有時安全保護聯(lián)鎖的發(fā)生不是由于工藝過程異常造成的，而是由儀表本身的故障引起的。這種情況下會造成誤停車，對于某些特定的工藝過程，誤停車也會引起較大的經(jīng)濟損失。為了降低誤停車率，可以考慮引入冗余的配置，例如由2oo2代替1oo1，由2oo3(對于檢測單元而言)或者2oo4(對于閥門而言)代替1oo2，但這需要做ALARP(As Low As Reasonably Practicable)經(jīng)濟分析評估，用來評估由于引入冗余配置所帶來的額外投資能否帶來一定的投資回報率。該文主要討論采用雙電磁閥配置實現(xiàn)切斷閥電磁閥信號線路的冗余配置，以減少因電纜斷線引起的誤停車。
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，切斷閥配置的電磁閥一般設(shè)計成正常得電勵磁、失電聯(lián)鎖方式。有時電磁閥信號電纜斷線引起的誤聯(lián)鎖會引起較大的經(jīng)濟損失，這時也可以考慮設(shè)計成電磁閥正常失電、得電聯(lián)鎖方式。這種情況下一般需要設(shè)置信號電路檢測功能，即如果發(fā)生電磁閥信號電纜斷線時可以及時由SIS DO斷線檢測并報警，提示及時檢查線路并維修至正常，如果維修更換線路需要較長周期，則可以考慮改接備用電纜，最大限度地減少電磁閥控制線路非正常中斷的時間，減少因電磁閥線路斷線而不能執(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，1-2通；聯(lián)鎖“0”時，1-3通
圖2 FC、單電磁閥、失電聯(lián)鎖FC打開
注: 正常“1”時，1-3通；連鎖“0”時，1-2通；NE-正常勵磁
圖3 FC、單電磁閥、得電聯(lián)鎖FC打開
注: 正常“0”時，1-3通；聯(lián)鎖“1”時，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，電磁閥信號電纜斷線時，電磁閥失電，1-2通，儀表凈化風(fēng)通FC膜頭，F(xiàn)C打開(即聯(lián)鎖要求的FC位置)；圖3是得電聯(lián)鎖，電磁閥信號電纜斷線時，電磁閥失電，1-3通，F(xiàn)C膜頭放空，F(xiàn)C關(guān)閉(即FC氣源故障時對應(yīng)的閥位)。兩種配置各有優(yōu)缺點，圖2在無聯(lián)鎖情況下電磁閥信號電纜斷線時會出現(xiàn)誤動作；圖3在電磁閥信號電纜斷線且需要聯(lián)鎖觸發(fā)時會出現(xiàn)聯(lián)鎖不能執(zhí)行。
2、雙電磁閥配置
某些因誤停車而引起較大經(jīng)濟損失的工藝過程，可以采用雙電磁閥配置實現(xiàn)切斷閥電磁閥信號線路的冗余配置，以減少因電纜斷線引起的誤停車。氣路的設(shè)計原則有以下幾方面。
①雙電磁閥失電聯(lián)鎖配置
一個電磁閥失電，而另外一個電磁閥仍然勵磁時，失電電磁閥的失電被認為是由于信號電纜斷線引起，切斷閥仍然維持正常狀態(tài)，避免了因單根信號電纜斷線引起的誤停車。兩個電磁閥都失電時，失電被認為是由于聯(lián)鎖發(fā)生而引起的，聯(lián)鎖動作被執(zhí)行(說明: 如果有一個電磁閥故障，停留在勵磁時對應(yīng)的氣路，不能在失電時切換到對應(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
只要有一個電磁閥得電即被認為得電是由于聯(lián)鎖發(fā)生而引起的，聯(lián)鎖動作被執(zhí)行。有一路信號電纜斷線時，信號電纜沒有斷線的電磁閥在聯(lián)鎖發(fā)生時仍然可以得電勵磁執(zhí)行聯(lián)鎖動作，避免了因單根信號電纜斷線引起的聯(lián)鎖不能被執(zhí)行的問題(說明: 只要有一個電磁閥在勵磁時可以切換到對應(yīng)氣路，聯(lián)鎖發(fā)生時即可被順利執(zhí)行，改善了單電磁閥得電聯(lián)鎖配置中因電磁閥故障，得電不能切換到勵磁對應(yīng)氣路而引起聯(lián)鎖不能被執(zhí)行的問題)。
雙電磁閥狀態(tài)和切斷閥狀態(tài)對應(yīng)真值表見表1所列。
表1雙電磁閥狀態(tài)和切斷閥狀態(tài)對應(yīng)值
開雙電磁閥配置中，兩路信號電纜宜采用獨立路徑敷設(shè)。得電聯(lián)鎖配置中，聯(lián)鎖控制系統(tǒng)對信號電纜宜設(shè)置“Line Monitoring”，及時監(jiān)測到信號電纜斷線故障，并提示維護人員及時維修，一定程度上降低了因信號電纜斷線而不能執(zhí)行聯(lián)鎖的可能性。儲氣罐配置中，宜設(shè)置遠傳壓力指示報警。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: 正常“1”時，1-2通；聯(lián)鎖“0”時，1-3通
圖5 切斷閥FC、雙電磁閥、得電聯(lián)鎖FC關(guān)閉
注: 正常“0”時，1-2通；聯(lián)鎖“1”時，1-3通
圖6 切斷閥FO、雙電磁閥、失電聯(lián)鎖FC打開
注: 正常“1”時，1-2通；聯(lián)鎖“0”時，1-3通
圖7 切斷閥FO、雙電磁閥、得電聯(lián)鎖FC打開
注: 正常“0”時，1-3通；聯(lián)鎖“1”時，1-2通
圖8 切斷閥FC、雙電磁閥、失電聯(lián)鎖FC打開
注: 正常“1”時，1-2通；聯(lián)鎖“0”時，1-3通
圖9 切斷閥FC、雙電磁閥、得電聯(lián)鎖FC打開
注: 正常“0”時，1-3通；聯(lián)鎖“1”時，1-2通
3、邏輯圖
邏輯圖需要根據(jù)不同的工藝過程、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，圖10僅作示例性說明。該例為失電聯(lián)鎖，切斷閥關(guān)閉。現(xiàn)場設(shè)手動關(guān)/開閥按鈕，DCS或SIS設(shè)軟手動關(guān)/開閥按鈕，操作員可以根據(jù)需要在現(xiàn)場或控制室執(zhí)行關(guān)/開閥指令，其中開閥指令只有在沒有聯(lián)鎖條件存在或發(fā)生過聯(lián)鎖但已經(jīng)復(fù)位時才有效。
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)對應(yīng)關(guān)系見表1所列。如果沒有工藝過程參數(shù)參與聯(lián)鎖，只有現(xiàn)場和控制室手動關(guān)/開閥按鈕，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，也可以考慮將手動開閥指令和復(fù)位指令做“OR”運算后，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RS觸發(fā)器。
4、方案選擇中應(yīng)考慮的問題
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、誤停車的可能性、故障安全性、硬件投資費用等，并充分考慮邏輯不能執(zhí)行而產(chǎn)生的經(jīng)濟、人身、環(huán)境方面的影響和誤停車造成的經(jīng)濟損失。
實際方案需要考慮到HAZOP，IPF Study，SIL評級，ALARP經(jīng)濟分析評估等方面，需要考慮監(jiān)測單元、執(zhí)行元件、SIS等的總體配置。
表2對圖1～9的不同方案在不同的側(cè)面做了示意性的比較，每個方案都按高、中、低三個等級做示意性比較。表3以圖4為例示意性地說明了高、中、低三個等級劃分的依據(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式低功耗通用型。工作原理: 通電時，電磁線圈產(chǎn)生電磁力克服彈簧力，使得對應(yīng)氣路導(dǎo)通，比如電磁閥進氣口和工作口相通；斷電時，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電磁閥勵磁時無法對應(yīng)相應(yīng)氣路的原因: 電源接線是否不良；電源電壓是否在工作范圍；線圈是否脫焊；線圈是否燒壞；有雜質(zhì)使電磁閥閥芯卡死。
②電磁閥失電時無法對應(yīng)相應(yīng)氣路的原因: 閥芯密封件已損壞；有雜質(zhì)進入電磁閥閥芯；彈簧壽命已到或變形；節(jié)流孔平衡孔堵塞。通常情況下，電磁閥勵磁時無法對應(yīng)相應(yīng)氣路的故障概率要大于電磁閥失電類的故障概率。
③對于單電磁閥配置而言，失電聯(lián)鎖在故障安全性方面要遠好于得電聯(lián)鎖。
1)失電聯(lián)鎖不能執(zhí)行聯(lián)鎖的因素: 電磁閥失電時不能處在相對應(yīng)的氣路。
2)得電聯(lián)鎖不能執(zhí)行聯(lián)鎖的因素: 信號電纜斷線；控制室電源故障；電磁閥勵磁時不能處在相對應(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: 兩個電磁閥中任何一個電磁閥失電時不能處在相對應(yīng)的氣路。
2)得電聯(lián)鎖不能執(zhí)行聯(lián)鎖的因素: 兩路信號電纜全部斷線；兩路聯(lián)鎖信號控制室電源全部故障；兩個電磁閥勵磁時都不能處在相對應(yīng)的氣路。
6、應(yīng)用舉例
電磁閥配置圖4方案在UOP項目燃料氣線、長明燈線等場合和雪佛龍項目防止BACKFLOW等場合有應(yīng)用實例；圖6方案在UOP項目緊急泄壓和雪佛龍項目緊急泄壓等場合有應(yīng)用實例；圖7方案在殼牌項目緊急泄壓及某些工藝過程等場合有應(yīng)用實例；圖8方案在UOP項目緊急泄壓等場合有應(yīng)用實例；圖9方案在殼牌項目緊急泄壓等場合有應(yīng)用實例。
7、結(jié)束語
提高裝置安全性和有效防止誤停車在石油化工裝置中起著重要的作用，設(shè)計中需要綜合考慮，按照ALARP原則采用合理的工程設(shè)計。采用雙電磁閥配置實現(xiàn)切斷閥電磁閥信號線路的冗余配置，以減少因電纜斷線引起誤停車的設(shè)計模式在很多石油化工裝置中有著很好的應(yīng)用實例，為一種有效的設(shè)計。
作者：范詠峰
