个电磁阀冗余适用于SIL1和SIL2安全级联锁系统采用单控制阀，配备电磁阀冗余配置。电磁阀安装在阀门定位器和执行机构之间，或电磁阀控制切断阀，具体配置为：两个独立的电磁阀，两个单独的信号线，两个不相同DCS但控制信号完全相同。实现方案有6种，如图2所示。
图2
图2e、f使用或门式梭阀，无论哪个气路单独通风，都可以与膜头通风；当两个气路同时通风时，压力高的膜头与道路相连，另一端关闭，实现或逻辑关系的冗余。
在冗余双电磁阀配置方案中，由于故障安全原则的不同设计，图2中的所有设计方案都处于完全打开、完全关闭或调整状态，详见表2。图2也存在c、f图2d不适合设计为正常得电励磁、失电联锁。
表2 冗余双电磁阀配置控制阀状态
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2.1 冗余双电磁阀配置特点
在图2所示的六种冗余双电磁阀配置方案中，有三种情况：
a．图2a、c中，电磁阀SV1和SV得电时工作，SV气路3-2导通，1、2截止，仪表空气进入膜头，控制阀动作，SV1-2截止日期，气路3-2导通，仪表空气到达SV2口1截止，在SV2出现故障而翻转时，仪表空气经SV1气路3-2和SV气路1-2到达膜头，控制阀动作。SV1和SV2失电时，控制阀膜头内仪表空气通过SV2气路2-1和SV气路2-1排空，控制阀动作。
b．图2b、d在工作状态下SV1和SV2失电，SV1和SV气路1-2导通，3-2截止，仪表空气进入膜头，控制阀动作。SV1和SV2.控制阀膜头内仪表空气通过SV2气路2-3排空，控制阀动作。SV1故障，仪表空气通过SV2气路2-1和SV气路2-3排空，控制阀联锁动作。
c．图2e、f中，SV1和SV得电时工作，SV2和SV1气路3-2导通，1-2截止，仪表空气两端压力高，膜头与其连接，另一端关闭，仪表空气进入膜头，控制阀动作。当任何电磁阀故障翻转时，电磁阀1-2导通放气，另一个电磁阀3-2继续导通，仪表空气进入气室，调节阀继续工作。实现正常工作冗余。
2.2 冗余双电磁阀配置对电磁阀的要求
在冗余双电磁阀配置方案中，当电磁阀处于电源或电源故障状态，电磁阀电路故障时，仪表的气流方向不同，对电磁阀的要求也不同，见表3。
表3 冗余双电磁阀类型要求
2.3 可靠性分析
冗余电磁阀有串联并联两种形式，其功能相当于系统并联。任何冗余电磁阀故障都不会影响系统的功能，只有当两个电磁阀都故障时，系统才不能正常工作。冗余电磁阀配置的可靠性数学关系如下：
故障概率F=F1·F2
可靠性R=1－F=1－[F1·F2］
式中F———冗余电磁阀配置系统的故障率；
F1、F2———SV1、SV2的故障率；
R———冗余电磁阀配置系统的可靠性。
假设两个冗余电磁阀的故障率为0.10(电磁阀的可靠性为0.90)，冗余电磁阀配置系统的故障率为0.01系统可靠性为0.与单个电磁阀相比，99的可靠性显著提高。
3 结束语
采用冗余电磁阀配置后，过程控制系统的执行终结者安全联锁控制阀的附件显著提高了其可靠性。实现电磁阀冗余配置需要两个独立的电磁阀，两个单独的信号线，两个不同DCS但卡的控制信号完全相同，冗余配置导致项目投资翻倍，需要做ALARP（AsLowAsRea-sonablyPracticable）经济分析用于评估引入冗余配置和额外投资带来的投资回报。
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