隨著石油化工生產(chǎn)裝置生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工藝反應(yīng)過(guò)程的日益復(fù)雜，事故的發(fā)生率和危害度越來(lái)越受到重視[1]，安全保護(hù)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(hù)系統(tǒng)是由檢測(cè)元件、各種I/O卡件、邏輯運(yùn)算單元（控制單元）、最終執(zhí)行元件及它們之間的信號(hào)傳輸關(guān)系構(gòu)成一個(gè)完整的儀表系統(tǒng)[2]。最終執(zhí)行元件控制閥的安全保護(hù)已成為安全保護(hù)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)中的最為關(guān)鍵的部分，亦已成為設(shè)計(jì)者和過(guò)程維護(hù)人員非常關(guān)注的問(wèn)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(hù)和信號(hào)失效安全自鎖保護(hù)兩大方面重點(diǎn)詳細(xì)地進(jìn)行闡述。
1.控制閥的安全聯(lián)鎖保護(hù)
保護(hù)系統(tǒng)是專用于對(duì)裝置中潛在的危險(xiǎn)或不采取措施可能產(chǎn)生危險(xiǎn)的事件發(fā)生響應(yīng)，以減輕危險(xiǎn)發(fā)生的后果或防止危險(xiǎn)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(duì)工藝介質(zhì)流量的大小和打開(kāi)關(guān)閉起著全過(guò)程的控制作用。控制閥的安全聯(lián)鎖保護(hù)是指用于操作監(jiān)視裝置（或獨(dú)立單元）所屬的控制閥，如果外部條件或過(guò)程參數(shù)超出了安全操作范圍，通過(guò)對(duì)氣動(dòng)控制閥的附件電磁閥或電動(dòng)控制閥電源的不同控制要求，就可以使過(guò)程進(jìn)入安全狀態(tài)，以確保監(jiān)視裝置（或獨(dú)立單元）隨之進(jìn)入安全狀態(tài)[3]。
1.1氣動(dòng)控制閥的安全聯(lián)鎖保護(hù)
1.1.1單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥安全聯(lián)鎖保護(hù)單作用氣動(dòng)控制閥使用膜頭或活塞式彈簧執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安全聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)關(guān)閉或打開(kāi)控制閥。應(yīng)用如圖1所示。
若聯(lián)鎖關(guān)閉，氣開(kāi)式控制閥正常操作時(shí)，控制閥氣源正常，閥打開(kāi)；聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)，閥氣源切斷，閥關(guān)閉。若聯(lián)鎖打開(kāi)，氣關(guān)式控制閥正常操作時(shí)，閥氣源正常，閥關(guān)閉；聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)，控制閥氣源切斷，閥打開(kāi)。
1.1.2雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥安全聯(lián)鎖保護(hù)雙作用氣動(dòng)控制閥使用彈簧復(fù)位或無(wú)彈簧執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安全聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)關(guān)閉或打開(kāi)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(shí)，控制閥氣源正常，1-3，2-4為通路，閥打開(kāi)；聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)，控制閥氣源進(jìn)氣改變，1-4，2-3為通路，閥關(guān)閉。若聯(lián)鎖打開(kāi)，控制閥正常操作時(shí)，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(shí)，控制閥氣源進(jìn)氣改變，1-3，2-4為通路，閥打開(kāi)。
1.1.3氣動(dòng)控制閥安全聯(lián)鎖保護(hù)氣動(dòng)控制閥用于安全聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)，在氣源信號(hào)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(dòng)作時(shí)，關(guān)閉或打開(kāi)控制閥。其應(yīng)用如圖3所示。
若聯(lián)鎖關(guān)閉，氣開(kāi)式控制閥正常操作時(shí)，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(shí)，控制閥氣源進(jìn)氣改變，2-3為通路，1關(guān)閉，氣開(kāi)式控制閥關(guān)閉。若聯(lián)鎖打開(kāi)，氣關(guān)式控制閥正常操作時(shí)，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(shí)，控制閥氣源進(jìn)氣改變，2-3為通路，1關(guān)閉，氣關(guān)式控制閥打開(kāi)。
1.2電動(dòng)控制閥的安全聯(lián)鎖保護(hù)電動(dòng)控制閥的電動(dòng)執(zhí)行器是以220V交流單項(xiàng)電源作為驅(qū)動(dòng)電源，接受來(lái)自調(diào)節(jié)器的毫安信號(hào)或電壓控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行工作的。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的電動(dòng)控制閥大多采用進(jìn)口的日本工裝電子式電動(dòng)執(zhí)行器，電子式控制單元常被設(shè)計(jì)成黑匣子形式，并用樹(shù)脂澆鑄，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用交流可逆電機(jī)，可以正驅(qū)動(dòng)或反驅(qū)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)量的反饋檢測(cè)采用高性能的、高可靠性的電位器，以實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)功能。切斷或調(diào)節(jié)電動(dòng)控制閥的安全聯(lián)鎖保護(hù)歸根結(jié)底是通過(guò)安全聯(lián)鎖信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源的控制，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，來(lái)達(dá)到對(duì)控制閥的打開(kāi)或關(guān)閉的目的。因此只要將安全聯(lián)鎖信號(hào)作為接點(diǎn)信號(hào)接人電動(dòng)控制閥的電源控制回路中，當(dāng)安全聯(lián)鎖信號(hào)動(dòng)作時(shí)，也就是接點(diǎn)信號(hào)動(dòng)作，使得正驅(qū)動(dòng)電源或反驅(qū)動(dòng)電源接通，實(shí)現(xiàn)控制閥的打開(kāi)或關(guān)閉。圖4所示為電動(dòng)控制閥較復(fù)雜的安全聯(lián)鎖保護(hù)接線圖，通過(guò)接入定時(shí)器聯(lián)鎖控制電動(dòng)控制閥的打開(kāi)和關(guān)閉。在圖4行2中，引入安全聯(lián)鎖保護(hù)接點(diǎn)信號(hào)，接點(diǎn)閉合時(shí)，繼電器4503KA線圈得電，行3中4503KA常開(kāi)接點(diǎn)7-4閉合，定時(shí)器KA-4502A開(kāi)始計(jì)時(shí)，行4中4503KA常開(kāi)接點(diǎn)8-5閉合，繼電器4503KA1線圈得電，行6中4503KA1常開(kāi)接點(diǎn)7-4閉合，電動(dòng)控制閥4503KA3正轉(zhuǎn)，閥門打開(kāi)；當(dāng)定時(shí)器KA-4502A計(jì)時(shí)到設(shè)定值時(shí)，其觸點(diǎn)動(dòng)作，行4中定時(shí)器KA-4502A常聞接點(diǎn)8-5打開(kāi)，繼電器4503KA1線圈失電，行6中4503KA1常開(kāi)接點(diǎn)7-4打開(kāi)，電動(dòng)控制閥4503KA3正轉(zhuǎn)失電，同時(shí)行5中KA-4502A觸點(diǎn)8-6閉合，繼電器4503KA2線圈得電，行6中4503KA2常開(kāi)接點(diǎn)7-4閉合，電動(dòng)控制閥4503KA3反轉(zhuǎn)得電，閥門關(guān)閉。
2.信號(hào)失效控制閥的安全自鎖保護(hù)
控制閥的失效安全自鎖保護(hù)是指非安全聯(lián)鎖保護(hù)信號(hào)以外的控制閥本身的控制信號(hào)過(guò)低或沒(méi)有時(shí)，執(zhí)行結(jié)構(gòu)沒(méi)有信號(hào)動(dòng)力來(lái)源的情況下，控制閥本身對(duì)自我安全的一種保護(hù)措施。對(duì)于氣動(dòng)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(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞或類似膜頭結(jié)構(gòu)會(huì)移至氣缸的頂部或底部，充滿供氣壓力的儲(chǔ)氣罐在供氣壓力失去時(shí)會(huì)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供負(fù)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(shí)，自動(dòng)操作回到原來(lái)的控制調(diào)節(jié)狀態(tài)，同時(shí)儲(chǔ)氣罐被重新充氣，以備下一次控制閥的失效安全時(shí)重新使用。對(duì)于電動(dòng)控制閥是指當(dāng)控制閥運(yùn)轉(zhuǎn)的毫安或電壓輸入信號(hào)斷電時(shí)，電子執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作，使輸出軸停在相應(yīng)的位置，而達(dá)到控制閥的失效安全時(shí)處于安全保護(hù)狀態(tài)。
2.1信號(hào)失效氣動(dòng)控制閥安全保護(hù)氣動(dòng)鎖定系統(tǒng)與氣動(dòng)控制閥一起使用時(shí)，可以在氣動(dòng)控制閥失去供氣壓力時(shí)鎖定執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的負(fù)載壓力，且這種氣動(dòng)鎖定系統(tǒng)與儲(chǔ)氣罐一起使用時(shí)，在失去氣源壓力時(shí)把閥門移至全開(kāi)、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(jī)構(gòu)的控制閥，典型適用于氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)控制閥信號(hào)失效安全保護(hù)。
2.1.1信號(hào)失效氣動(dòng)控制閥全開(kāi)或全關(guān)安全保護(hù)在圖5中，1號(hào)管路為儀表供氣管路，2號(hào)管路為給氣缸頂部壓力的管路，3號(hào)管路為給氣缸頂部控制壓力的管路，4號(hào)管路為給氣缸底部壓力的管路，5號(hào)管路為給氣缸底部控制壓力的管路，6號(hào)為鎖定部件上下膜片來(lái)回運(yùn)動(dòng)的排氣口，7號(hào)為儲(chǔ)氣罐提供給氣缸底部的供氣口，8號(hào)為儲(chǔ)氣罐提供給氣缸頂部的供氣口，9號(hào)管路為儲(chǔ)氣罐提供給控制部件供氣壓力的管路，10號(hào)管路為儲(chǔ)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(hào)失效時(shí)，儲(chǔ)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(chǔ)氣罐給氣缸頂部提供的壓力，會(huì)將閥門推至全關(guān)的位置，使控制閥在信號(hào)失效時(shí)處于關(guān)閉的安全狀態(tài)。在圖6中，各個(gè)數(shù)字標(biāo)志說(shuō)明同圖5。當(dāng)控制閥信號(hào)失效時(shí)，儲(chǔ)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(chǔ)氣罐給氣缸底部提供的壓力，會(huì)將閥門推至全開(kāi)的位置，使控制閥在信號(hào)失效時(shí)處于全開(kāi)的安全狀態(tài)。
2.1.2信號(hào)失效氣動(dòng)控制閥保持安全保護(hù)在圖7中，各個(gè)數(shù)字標(biāo)志說(shuō)明同圖5。當(dāng)控制閥信號(hào)失效時(shí)，儲(chǔ)氣罐同時(shí)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(chǔ)氣罐給氣缸頂部和底部同時(shí)提供同樣的壓力，會(huì)將閥門的活塞鎖定在信號(hào)失效時(shí)原來(lái)的位置，這樣使控制閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持不動(dòng)，使控制閥信號(hào)失效處于保持的安全狀態(tài)，達(dá)到工藝所需要的安全狀態(tài)。
在以上的信號(hào)失效控制閥安全保護(hù)示意圖中，止回閥在信號(hào)失效時(shí)，會(huì)保證儲(chǔ)氣罐的儲(chǔ)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(shí)，止回閥恢復(fù)到原來(lái)的位置，以保證儲(chǔ)氣罐充滿所需要的氣壓，以備下次信號(hào)失效時(shí)繼續(xù)發(fā)揮它的作用。2.2信號(hào)失效電動(dòng)控制閥的安全保護(hù)電動(dòng)控制閥的關(guān)鍵部件在于其內(nèi)部樹(shù)脂澆鑄的控制器，其接受來(lái)自調(diào)節(jié)器的毫安或電壓信號(hào)和來(lái)自開(kāi)度檢測(cè)器的開(kāi)度信號(hào)，將兩信號(hào)相比較并放大，向消除其差值的方向驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)，其結(jié)果是使得來(lái)自調(diào)節(jié)器信號(hào)和開(kāi)度信號(hào)之間的偏差被減小，當(dāng)偏差消除時(shí)控制部分令電機(jī)停止在該位置上，達(dá)到調(diào)節(jié)和控制的目的。當(dāng)信號(hào)失效時(shí)，輸出軸在相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)仍處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，如果沒(méi)有相應(yīng)的控制措施，會(huì)停留在某一個(gè)位置，而失去對(duì)電動(dòng)控制閥的安全保護(hù)。根據(jù)工藝過(guò)程的需要，在電動(dòng)控制閥的設(shè)計(jì)選型和安裝過(guò)程中，就應(yīng)該注意到信號(hào)失效時(shí)電動(dòng)控制閥的安全保護(hù)。在圖8電動(dòng)控制閥電子式執(zhí)行器內(nèi)部接線圖中，信號(hào)失效時(shí)根據(jù)工藝過(guò)程的需要使閥門開(kāi)度仍然處于信號(hào)失效前的位置時(shí)，將圖中的3和4斷開(kāi)，接通5，就可以使輸出軸停止在原位置，使閥門開(kāi)度保持不變。
在圖8中，信號(hào)失效時(shí)根據(jù)工藝過(guò)程的需要使閥門全部打開(kāi)時(shí)，將4和5斷開(kāi)，接通3，就可以使輸出軸繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)到上限限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作后停止，使閥門全開(kāi)。信號(hào)失效時(shí)根據(jù)工藝過(guò)程的需要使閥門全部關(guān)閉時(shí)，將圖中的3和5斷開(kāi)，接通4，就可以使輸出軸繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)到下限限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作后停止，使閥門關(guān)閉。
3.結(jié)束
語(yǔ)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(hù)措施也會(huì)出現(xiàn)各種不同的情況。對(duì)于控制閥的安全聯(lián)鎖保護(hù)中氣動(dòng)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(jí)、允許壓差、流通能力、工藝連接形式、電磁閥的觸點(diǎn)形式、防爆等級(jí)、防護(hù)等級(jí)等各方面的要求；對(duì)于控制閥的安全聯(lián)鎖保護(hù)中電動(dòng)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(jī)構(gòu)的形式、電源規(guī)格、觸點(diǎn)形式、聯(lián)鎖動(dòng)作的時(shí)間等各方面的要求。對(duì)于信號(hào)失效氣動(dòng)控制閥的安全保護(hù)，就需要考慮到氣動(dòng)控制閥的控制信號(hào)壓力，儲(chǔ)氣罐的容積、各管路的氣壓、工藝過(guò)程等各方面的要求；對(duì)于信號(hào)失效電動(dòng)控制閥的安全保護(hù)，就需要考慮到電動(dòng)控制閥的控制信號(hào)類型、電源規(guī)格、工藝過(guò)程等各方面的要求等。因此在工程設(shè)計(jì)中考慮安全設(shè)計(jì)、選型、配置時(shí)，必須根據(jù)安全保護(hù)的設(shè)計(jì)原則和相關(guān)要求，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合工藝過(guò)程的安全要求，仔細(xì)推敲斟酌控制閥安全保護(hù)設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)，確保控制閥在工藝過(guò)程發(fā)生危險(xiǎn)情況下真正發(fā)揮安全保護(hù)的作用。
參考文獻(xiàn)：
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