有時(shí)安全保護(hù)聯(lián)鎖的發(fā)生不是由于工藝過(guò)程異常造成的，而是由儀表本身的故障引起的。這種情況下會(huì)造成誤停車(chē)，對(duì)于某些特定的工藝過(guò)程，誤停車(chē)也會(huì)引起較大的經(jīng)濟(jì)損失。為了降低誤停車(chē)率，可以考慮引入冗余的配置，例如由2oo2代替1oo1，由2oo3(對(duì)于檢測(cè)單元而言)或者2oo4(對(duì)于閥門(mén)而言)代替1oo2，但這需要做ALARP(As Low As Reasonably Practicable)經(jīng)濟(jì)分析評(píng)估，用來(lái)評(píng)估由于引入冗余配置所帶來(lái)的額外投資能否帶來(lái)一定的投資回報(bào)率。該文主要討論采用雙電磁閥配置實(shí)現(xiàn)切斷閥電磁閥信號(hào)線(xiàn)路的冗余配置，以減少因電纜斷線(xiàn)引起的誤停車(chē)。
1、單電磁閥配置
石油化工裝置儀表聯(lián)鎖一般按故障安全型設(shè)計(jì)，切斷閥配置的電磁閥一般設(shè)計(jì)成正常得電勵(lì)磁、失電聯(lián)鎖方式。有時(shí)電磁閥信號(hào)電纜斷線(xiàn)引起的誤聯(lián)鎖會(huì)引起較大的經(jīng)濟(jì)損失，這時(shí)也可以考慮設(shè)計(jì)成電磁閥正常失電、得電聯(lián)鎖方式。這種情況下一般需要設(shè)置信號(hào)電路檢測(cè)功能，即如果發(fā)生電磁閥信號(hào)電纜斷線(xiàn)時(shí)可以及時(shí)由SIS DO斷線(xiàn)檢測(cè)并報(bào)警，提示及時(shí)檢查線(xiàn)路并維修至正常，如果維修更換線(xiàn)路需要較長(zhǎng)周期，則可以考慮改接備用電纜，最大限度地減少電磁閥控制線(xiàn)路非正常中斷的時(shí)間，減少因電磁閥線(xiàn)路斷線(xiàn)而不能執(zhí)行聯(lián)鎖的可能性。圖1～3所示為幾種應(yīng)用示例，其中圖3為一種得電聯(lián)鎖示例。
圖1 切斷閥(FC)、單電磁閥、失電聯(lián)鎖FC關(guān)閉
注: 正常“1”時(shí)，1-2通；聯(lián)鎖“0”時(shí)，1-3通
圖2 FC、單電磁閥、失電聯(lián)鎖FC打開(kāi)
注: 正常“1”時(shí)，1-3通；連鎖“0”時(shí)，1-2通；NE-正常勵(lì)磁
圖3 FC、單電磁閥、得電聯(lián)鎖FC打開(kāi)
注: 正?！?”時(shí)，1-3通；聯(lián)鎖“1”時(shí)，1-2通；NDE-正常失電
圖2和圖3的區(qū)別在于圖2是失電聯(lián)鎖，電磁閥信號(hào)電纜斷線(xiàn)時(shí)，電磁閥失電，1-2通，儀表凈化風(fēng)通FC膜頭，F(xiàn)C打開(kāi)(即聯(lián)鎖要求的FC位置)；圖3是得電聯(lián)鎖，電磁閥信號(hào)電纜斷線(xiàn)時(shí)，電磁閥失電，1-3通，F(xiàn)C膜頭放空，F(xiàn)C關(guān)閉(即FC氣源故障時(shí)對(duì)應(yīng)的閥位)。兩種配置各有優(yōu)缺點(diǎn)，圖2在無(wú)聯(lián)鎖情況下電磁閥信號(hào)電纜斷線(xiàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作；圖3在電磁閥信號(hào)電纜斷線(xiàn)且需要聯(lián)鎖觸發(fā)時(shí)會(huì)出現(xiàn)聯(lián)鎖不能執(zhí)行。
2、雙電磁閥配置
某些因誤停車(chē)而引起較大經(jīng)濟(jì)損失的工藝過(guò)程，可以采用雙電磁閥配置實(shí)現(xiàn)切斷閥電磁閥信號(hào)線(xiàn)路的冗余配置，以減少因電纜斷線(xiàn)引起的誤停車(chē)。氣路的設(shè)計(jì)原則有以下幾方面。
①雙電磁閥失電聯(lián)鎖配置
一個(gè)電磁閥失電，而另外一個(gè)電磁閥仍然勵(lì)磁時(shí)，失電電磁閥的失電被認(rèn)為是由于信號(hào)電纜斷線(xiàn)引起，切斷閥仍然維持正常狀態(tài)，避免了因單根信號(hào)電纜斷線(xiàn)引起的誤停車(chē)。兩個(gè)電磁閥都失電時(shí)，失電被認(rèn)為是由于聯(lián)鎖發(fā)生而引起的，聯(lián)鎖動(dòng)作被執(zhí)行(說(shuō)明: 如果有一個(gè)電磁閥故障，停留在勵(lì)磁時(shí)對(duì)應(yīng)的氣路，不能在失電時(shí)切換到對(duì)應(yīng)的氣路，則聯(lián)鎖不能被執(zhí)行，但出現(xiàn)這種故障的可能性較小，參見(jiàn)文中第5部分“電磁閥工作原理及故障分析”中的相關(guān)描述)。
②雙電磁閥得電聯(lián)鎖配置
只要有一個(gè)電磁閥得電即被認(rèn)為得電是由于聯(lián)鎖發(fā)生而引起的，聯(lián)鎖動(dòng)作被執(zhí)行。有一路信號(hào)電纜斷線(xiàn)時(shí)，信號(hào)電纜沒(méi)有斷線(xiàn)的電磁閥在聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)仍然可以得電勵(lì)磁執(zhí)行聯(lián)鎖動(dòng)作，避免了因單根信號(hào)電纜斷線(xiàn)引起的聯(lián)鎖不能被執(zhí)行的問(wèn)題(說(shuō)明: 只要有一個(gè)電磁閥在勵(lì)磁時(shí)可以切換到對(duì)應(yīng)氣路，聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)即可被順利執(zhí)行，改善了單電磁閥得電聯(lián)鎖配置中因電磁閥故障，得電不能切換到勵(lì)磁對(duì)應(yīng)氣路而引起聯(lián)鎖不能被執(zhí)行的問(wèn)題)。
雙電磁閥狀態(tài)和切斷閥狀態(tài)對(duì)應(yīng)真值表見(jiàn)表1所列。
表1雙電磁閥狀態(tài)和切斷閥狀態(tài)對(duì)應(yīng)值
開(kāi)雙電磁閥配置中，兩路信號(hào)電纜宜采用獨(dú)立路徑敷設(shè)。得電聯(lián)鎖配置中，聯(lián)鎖控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)電纜宜設(shè)置“Line Monitoring”，及時(shí)監(jiān)測(cè)到信號(hào)電纜斷線(xiàn)故障，并提示維護(hù)人員及時(shí)維修，一定程度上降低了因信號(hào)電纜斷線(xiàn)而不能執(zhí)行聯(lián)鎖的可能性。儲(chǔ)氣罐配置中，宜設(shè)置遠(yuǎn)傳壓力指示報(bào)警。切斷閥宜采用彈簧復(fù)位型。雙電磁閥配置如圖4～9所示。
圖4 切斷閥FC、雙電磁閥、失電聯(lián)鎖FC關(guān)閉
注: 正?！?”時(shí)，1-2通；聯(lián)鎖“0”時(shí)，1-3通
圖5 切斷閥FC、雙電磁閥、得電聯(lián)鎖FC關(guān)閉
注: 正?！?”時(shí)，1-2通；聯(lián)鎖“1”時(shí)，1-3通
圖6 切斷閥FO、雙電磁閥、失電聯(lián)鎖FC打開(kāi)
注: 正?！?”時(shí)，1-2通；聯(lián)鎖“0”時(shí)，1-3通
圖7 切斷閥FO、雙電磁閥、得電聯(lián)鎖FC打開(kāi)
注: 正?！?”時(shí)，1-3通；聯(lián)鎖“1”時(shí)，1-2通
圖8 切斷閥FC、雙電磁閥、失電聯(lián)鎖FC打開(kāi)
注: 正?！?”時(shí)，1-2通；聯(lián)鎖“0”時(shí)，1-3通
圖9 切斷閥FC、雙電磁閥、得電聯(lián)鎖FC打開(kāi)
注: 正?！?”時(shí)，1-3通；聯(lián)鎖“1”時(shí)，1-2通
3、邏輯圖
邏輯圖需要根據(jù)不同的工藝過(guò)程、工藝聯(lián)鎖和操作要求及不同的儀表配置做具體分析設(shè)計(jì)，圖10僅作示例性說(shuō)明。該例為失電聯(lián)鎖，切斷閥關(guān)閉。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)手動(dòng)關(guān)/開(kāi)閥按鈕，DCS或SIS設(shè)軟手動(dòng)關(guān)/開(kāi)閥按鈕，操作員可以根據(jù)需要在現(xiàn)場(chǎng)或控制室執(zhí)行關(guān)/開(kāi)閥指令，其中開(kāi)閥指令只有在沒(méi)有聯(lián)鎖條件存在或發(fā)生過(guò)聯(lián)鎖但已經(jīng)復(fù)位時(shí)才有效。
圖10 單/雙電磁閥、失電聯(lián)鎖，F(xiàn)C關(guān)閉
雙電磁閥狀態(tài)和FC狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1所列。如果沒(méi)有工藝過(guò)程參數(shù)參與聯(lián)鎖，只有現(xiàn)場(chǎng)和控制室手動(dòng)關(guān)/開(kāi)閥按鈕，可以取消RS觸發(fā)器。根據(jù)操作崗位劃分和不同工藝要求，也可以考慮將手動(dòng)開(kāi)閥指令和復(fù)位指令做“OR”運(yùn)算后，接入RS觸發(fā)器的復(fù)位端R端或不單設(shè)復(fù)位按鈕，這樣可以取消一個(gè)RS觸發(fā)器。
4、方案選擇中應(yīng)考慮的問(wèn)題
方案的選擇需要綜合考慮各方面的因素，主要包括邏輯不能執(zhí)行的可能性、誤停車(chē)的可能性、故障安全性、硬件投資費(fèi)用等，并充分考慮邏輯不能執(zhí)行而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)、人身、環(huán)境方面的影響和誤停車(chē)造成的經(jīng)濟(jì)損失。
實(shí)際方案需要考慮到HAZOP，IPF Study，SIL評(píng)級(jí)，ALARP經(jīng)濟(jì)分析評(píng)估等方面，需要考慮監(jiān)測(cè)單元、執(zhí)行元件、SIS等的總體配置。
表2對(duì)圖1～9的不同方案在不同的側(cè)面做了示意性的比較，每個(gè)方案都按高、中、低三個(gè)等級(jí)做示意性比較。表3以圖4為例示意性地說(shuō)明了高、中、低三個(gè)等級(jí)劃分的依據(jù)。
表2 不同方案的比較方案故障
表3以圖4方案示例的等級(jí)劃分依據(jù)
5、電磁閥工作原理及故障分析
電磁閥一般選用直動(dòng)式低功耗通用型。工作原理: 通電時(shí)，電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生電磁力克服彈簧力，使得對(duì)應(yīng)氣路導(dǎo)通，比如電磁閥進(jìn)氣口和工作口相通；斷電時(shí)，電磁力消失，在彈簧力的作用下轉(zhuǎn)換氣路，比如電磁閥放空口和工作口相通。
①電磁閥勵(lì)磁時(shí)無(wú)法對(duì)應(yīng)相應(yīng)氣路的原因: 電源接線(xiàn)是否不良；電源電壓是否在工作范圍；線(xiàn)圈是否脫焊；線(xiàn)圈是否燒壞；有雜質(zhì)使電磁閥閥芯卡死。
②電磁閥失電時(shí)無(wú)法對(duì)應(yīng)相應(yīng)氣路的原因: 閥芯密封件已損壞；有雜質(zhì)進(jìn)入電磁閥閥芯；彈簧壽命已到或變形；節(jié)流孔平衡孔堵塞。通常情況下，電磁閥勵(lì)磁時(shí)無(wú)法對(duì)應(yīng)相應(yīng)氣路的故障概率要大于電磁閥失電類(lèi)的故障概率。
③對(duì)于單電磁閥配置而言，失電聯(lián)鎖在故障安全性方面要遠(yuǎn)好于得電聯(lián)鎖。
1)失電聯(lián)鎖不能執(zhí)行聯(lián)鎖的因素: 電磁閥失電時(shí)不能處在相對(duì)應(yīng)的氣路。
2)得電聯(lián)鎖不能執(zhí)行聯(lián)鎖的因素: 信號(hào)電纜斷線(xiàn)；控制室電源故障；電磁閥勵(lì)磁時(shí)不能處在相對(duì)應(yīng)的氣路。
④雙電磁閥配置失電聯(lián)鎖和得電聯(lián)鎖在故障安全性方面比較。
1)失電聯(lián)鎖不能執(zhí)行聯(lián)鎖的因素: 兩個(gè)電磁閥中任何一個(gè)電磁閥失電時(shí)不能處在相對(duì)應(yīng)的氣路。
2)得電聯(lián)鎖不能執(zhí)行聯(lián)鎖的因素: 兩路信號(hào)電纜全部斷線(xiàn)；兩路聯(lián)鎖信號(hào)控制室電源全部故障；兩個(gè)電磁閥勵(lì)磁時(shí)都不能處在相對(duì)應(yīng)的氣路。
6、應(yīng)用舉例
電磁閥配置圖4方案在UOP項(xiàng)目燃料氣線(xiàn)、長(zhǎng)明燈線(xiàn)等場(chǎng)合和雪佛龍項(xiàng)目防止BACKFLOW等場(chǎng)合有應(yīng)用實(shí)例；圖6方案在UOP項(xiàng)目緊急泄壓和雪佛龍項(xiàng)目緊急泄壓等場(chǎng)合有應(yīng)用實(shí)例；圖7方案在殼牌項(xiàng)目緊急泄壓及某些工藝過(guò)程等場(chǎng)合有應(yīng)用實(shí)例；圖8方案在UOP項(xiàng)目緊急泄壓等場(chǎng)合有應(yīng)用實(shí)例；圖9方案在殼牌項(xiàng)目緊急泄壓等場(chǎng)合有應(yīng)用實(shí)例。
7、結(jié)束語(yǔ)
提高裝置安全性和有效防止誤停車(chē)在石油化工裝置中起著重要的作用，設(shè)計(jì)中需要綜合考慮，按照ALARP原則采用合理的工程設(shè)計(jì)。采用雙電磁閥配置實(shí)現(xiàn)切斷閥電磁閥信號(hào)線(xiàn)路的冗余配置，以減少因電纜斷線(xiàn)引起誤停車(chē)的設(shè)計(jì)模式在很多石油化工裝置中有著很好的應(yīng)用實(shí)例，為一種有效的設(shè)計(jì)。
作者：范詠峰
