电磁阀冗余配置在控制阀上的应用

电磁阀冗余配置在控制阀上的应用

李军怀

（中核核电运行管理有限公司浙江海盐314300）

摘要：对于核电厂来说，控制阀对其工艺系统具有十分重要的作用，而随着安全生产要求的不断提高，如何保证控制阀运行的稳定性和安全性成为了当下企业特别重视和研究的主要问题之一。一旦控制阀出现误动作，那么就可能造成系统故障，进而带来一定的经济损失，为了有效的避免这种控制阀误动作的发生，冗余配置的应用成为了解决这一问题的最佳途径。本文对双电磁阀配置中控制阀电磁阀冗余配置进行一定的探讨，对双电磁阀中关键联锁控制阀的运行可靠性进行分析。

关键词：电磁阀；冗余配置方案；联锁；可靠性；控制阀

一、前言

在科学技术快速发展的今天，控制系统运行的稳定性和可靠性对核电运行企业来说具有十分重要的意义，而为了有效地提高控制系统运行的可靠性，冗余技术应用得到了广泛的推广。在DCS控制系统中，电源、I/O卡件、主控器以及数据转换卡等冗余配置与系统可靠性之间存在着十分密切的关系。另外对于核电运行企业生产环节来说，信号之间的联锁对整个生产系统的安全性具有一定的影响，因此要求仪表安全保护系统的设计应当符合相关的标准和要求。通常情况下，安全保护联锁情况的发生可能是由工艺过程出现异常所引起的，有时也可能是由仪表自身存在的缺陷所导致的，而后者引发的故障可能会造成误停车动作的发生，这将会对某些生产环节产生不利的影响，进而造成一定的经济损失。

二、控制阀单电磁阀配置介绍

通常情况下，控制阀配置主要以两位三通单电控制型电磁阀为主，其中电磁阀主要有常闭型、常开型以及通用型三种。其中常闭型—在失电情况下，压力口处于关闭状态，而排气口则与气缸口进行连接；在得电情况下，压力口会与气缸口进行连接，而排气口则处于关闭状态。常开型—在失电情况下，压力口与缸口进行连接，排气口处于关闭状态；在得电情况下，压力口处于关闭状态，而气缸口与排气口进行处于连接状态。通用型—允许阀处于常闭或者是常开状态，或者是由一个口转化流至到另一口。

在生产过程中，控制阀开度控制以连续变化情况为依据可以分为两类，它们分别是调节阀和切断阀。其中调节阀是以过程控制要求为基础，通过利用AO信号来对0%-100%行程进行准确的定位，并配置阀门定位器。而联锁调节阀的电磁阀配置位置则主要是阀门定位器及其执行机构之间，并通过利用DO信号实现联锁控制目标，其中所使用的电磁阀主要以单电控制型电磁阀为主，以有效的控制控制阀执行机构仪表空气的供给和排放，保证联锁目标的实现。切断阀开度与调节阀不同，其只有两个位置，即群开或者是全关，因此配置电磁阀的目的就是对气路导通或者是切断状态进行控制，而这一目标的实现是通过利用DO信号完成的。通过DO信号可以对切断阀全开和全关两个状态的转换进行控制，而控制阀单电磁阀配置方案主要有以下几种，如图1所示。

IA—仪表空气；QF—过滤减压阀；SVI—电磁阀；IP—阀门定位器；V1—切断阀；V2--调节阀；SH—梭阀

气动控制阀以仪表空气故障状态下阀门安全位置为依据可以分为两种，它们分别是气开（FC）和气关（FO），而气开和气关状态的选择则是结合具体生产过程中的安全要求再行确定的。电磁阀是控制阀点所实现的基础，例如中核核电运行有限管理公司，其生产装置在进行电磁阀失效安全设计的过程中设计依据为正常得电励磁，如图1中a所示，失电联锁方式NE，如图1中d所示。另外其火气系统负载设计为：正常失电，如图1中b所示，得电联锁方式NDE，如图其中c所示。

通过对失效安全原则的分析可知，图其中a-d四种状态下，阀门所处状态为全开、调节或者是全关状态，具体情况如表1所示。调节阀处于正常工作状态时，其定位器输出仪表空气到达膜头才能够保证阀门定位的准确性和精确行，因此气路切不可处于切断状态，故而图1中c方案在“正常失电、联锁得电励磁”设计中不适用，而图1中d方案在“正常得电励磁、失电联锁”设计中不适用，下面结合通用型两位三通电磁阀进行说明。

三、控制阀冗余电磁阀配置方案分析

安全联锁系统主要有两种方式，分别为安全失效和危险失效。其中安全失效方式为，系统若发生显性故障时，安全联锁系统动作会被触动，从而出现误停车动作。而危险失效方式则为，若系统存在故障隐患时，在生产过程中，系统无法根据生产要求完成动作。通过一定的实践证明，在非冗余单电磁阀应用过程中，电磁阀故障、电源故障、线路故障以及DCS故障等都可能引发控制阀误动作联锁，也就是发生安全失效，这时必须及时采取容错措施，而为了进一步保证和提高可靠性，通常情况下可以通过两个两位三通电磁阀冗余配置的应用保证功能热备。其中这两个电磁阀冗余可以应用在SIL1和SIL2安全度等级联锁系统中，以单一控制阀方式，配套电磁阀冗余配置。电磁阀安装位置在阀门定位器和执行机构之间，或者是也可以独立配置电磁阀控制切断阀，其具体配置方式为：独立电磁阀两个、分开铺设的信号线路两条、不在同一DCS卡件中但是相同的控制信号，其实现方案有6种，具体如图2所示。通过对图2分析发现e、f方案中使用门型梭阀，且其中任何一条气路都是独立通气的，都能够导通与其膜头的通路。而拖两条气路都处于通气状态时，膜头压力高就会与该条气路相连通，而另一端则处于关闭状态，以“或”的逻辑关系应用达到冗余目标。

3.3可靠性分析

冗余电磁阀配置主要有两种形式，即串联和并联，其功能与系统并联是一致，在运行过程中，无论是哪一个冗余电磁阀出现失效故障，系统的功能都不会受到影响，但是若是两个电磁阀出现失效故障，那么系统运行将无法正常进行。冗余电磁阀配置可靠性的数学表达如下：

故障概率F=F1·F2

可靠性R=1-F=1-（F1·F2），

式中F代表冗余电磁阀配置系统的故障率；F1、F2则分别为SV1和SV2的故障率；R为荣誉电磁阀配置系统的可靠度。设定两个冗余电磁阀故障率值为0.10，那么由这两个冗余电磁阀组合而成的系统的故障率为0.01，则系统可靠度为0.99，该值与单电电磁阀配置相比，可靠性明显提高。

四、结论

综上所述，核电系统运行的稳定型对整个核电运行企业的发展来说具有十分重要的意义，因此在进行系统设计的过程中，应当从多方面进行考虑，通过双电磁阀配置的应用，实现电磁阀信号线路冗余配置的目标，降低系统运行的误动作的发生概率。

参考文献：

[1]周兴祥.变量喷施系统电磁阀响应时间对液压冲击的影响[J].农业工程学报，2016（05）

[2]李华乐.基于试验数据的高速电磁阀建模及动态相应特性分析[J].车用发动机，2016（02）

[3]朱明健.SCR尿素溶液喷射器电磁阀响应特性研究[J].现代车用动力，2016（01）

作者简介：

姓名：李军怀；出生年月：1984.9；性别：男；民族：汉；籍贯：甘肃陇西；学历：本科；研究方向：核电厂仪表检修；单位：中核核电运行管理有限公司。