电磁阀可靠性提升及安全性评估分析

杨占强

[摘    要 ]文章介绍煤焦制氢装置甲醇洗单元联锁切断电磁阀增加手动干预功能的实施过程，分析了增加手动干预功能后的安全性及可靠性提升方案。研究表明，电磁阀增加手动干预功能会降低安全性，而采用冗余阀组结构的电磁阀，可以提高可靠性且具有较好的安全性。

[关键词]电磁阀;可靠性;安全性

[中图分类号]U463.2 [文献标志码]A [文章编号]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

某公司煤焦制氢装置甲醇洗单元联锁切断电磁阀故障后，若未及时恢复会造成环境安全风险，鉴于甲醇洗单元液位三取二联锁可靠性较高，为确保异常情况下甲醇洗可以通过手动干预进行甲醇循环，计划对联锁切断电磁阀增加手动干预功能。

作为用于执行“电/气”转换的关键部件，电磁阀由于具有很好的可靠性与安全性，被广泛应用于石化装置中联锁阀的气源或液压源的控制。有时联锁阀的安全保护联锁发生不是工艺过程异常造成的，而是由电磁阀本身的故障引起的。这种情况下会造成误停车，对于某些特定的工艺过程，误停车也会引起较大的经济损失。为了降低误停车率，可以考虑引入冗余的配置，例如由2oo2代替1oo1，由2oo3代替1oo2，但引入冗余配置的过程中需充分考虑安全性。文章通过煤焦制氢装置甲醇洗单元联锁切断电磁阀增加手动干预的运行需求，结合实际应用对提高联锁切断电磁阀的安全性和可靠性进行分析探讨。

1 电磁阀介绍

电磁阀由电磁部件和阀体2个单元组成。电磁部件由固定铁芯、动铁芯、线圈等部件组成;阀体部分由滑阀芯、滑阀套、弹簧底座等部件组成。当线圈通电或断电时，磁芯的运转将导致流体通过阀体或被切断，以达到开关或改变流体方向的目的。电磁阀可直接安装在工艺管线上，主要是对水、轻油、燃气、蒸汽、空气和中性气体的开关控制（直通）;也可用在气路上，是安全联锁保护系统中不可缺少的一部分（三通、四通、五通）。

电磁阀从气路（或液路）上，分为二位二通（直通）、二位三通、二位四通、二位五通;从电气上来说，电磁阀一般分为单电控（单线圈）和双电控（双线圈）。二位三通电磁阀一般为单电控，二位五通电磁阀一般为双电控;从原理上分为直动式，分步直动式、先导式三类。常用带手动功能的电磁阀有2种，一种是MO短暂型（图1），另一种则为MS长期保持型（图2）。MO短暂型通过手动按压达到气路切换功能，松手后通过弹簧回位，气路交回电磁阀控制。而MS长期保持型需要按压并旋转完成气路切换，复位时需要手动旋转回位。

2 增加手动功能后的安全分析

2.1 产品安全认证

SIL是Safety Integrity Level的缩写，中文称之为安全完整性等级。1998年颁布的《IEC61508功能安全标准》中首次提出了SIL的概念，它是一种功能安全等级的划分。IEC61508将SIL分为SIL1、SIL2、SIL3和SIL44个等级。安全相关系统的SIL级别是由风险分析计算得出来的。

增加手动功能的两种产品中，只有MO型电磁阀通过了SIL认证，故MS型电磁阀在此案例中不考虑。从安全产品合格证中可以看出，在增加了MO手动功能后，危险失效因子λDU增加了50FIT，所以还需核算增加后的危险失效因子λDU是否满足安全要求（表1）。

2.2 增加MO手动功能后的安全分析

原甲醇洗单元联锁切断电磁阀所在回路安全等级被评为SIL1。此次变更只更换电磁阀，故只分析最终输出单元的安全失效。

切断22C001底部富甲醇22XV003閥门的安全完整性验证见表2。

Voting within group：1oo1

HFT：    0

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

ASCO327B1加手动干预

JEV/W气缸执行机构

金典球阀

MTTR：24 hours

Proof Test Interval：48 months

Proof Test Coverage：95[%]

如表3所示，经安全完整性验证，增加MO手动功能后的SIL安全等级为SIL1，电磁阀变更为带手动功能电磁阀后满足安全等级要求。

3 可靠性提升方案

3.1 “1oo2”电磁阀

“1oo2”电磁阀在实际联锁阀应用中多采用2台电磁阀串联，该配置更多地考虑了安全性，在“1oo2”电磁阀的应用中，任电磁阀动作即可实现安全要求。为提高可靠性，满足现场在线维护要求，可采用具备SIL认证的“1oo2”高安全性冗余阀组结构，如图3所示，这种冗余阀组结构不同于目前使用广泛的2个电磁阀的串联方式，用阀组的形式实现了2台电磁阀串联，现场具有状态指示，最高能到SIL3安全级别，同时配备的旁通阀可实现在线维护。

3.2 “2oo2”电磁阀

“2oo2”电磁阀在实际联锁阀应用中多采用2台电磁阀并联，该配置更多地考虑了可靠性，在“2oo2”电磁阀的应用中，只有2只电磁阀同时动作才能满足安全要求，而当任电磁阀故障拒动时，将无法实现安全要求，会对装置带来巨大安全风险。为提高安全性，可采用具备SIL认证的“2oo2”高可靠性冗余阀组结构，如图4所示，这种冗余阀组结构不同于2个电磁阀的简单并联，用阀组的形式实现了2台电磁阀并联，现场具有状态指示与远程反馈，最高能到SIL2安全级别，同时配备的旁通阀可实现在线维护，既满足了安全性，又提高了设备的可靠性。

3.3 “2oo3”电磁阀

“2oo3”电磁阀兼具高安全性和高可靠性，如图5所示，该“2oo3”冗余阀组结构用阀组的形式实现了电磁阀三取二功能，现场同样具有状态指示与远程反馈，最高能到SIL3安全级别。

4 结束语

近年来随着我国石油化工行业的不断发展，安全问题越来越受到关注。装置在工程设计阶段开展了危险和可操作性性研究HZAOP（Hazard and Operability Study）及安全完整性等级SIL（Safety Integrity Level）评估。在满足安全的前提下，为追求仪表设备可靠性，现场检测元件一般采用三取二或二取二形式，进控制系统时采用风险分散的方式将三取二或二取二的点布置在不同的卡件上，而最终执行元件由于涉及管道布置、费用等因素很难做到冗余配置，因此提高执行元件的可靠性、安全性显得尤为重要。冗余阀组结构在规范要求的基础上，用阀组的形式实现了电磁阀的冗余結构，提高可靠性的同时又保证了安全性，有较大的应用前景。

参考文献

[1] 杨海河，刘朝霞.四类典型电磁阀组合的可靠性评估[J].石油化工自动化，2015（3）：61-64.

[2] 范咏峰.双电磁阀配置在石油化工装置中的应用[J].石油化工自动化，2011（3）：6-10.