石油化工装置中控制阀的安全保护

随着石油化工生产装置生产规模的不断扩大，工艺反应过程的日益复杂，事故的发生率和危害度越来越受到重视[1]，安全保护系统已成为当今石油化工装置重要的组成部分。安全保护系统是由检测元件、各种I/O卡件、逻辑运算单元（控制单元）、zui终执行元件及它们之间的信号传输关系构成一个完整的仪表系统[2]。zui终执行元件控制阀的安全保护已成为安全保护系统各个环节中的zui为关键的部分，亦已成为设计者和过程维护人员非常关注的问题。石油化工生产装置中控制阀的各种构成形式和数量繁多，本文就控制阀的安全联锁保护和信号失效安全自锁保护两大方面重点详细地进行阐述。1 控制阀的安全联锁保护[1]保护系统是专用于对装置中潜在的危险或不采取措施可能产生危险的事件发生响应，以减轻危险发生的后果或防止危险发生的系统。控制阀安装在工艺设备和管道的介质流程上，对工艺介质流量的大小和打开关闭起着全过程的控制作用。控制阀的安全联锁保护是指用于操作监视装置（或独立单元）所属的控制阀，如果外部条件或过程参数超出了安全操作范围，通过对气动控制阀的附件电磁阀或电动控制阀电源的不同控制要求，就可以使过程进入安全状态，以确保监视装置（或独立单元）随之进入安全状态[3]。1.1 气动控制阀的安全联锁保护 1.1.1 单作用执行机构控制阀安全联锁保护单作用气动控制阀使用膜头或活塞式弹簧执行机构，安全联锁动作时关闭或打开控制阀。应用如图1所示。

若联锁关闭，气开式控制阀正常操作时，控制阀气源正常，阀打开；联锁发生时，阀气源切断，阀关闭。若联锁打开，气关式控制阀正常操作时，阀气源正常，阀关闭；联锁发生时，控制阀气源切断，阀打开。1.1.2双作用执行机构控制阀安全联锁保护双作用气动控制阀使用弹簧复位或无弹簧执行机构，安全联锁动作时关闭或打开控制阀。其应用如图2所示。

若联锁关闭，控制阀正常操作时，控制阀气源正常，1-3，2-4为通路，阀打开；联锁发生时，控制阀气源进气改变，1-4，2-3为通路，阀关闭。若联锁打开，控制阀正常操作时，控制阀气源正常，1-4，2-3为通路，阀关闭；联锁发生时，控制阀气源进气改变，1-3，2-4为通路，阀打开。1.1.3气动控制阀安全联锁保护气动控制阀用于安全联锁动作时，在气源信号线上增加电磁阀，电磁阀的配气由I/P阀门定位器调节，安全联锁动作时，关闭或打开控制阀。其应用如图3所示。

若联锁关闭，气开式控制阀正常操作时，控制阀气源正常，1-3为通路，2关闭，阀由I/P阀门定位器调节；联锁发生时，控制阀气源进气改变，2-3为通路，1关闭，气开式控制阀关闭。若联锁打开，气关式控制阀正常操作时，控制阀气源正常，1-3为通路，2关闭，阀由I/P阀门定位器调节；联锁发生时，控制阀气源进气改变，2-3为通路，1关闭，气关式控制阀打开。1.2电动控制阀的安全联锁保护电动控制阀的电动执行器是以220V交流单项电源作为驱动电源，接受来自调节器的毫安信号或电压控制信号来进行工作的。现在国内的电动控制阀大多采用进口的日本工装电子式电动执行器，电子式控制单元常被设计成黑匣子形式，并用树脂浇铸，驱动电机采用交流可逆电机，可以正驱动或反驱动；驱动量的反馈检测采用高性能的、高可靠性的电位器，以实现控制调节功能。切断或调节电动控制阀的安全联锁保护归根结底是通过安全联锁信号对驱动电机的驱动电源的控制，以实现驱动电机的正转或反转，来达到对控制阀的打开或关闭的目的。因此只要将安全联锁信号作为接点信号接人电动控制阀的电源控制回路中，当安全联锁信号动作时，也就是接点信号动作，使得正驱动电源或反驱动电源接通，实现控制阀的打开或关闭。图4所示为电动控制阀较复杂的安全联锁保护接线图，通过接入定时器联锁控制电动控制阀的打开和关闭。在图4行2中，引入安全联锁保护接点信号，接点闭合时，继电器4503KA线圈得电，行3中4503KA常开接点7-4闭合，定时器KA-4502A开始计时，行4中4503KA常开接点8-5闭合，继电器4503KA1线圈得电，行6中4503KA1常开接点7-4闭合，电动控制阀4503KA3正转，阀门打开；当定时器KA-4502A计时到设定值时，其触点动作，行4中定时器KA-4502A常闻接点8-5打开，继电器4503KA1线圈失电，行6中4503KA1常开接点7-4打开，电动控制阀4503KA3正转失电，同时行5中KA-4502A触点8-6闭合，继电器4503KA2线圈得电，行6中4503KA2常开接点7-4闭合，电动控制阀4503KA3反转得电，阀门关闭。

2信号失效控制阀的安全自锁保护[4]控制阀的失效安全自锁保护是指非安全联锁保护信号以外的控制阀本身的控制信号过低或没有时，执行结构没有信号动力来源的情况下，控制阀本身对自我安全的一种保护措施。对于气动控制阀是指当控制阀控制供气压低于预先确定的值时，执行机构的活塞或类似膜头结构会移至气缸的顶部或底部，充满供气压力的储气罐在供气压力失去时会给执行机构提供负载压力，这样就可以把活塞或膜头移到所需要的位置；当供气压力恢复正常时，自动操作回到原来的控制调节状态，同时储气罐被重新充气，以备下一次控制阀的失效安全时重新使用。对于电动控制阀是指当控制阀运转的毫安或电压输入信号断电时，电子执行机构会执行相应的操作，使输出轴停在相应的位置，而达到控制阀的失效安全时处于安全保护状态。2.1信号失效气动控制阀安全保护气动锁定系统与气动控制阀一起使用时，可以在气动控制阀失去供气压力时锁定执行机构当前的负载压力，且这种气动锁定系统与储气罐一起使用时，在失去气源压力时把阀门移至全开、全关或保持原位。在功能上类似的结构也可以提供给薄膜执行机构的控制阀，典型适用于气缸活塞执行机构的气动控制阀信号失效安全保护。2.1.1信号失效气动控制阀全开或全关安全保护在图5中，1号管路为仪表供气管路，2号管路为给气缸顶部压力的管路，3号管路为给气缸顶部控制压力的管路，4号管路为给气缸底部压力的管路，5号管路为给气缸底部控制压力的管路，6号为锁定部件上下膜片来回运动的排气口，7号为储气罐提供给气缸底部的供气口，8号为储气罐提供给气缸顶部的供气口，9号管路为储气罐提供给控制部件供气压力的管路，10号管路为储气罐提供给气缸顶部或底部供气压力的管路。

在图5中，当控制阀信号失效时，储气罐提供气缸顶部的供气压力，气缸底部的供气压力被排空，给气缸底部和气缸顶部的控制压力被阻断，锁定部件下膜片的加载压力被排空，储气罐给气缸顶部提供的压力，会将阀门推至全关的位置，使控制阀在信号失效时处于关闭的安全状态。在图6中，各个数字标志说明同图5。当控制阀信号失效时，储气罐提供气缸底部的供气压力，气缸顶部的供气压力被排空，给气缸顶部和底部的控制压力被阻断，锁定部件的下膜片的加载压力被排空，储气罐给气缸底部提供的压力，会将阀门推至全开的位置，使控制阀在信号失效时处于全开的安全状态。

2.1.2信号失效气动控制阀保持安全保护在图7中，各个数字标志说明同图5。当控制阀信号失效时，储气罐同时提供气缸顶部和底部的供气压力，给气缸顶部和底部的控制压力被阻断，锁定部件下膜片的加载压力被排空，储气罐给气缸顶部和底部同时提供同样的压力，会将阀门的活塞锁定在信号失效时原来的位置，这样使控制阀的执行机构保持不动，使控制阀信号失效处于保持的安全状态，达到工艺所需要的安全状态。

在以上的信号失效控制阀安全保护示意图中，止回阀在信号失效时，会保证储气罐的储气压力输送到气缸的顶部、底部或顶部和底部。当供气压力恢复到正常时，止回阀恢复到原来的位置，以保证储气罐充满所需要的气压，以备下次信号失效时继续发挥它的作用。2.2信号失效电动控制阀的安全保护电动控制阀的关键部件在于其内部树脂浇铸的控制器，其接受来自调节器的毫安或电压信号和来自开度检测器的开度信号，将两信号相比较并放大，向消除其差值的方向驱动和控制电机，其结果是使得来自调节器信号和开度信号之间的偏差被减小，当偏差消除时控制部分令电机停止在该位置上，达到调节和控制的目的。当信号失效时，输出轴在相应的时间内仍处于运转状态，如果没有相应的控制措施，会停留在某一个位置，而失去对电动控制阀的安全保护。根据工艺过程的需要，在电动控制阀的设计选型和安装过程中，就应该注意到信号失效时电动控制阀的安全保护。在图8电动控制阀电子式执行器内部接线图中，信号失效时根据工艺过程的需要使阀门开度仍然处于信号失效前的位置时，将图中的3和4断开，接通5，就可以使输出轴停止在原位置，使阀门开度保持不变。

在图8中，信号失效时根据工艺过程的需要使阀门全部打开时，将4和5断开，接通3，就可以使输出轴继续运转到上限限位开关动作后停止，使阀门全开。信号失效时根据工艺过程的需要使阀门全部关闭时，将图中的3和5断开，接通4，就可以使输出轴继续运转到下限限位开关动作后停止，使阀门关闭。

3结束语当今石油化工装置中的控制阀的种类和形式多种多样，控制阀的安全保护措施也会出现各种不同的情况。对于控制阀的安全联锁保护中气动控制阀联锁要求的不同形式，就需要考虑到电磁阀的阀体材质、压力等级、允许压差、流通能力、工艺连接形式、电磁阀的触点形式、防爆等级、防护等级等各方面的要求；对于控制阀的安全联锁保护中电动控制阀联锁要求的不同形式，就需要考虑到电子执行机构的形式、电源规格、触点形式、联锁动作的时间等各方面的要求。对于信号失效气动控制阀的安全保护，就需要考虑到气动控制阀的控制信号压力，储气罐的容积、各管路的气压、工艺过程等各方面的要求；对于信号失效电动控制阀的安全保护，就需要考虑到电动控制阀的控制信号类型、电源规格、工艺过程等各方面的要求等。因此在工程设计中考虑安全设计、选型、配置时，必须根据安全保护的设计原则和相关要求，标准规范，结合工艺过程的安全要求，仔细推敲斟酌控制阀安全保护设计的每个环节，确保控制阀在工艺过程发生危险情况下真正发挥安全保护的作用。参考文献：1唐丹蓉.电磁阀在石油化工装置安全联锁保护过程中的设计和应用.石油化工自动化，2003，（4）：12～152张华莎.安全仪表系统逻辑设计浅谈.石油化工自动化，2003，（4）：3～73SHB-Z06-1999.油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则4fisher.控制阀附件.控制阀信息.2004，1（15）：25～27