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发布时间：2022-11-01
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控制阀是过程控制工业里最常用的终端控制元件，在安全仪表系统设计中除机泵等动设备外控制阀往往都是作为联锁动作的最终执行者，是整个控制回路的核心和失效占比较高的环节。控制阀除了用作正常调节外，在安全领域有时需要承担切断、放空等功能。控制阀承担安全功能时，具有严格的功能要求。本文主要讲解的控制阀主要指气动调节阀和气动开关阀。
控制阀联锁安全要求
控制阀除了泄漏等指标外，联锁动作时一般还需具备三个基本要求：故障安全位置；执行的可靠性；全行程响应时间。
1、故障安全位置
在工程实践中，当遇到气源、电源、信号故障时，不同的场合对阀门的状态有不同的要求，故障位置基本类型有故障开(FO)、故障关(FC)和故障保持(FL)三种，主要基于以下三方面：
①事故条件下，工艺装置尽量处于安全状态。
②事故状态下，减少原料或动力消耗，保证产品质量。
③考虑介质的特性。如气化炉烧嘴冷却水进口切断阀要求为FO，气化炉锁渣阀要求为FC等。
2、可靠性
功能安全是安全功能设计的重要内容，是评价安全功能实现的有效性和可靠性。根据海上和陆地可靠性数据(OREAD)表明，安全仪表功能中多达50%的失效可归因于控制阀，因此控制阀在承担安全功能时要求电磁阀冗余配置、满足一定的SIL目标要求，如气化炉氧气切断阀要求双电磁阀、SIL3等。
3、相应时间
控制阀在联锁时的全行程动作时间对安全生产具有重要影响，如氧气切断阀不能及时切断氧气会导致气化炉氧气过剩，造成局部温度过高或者爆炸的可能。因此在一些重要场合控制阀联锁时对阀门的全行程动作时间都有明确的要求，即紧急切断阀的最大行程时间不应超过10s。如气化炉氧气上游切断阀全行程时间由开到关小于3s，由关到开小于3s；锁渣阀全行程时间由开到关小于6s；由关到开小于6s；压力为9.8MPa的高压蒸汽遥控阀要求全行程时间由关到开小于1s。
安全功能设计方案
1、执行机构选择
控制阀安全位置本质上是由采用的执行机构实现。执行机构主要分单作用和双作用，单作用主要依靠弹簧的作用力和气路配置保障气源故障时处于FC或FO。双作用主要依靠储气罐和气路配置保障气源故障时处于FC，FO或FL。现场实际更多的是采用弹簧返回型单作用执行机构。
2、电磁阀配置
控制阀承担安全功能时基本都会采用电磁阀来设计气路，气路附件包含过滤减压阀、电磁阀、气控阀、放大器等，而电磁阀是电气转换的关键部件。为保障装置安全电磁阀一般按故障安全型设计，即电磁阀设计成正常得电励磁、失电联锁的方式。电磁阀ASCO 327B1 SIL认证参数见表1所列，按断电跳闸来说安全失效分数(SFF)为53.46%，按通电跳闸来说SFF为28.28%，SFF数值越大安全性越高。
表1中：λSD为检测出的安全失效，λSU为未检测出的安全失效，λDD为检测出的危险失效，λDU为未检测出的危险失效。电磁阀配置常见有单配置和串(并)联配置两种。
①单配置
单配置电磁阀类型较为常见，结构如图1所示。
该类型气路结构简单，投资费用少，一般场合应用较多，随着电磁阀可靠性的提高，在安全风险不高的SIL2回路上也可应用。
②串(并)联配置
串(并)联配置是指双电磁阀的配置结构形式，阀门联锁动作时需要2台电磁阀都失电的称串联，只需要其中任何1台电磁阀失电就联锁动作的称为并联，串(并)联电磁阀两种类型配置结构示意如图2所示。
由图2可看出，若采用并联方式，任何1台电磁阀的误排气都会导致联锁阀的误动作，因而误动作率是单电磁阀配置的2倍。采用串联方式，只有2台电磁阀同时动作时，才能联锁阀门，因而可用性较高误动作率低。串(并)联配置各有优缺点，根据风险后果选择，对安全要求高的建议采用并联方式如压缩机放空阀等，要求现场可靠运行无特别风险的可采用串联方式如水煤浆气化炉锁渣阀，要求30min动作一次，强调可靠性。另外串(并)联配置需正确选择电磁阀常开、常闭形式。
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