隨著石油化工生產(chǎn)裝置生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，工藝反應(yīng)過程的日益復(fù)雜，事故的發(fā)生率和危害度越來越受到重視[1]，安全保護系統(tǒng)已成為當(dāng)今石油化工裝置重要的組成部分。安全保護系統(tǒng)是由檢測元件、各種I/O卡件、邏輯運算單元（控制單元）、最終執(zhí)行元件及它們之間的信號傳輸關(guān)系構(gòu)成一個完整的儀表系統(tǒng)[2]。最終執(zhí)行元件控制閥的安全保護已成為安全保護系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)中的最為關(guān)鍵的部分，亦已成為設(shè)計者和過程維護人員非常關(guān)注的問題。石油化工生產(chǎn)裝置中控制閥的各種構(gòu)成形式和數(shù)量繁多，本文就控制閥的安全聯(lián)鎖保護和信號失效安全自鎖保護兩大方面重點詳細地進行闡述。
1.控制閥的安全聯(lián)鎖保護
保護系統(tǒng)是專用于對裝置中潛在的危險或不采取措施可能產(chǎn)生危險的事件發(fā)生響應(yīng)，以減輕危險發(fā)生的后果或防止危險發(fā)生的系統(tǒng)。控制閥安裝在工藝設(shè)備和管道的介質(zhì)流程上，對工藝介質(zhì)流量的大小和打開關(guān)閉起著全過程的控制作用。控制閥的安全聯(lián)鎖保護是指用于操作監(jiān)視裝置（或獨立單元）所屬的控制閥，如果外部條件或過程參數(shù)超出了安全操作范圍，通過對氣動控制閥的附件電磁閥或電動控制閥電源的不同控制要求，就可以使過程進入安全狀態(tài)，以確保監(jiān)視裝置（或獨立單元）隨之進入安全狀態(tài)[3]。
1.1氣動控制閥的安全聯(lián)鎖保護
1.1.1單作用執(zhí)行機構(gòu)控制閥安全聯(lián)鎖保護單作用氣動控制閥使用膜頭或活塞式彈簧執(zhí)行機構(gòu)，安全聯(lián)鎖動作時關(guān)閉或打開控制閥。應(yīng)用如圖1所示。
若聯(lián)鎖關(guān)閉，氣開式控制閥正常操作時，控制閥氣源正常，閥打開；聯(lián)鎖發(fā)生時，閥氣源切斷，閥關(guān)閉。若聯(lián)鎖打開，氣關(guān)式控制閥正常操作時，閥氣源正常，閥關(guān)閉；聯(lián)鎖發(fā)生時，控制閥氣源切斷，閥打開。
1.1.2雙作用執(zhí)行機構(gòu)控制閥安全聯(lián)鎖保護雙作用氣動控制閥使用彈簧復(fù)位或無彈簧執(zhí)行機構(gòu)，安全聯(lián)鎖動作時關(guān)閉或打開控制閥。其應(yīng)用如圖2所示。
若聯(lián)鎖關(guān)閉，控制閥正常操作時，控制閥氣源正常，1-3，2-4為通路，閥打開；聯(lián)鎖發(fā)生時，控制閥氣源進氣改變，1-4，2-3為通路，閥關(guān)閉。若聯(lián)鎖打開，控制閥正常操作時，控制閥氣源正常，1-4，2-3為通路，閥關(guān)閉；聯(lián)鎖發(fā)生時，控制閥氣源進氣改變，1-3，2-4為通路，閥打開。
1.1.3氣動控制閥安全聯(lián)鎖保護氣動控制閥用于安全聯(lián)鎖動作時，在氣源信號線上增加電磁閥，電磁閥的配氣由I/P閥門定位器調(diào)節(jié)，安全聯(lián)鎖動作時，關(guān)閉或打開控制閥。其應(yīng)用如圖3所示。
若聯(lián)鎖關(guān)閉，氣開式控制閥正常操作時，控制閥氣源正常，1-3為通路，2關(guān)閉，閥由I/P閥門定位器調(diào)節(jié)；聯(lián)鎖發(fā)生時，控制閥氣源進氣改變，2-3為通路，1關(guān)閉，氣開式控制閥關(guān)閉。若聯(lián)鎖打開，氣關(guān)式控制閥正常操作時，控制閥氣源正常，1-3為通路，2關(guān)閉，閥由I/P閥門定位器調(diào)節(jié)；聯(lián)鎖發(fā)生時，控制閥氣源進氣改變，2-3為通路，1關(guān)閉，氣關(guān)式控制閥打開。
1.2電動控制閥的安全聯(lián)鎖保護電動控制閥的電動執(zhí)行器是以220V交流單項電源作為驅(qū)動電源，接受來自調(diào)節(jié)器的毫安信號或電壓控制信號來進行工作的。現(xiàn)在國內(nèi)的電動控制閥大多采用進口的日本工裝電子式電動執(zhí)行器，電子式控制單元常被設(shè)計成黑匣子形式，并用樹脂澆鑄，驅(qū)動電機采用交流可逆電機，可以正驅(qū)動或反驅(qū)動；驅(qū)動量的反饋檢測采用高性能的、高可靠性的電位器，以實現(xiàn)控制調(diào)節(jié)功能。切斷或調(diào)節(jié)電動控制閥的安全聯(lián)鎖保護歸根結(jié)底是通過安全聯(lián)鎖信號對驅(qū)動電機的驅(qū)動電源的控制，以實現(xiàn)驅(qū)動電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，來達到對控制閥的打開或關(guān)閉的目的。因此只要將安全聯(lián)鎖信號作為接點信號接人電動控制閥的電源控制回路中，當(dāng)安全聯(lián)鎖信號動作時，也就是接點信號動作，使得正驅(qū)動電源或反驅(qū)動電源接通，實現(xiàn)控制閥的打開或關(guān)閉。圖4所示為電動控制閥較復(fù)雜的安全聯(lián)鎖保護接線圖，通過接入定時器聯(lián)鎖控制電動控制閥的打開和關(guān)閉。在圖4行2中，引入安全聯(lián)鎖保護接點信號，接點閉合時，繼電器4503KA線圈得電，行3中4503KA常開接點7-4閉合，定時器KA-4502A開始計時，行4中4503KA常開接點8-5閉合，繼電器4503KA1線圈得電，行6中4503KA1常開接點7-4閉合，電動控制閥4503KA3正轉(zhuǎn)，閥門打開；當(dāng)定時器KA-4502A計時到設(shè)定值時，其觸點動作，行4中定時器KA-4502A常聞接點8-5打開，繼電器4503KA1線圈失電，行6中4503KA1常開接點7-4打開，電動控制閥4503KA3正轉(zhuǎn)失電，同時行5中KA-4502A觸點8-6閉合，繼電器4503KA2線圈得電，行6中4503KA2常開接點7-4閉合，電動控制閥4503KA3反轉(zhuǎn)得電，閥門關(guān)閉。
2.信號失效控制閥的安全自鎖保護
控制閥的失效安全自鎖保護是指非安全聯(lián)鎖保護信號以外的控制閥本身的控制信號過低或沒有時，執(zhí)行結(jié)構(gòu)沒有信號動力來源的情況下，控制閥本身對自我安全的一種保護措施。對于氣動控制閥是指當(dāng)控制閥控制供氣壓低于預(yù)先確定的值時，執(zhí)行機構(gòu)的活塞或類似膜頭結(jié)構(gòu)會移至氣缸的頂部或底部，充滿供氣壓力的儲氣罐在供氣壓力失去時會給執(zhí)行機構(gòu)提供負載壓力，這樣就可以把活塞或膜頭移到所需要的位置；當(dāng)供氣壓力恢復(fù)正常時，自動操作回到原來的控制調(diào)節(jié)狀態(tài)，同時儲氣罐被重新充氣，以備下一次控制閥的失效安全時重新使用。對于電動控制閥是指當(dāng)控制閥運轉(zhuǎn)的毫安或電壓輸入信號斷電時，電子執(zhí)行機構(gòu)會執(zhí)行相應(yīng)的操作，使輸出軸停在相應(yīng)的位置，而達到控制閥的失效安全時處于安全保護狀態(tài)。
2.1信號失效氣動控制閥安全保護氣動鎖定系統(tǒng)與氣動控制閥一起使用時，可以在氣動控制閥失去供氣壓力時鎖定執(zhí)行機構(gòu)當(dāng)前的負載壓力，且這種氣動鎖定系統(tǒng)與儲氣罐一起使用時，在失去氣源壓力時把閥門移至全開、全關(guān)或保持原位。在功能上類似的結(jié)構(gòu)也可以提供給薄膜執(zhí)行機構(gòu)的控制閥，典型適用于氣缸活塞執(zhí)行機構(gòu)的氣動控制閥信號失效安全保護。
2.1.1信號失效氣動控制閥全開或全關(guān)安全保護在圖5中，1號管路為儀表供氣管路，2號管路為給氣缸頂部壓力的管路，3號管路為給氣缸頂部控制壓力的管路，4號管路為給氣缸底部壓力的管路，5號管路為給氣缸底部控制壓力的管路，6號為鎖定部件上下膜片來回運動的排氣口，7號為儲氣罐提供給氣缸底部的供氣口，8號為儲氣罐提供給氣缸頂部的供氣口，9號管路為儲氣罐提供給控制部件供氣壓力的管路，10號管路為儲氣罐提供給氣缸頂部或底部供氣壓力的管路。
在圖5中，當(dāng)控制閥信號失效時，儲氣罐提供氣缸頂部的供氣壓力，氣缸底部的供氣壓力被排空，給氣缸底部和氣缸頂部的控制壓力被阻斷，鎖定部件下膜片的加載壓力被排空，儲氣罐給氣缸頂部提供的壓力，會將閥門推至全關(guān)的位置，使控制閥在信號失效時處于關(guān)閉的安全狀態(tài)。在圖6中，各個數(shù)字標(biāo)志說明同圖5。當(dāng)控制閥信號失效時，儲氣罐提供氣缸底部的供氣壓力，氣缸頂部的供氣壓力被排空，給氣缸頂部和底部的控制壓力被阻斷，鎖定部件的下膜片的加載壓力被排空，儲氣罐給氣缸底部提供的壓力，會將閥門推至全開的位置，使控制閥在信號失效時處于全開的安全狀態(tài)。
2.1.2信號失效氣動控制閥保持安全保護在圖7中，各個數(shù)字標(biāo)志說明同圖5。當(dāng)控制閥信號失效時，儲氣罐同時提供氣缸頂部和底部的供氣壓力，給氣缸頂部和底部的控制壓力被阻斷，鎖定部件下膜片的加載壓力被排空，儲氣罐給氣缸頂部和底部同時提供同樣的壓力，會將閥門的活塞鎖定在信號失效時原來的位置，這樣使控制閥的執(zhí)行機構(gòu)保持不動，使控制閥信號失效處于保持的安全狀態(tài)，達到工藝所需要的安全狀態(tài)。
在以上的信號失效控制閥安全保護示意圖中，止回閥在信號失效時，會保證儲氣罐的儲氣壓力輸送到氣缸的頂部、底部或頂部和底部。當(dāng)供氣壓力恢復(fù)到正常時，止回閥恢復(fù)到原來的位置，以保證儲氣罐充滿所需要的氣壓，以備下次信號失效時繼續(xù)發(fā)揮它的作用。2.2信號失效電動控制閥的安全保護電動控制閥的關(guān)鍵部件在于其內(nèi)部樹脂澆鑄的控制器，其接受來自調(diào)節(jié)器的毫安或電壓信號和來自開度檢測器的開度信號，將兩信號相比較并放大，向消除其差值的方向驅(qū)動和控制電機，其結(jié)果是使得來自調(diào)節(jié)器信號和開度信號之間的偏差被減小，當(dāng)偏差消除時控制部分令電機停止在該位置上，達到調(diào)節(jié)和控制的目的。當(dāng)信號失效時，輸出軸在相應(yīng)的時間內(nèi)仍處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，如果沒有相應(yīng)的控制措施，會停留在某一個位置，而失去對電動控制閥的安全保護。根據(jù)工藝過程的需要，在電動控制閥的設(shè)計選型和安裝過程中，就應(yīng)該注意到信號失效時電動控制閥的安全保護。在圖8電動控制閥電子式執(zhí)行器內(nèi)部接線圖中，信號失效時根據(jù)工藝過程的需要使閥門開度仍然處于信號失效前的位置時，將圖中的3和4斷開，接通5，就可以使輸出軸停止在原位置，使閥門開度保持不變。
在圖8中，信號失效時根據(jù)工藝過程的需要使閥門全部打開時，將4和5斷開，接通3，就可以使輸出軸繼續(xù)運轉(zhuǎn)到上限限位開關(guān)動作后停止，使閥門全開。信號失效時根據(jù)工藝過程的需要使閥門全部關(guān)閉時，將圖中的3和5斷開，接通4，就可以使輸出軸繼續(xù)運轉(zhuǎn)到下限限位開關(guān)動作后停止，使閥門關(guān)閉。
3.結(jié)束
語當(dāng)今石油化工裝置中的控制閥的種類和形式多種多樣，控制閥的安全保護措施也會出現(xiàn)各種不同的情況。對于控制閥的安全聯(lián)鎖保護中氣動控制閥聯(lián)鎖要求的不同形式，就需要考慮到電磁閥的閥體材質(zhì)、壓力等級、允許壓差、流通能力、工藝連接形式、電磁閥的觸點形式、防爆等級、防護等級等各方面的要求；對于控制閥的安全聯(lián)鎖保護中電動控制閥聯(lián)鎖要求的不同形式，就需要考慮到電子執(zhí)行機構(gòu)的形式、電源規(guī)格、觸點形式、聯(lián)鎖動作的時間等各方面的要求。對于信號失效氣動控制閥的安全保護，就需要考慮到氣動控制閥的控制信號壓力，儲氣罐的容積、各管路的氣壓、工藝過程等各方面的要求；對于信號失效電動控制閥的安全保護，就需要考慮到電動控制閥的控制信號類型、電源規(guī)格、工藝過程等各方面的要求等。因此在工程設(shè)計中考慮安全設(shè)計、選型、配置時，必須根據(jù)安全保護的設(shè)計原則和相關(guān)要求，標(biāo)準規(guī)范，結(jié)合工藝過程的安全要求，仔細推敲斟酌控制閥安全保護設(shè)計的每個環(huán)節(jié)，確保控制閥在工藝過程發(fā)生危險情況下真正發(fā)揮安全保護的作用。
參考文獻：
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