電磁閥可靠性提升及安全性評估分析

楊占強

[摘 ? ?要 ]文章介紹煤焦制氫裝置甲醇洗單元聯鎖切斷電磁閥增加手動干預功能的實施過程，分析了增加手動干預功能后的安全性及可靠性提升方案。研究表明，電磁閥增加手動干預功能會降低安全性，而采用冗余閥組結構的電磁閥，可以提高可靠性且具有較好的安全性。

[關鍵詞]電磁閥;可靠性;安全性

[中圖分類號]U463.2 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–00–03

[Abstract]This paper introduces the implementation process of adding manual intervention function to the interlock cut-off solenoid valve of methanol washing unit in coal tar hydrogen plant， and analyzes the safety and reliability improvement scheme after adding manual intervention function. The analysis shows that the safety of the solenoid valve will be reduced by adding manual intervention function， and the solenoid valve with redundant valve group structure can improve the reliability and has better safety.

[Keywords]solenoid valve; Reliability; Security

某公司煤焦制氫裝置甲醇洗單元聯鎖切斷電磁閥故障后，若未及時恢復會造成環境安全風險，鑒于甲醇洗單元液位三取二聯鎖可靠性較高，為確保異常情況下甲醇洗可以通過手動干預進行甲醇循環，計劃對聯鎖切斷電磁閥增加手動干預功能。

作為用于執行“電/氣”轉換的關鍵部件，電磁閥由于具有很好的可靠性與安全性，被廣泛應用于石化裝置中聯鎖閥的氣源或液壓源的控制。有時聯鎖閥的安全保護聯鎖發生不是工藝過程異常造成的，而是由電磁閥本身的故障引起的。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代替1oo2，但引入冗余配置的過程中需充分考慮安全性。文章通過煤焦制氫裝置甲醇洗單元聯鎖切斷電磁閥增加手動干預的運行需求，結合實際應用對提高聯鎖切斷電磁閥的安全性和可靠性進行分析探討。

1 電磁閥介紹

電磁閥由電磁部件和閥體2個單元組成。電磁部件由固定鐵芯、動鐵芯、線圈等部件組成;閥體部分由滑閥芯、滑閥套、彈簧底座等部件組成。當線圈通電或斷電時，磁芯的運轉將導致流體通過閥體或被切斷，以達到開關或改變流體方向的目的。電磁閥可直接安裝在工藝管線上，主要是對水、輕油、燃氣、蒸汽、空氣和中性氣體的開關控制（直通）;也可用在氣路上，是安全聯鎖保護系統中不可缺少的一部分（三通、四通、五通）。

電磁閥從氣路（或液路）上，分為二位二通（直通）、二位三通、二位四通、二位五通;從電氣上來說，電磁閥一般分為單電控（單線圈）和雙電控（雙線圈）。二位三通電磁閥一般為單電控，二位五通電磁閥一般為雙電控;從原理上分為直動式，分步直動式、先導式三類。常用帶手動功能的電磁閥有2種，一種是MO短暫型（圖1），另一種則為MS長期保持型（圖2）。MO短暫型通過手動按壓達到氣路切換功能，松手后通過彈簧回位，氣路交回電磁閥控制。而MS長期保持型需要按壓并旋轉完成氣路切換，復位時需要手動旋轉回位。

2 增加手動功能后的安全分析

2.1 產品安全認證

SIL是Safety Integrity Level的縮寫，中文稱之為安全完整性等級。1998年頒布的《IEC61508功能安全標準》中首次提出了SIL的概念，它是一種功能安全等級的劃分。IEC61508將SIL分為SIL1、SIL2、SIL3和SIL44個等級。安全相關系統的SIL級別是由風險分析計算得出來的。

增加手動功能的兩種產品中，只有MO型電磁閥通過了SIL認證，故MS型電磁閥在此案例中不考慮。從安全產品合格證中可以看出，在增加了MO手動功能后，危險失效因子λDU增加了50FIT，所以還需核算增加后的危險失效因子λDU是否滿足安全要求（表1）。

2.2 增加MO手動功能后的安全分析

原甲醇洗單元聯鎖切斷電磁閥所在回路安全等級被評為SIL1。此次變更只更換電磁閥，故只分析最終輸出單元的安全失效。

切斷22C001底部富甲醇22XV003閥門的安全完整性驗證見表2。

Voting within group：1oo1

HFT： ? ?0

Equipment Leg（each）：Weidmüller Relay Module WRS-24VDC output

ASCO327B1加手動干預

JEV/W氣缸執行機構

金典球閥

MTTR：24 hours

Proof Test Interval：48 months

Proof Test Coverage：95[%]

如表3所示，經安全完整性驗證，增加MO手動功能后的SIL安全等級為SIL1，電磁閥變更為帶手動功能電磁閥后滿足安全等級要求。

3 可靠性提升方案

3.1 “1oo2”電磁閥

“1oo2”電磁閥在實際聯鎖閥應用中多采用2臺電磁閥串聯，該配置更多地考慮了安全性，在“1oo2”電磁閥的應用中，任電磁閥動作即可實現安全要求。為提高可靠性，滿足現場在線維護要求，可采用具備SIL認證的“1oo2”高安全性冗余閥組結構，如圖3所示，這種冗余閥組結構不同于目前使用廣泛的2個電磁閥的串聯方式，用閥組的形式實現了2臺電磁閥串聯，現場具有狀態指示，最高能到SIL3安全級別，同時配備的旁通閥可實現在線維護。

3.2 “2oo2”電磁閥

“2oo2”電磁閥在實際聯鎖閥應用中多采用2臺電磁閥并聯，該配置更多地考慮了可靠性，在“2oo2”電磁閥的應用中，只有2只電磁閥同時動作才能滿足安全要求，而當任電磁閥故障拒動時，將無法實現安全要求，會對裝置帶來巨大安全風險。為提高安全性，可采用具備SIL認證的“2oo2”高可靠性冗余閥組結構，如圖4所示，這種冗余閥組結構不同于2個電磁閥的簡單并聯，用閥組的形式實現了2臺電磁閥并聯，現場具有狀態指示與遠程反饋，最高能到SIL2安全級別，同時配備的旁通閥可實現在線維護，既滿足了安全性，又提高了設備的可靠性。

3.3 “2oo3”電磁閥

“2oo3”電磁閥兼具高安全性和高可靠性，如圖5所示，該“2oo3”冗余閥組結構用閥組的形式實現了電磁閥三取二功能，現場同樣具有狀態指示與遠程反饋，最高能到SIL3安全級別。

4 結束語

近年來隨著我國石油化工行業的不斷發展，安全問題越來越受到關注。裝置在工程設計階段開展了危險和可操作性性研究HZAOP（Hazard and Operability Study）及安全完整性等級SIL（Safety Integrity Level）評估。在滿足安全的前提下，為追求儀表設備可靠性，現場檢測元件一般采用三取二或二取二形式，進控制系統時采用風險分散的方式將三取二或二取二的點布置在不同的卡件上，而最終執行元件由于涉及管道布置、費用等因素很難做到冗余配置，因此提高執行元件的可靠性、安全性顯得尤為重要。冗余閥組結構在規范要求的基礎上，用閥組的形式實現了電磁閥的冗余結構，提高可靠性的同時又保證了安全性，有較大的應用前景。

參考文獻

[1] 楊海河，劉朝霞.四類典型電磁閥組合的可靠性評估[J].石油化工自動化，2015（3）：61-64.

[2] 范詠峰.雙電磁閥配置在石油化工裝置中的應用[J].石油化工自動化，2011（3）：6-10.