工程設計中電磁閥的選型

2013-07-08 彭麗華陸工程科技有限責任公司

　　隨著安全儀表系統在石油化工裝置的廣泛應用，電磁閥作為控制安全聯鎖的執行者，起著非常重要的作用；從工程設計角度出發，通過介紹電磁閥分類，低功耗電磁閥的優勢，電磁閥的功耗及允許傳輸距離的計算，雙電磁閥氣路的連接方式等，探討電磁閥在工程設計中的選型特點以及在安全儀表系統中電磁閥的設計。

　　在石化生產過程中，對于安全儀表系統的設計要求越來越高，電磁閥作為安全聯鎖動作程序的執行者，雖處在配角位置，卻是至關重要的一環。在安全儀表系統中，安全聯鎖系統完全依賴電磁閥來實現閥門的動作。因此，電磁閥對系統安全起到決定作用。

1、電磁閥簡介

　　電磁閥由電磁部件和閥體兩個單元組成。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(即單線圈)和雙電控(即雙線圈)。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、先導式三大類。

2、電磁閥的選型

　　目前國內沒有電磁閥的選型標準，但隨著業主對技術、安全、成本等要求越來越嚴格，其選型尤為重要。電磁閥選型首先應該依次遵循安全性、可靠性、適用性、經濟性等原則，其次應根據工程實際情況進行選擇。

2.1、根據流體參數選擇電磁閥的材質

　　a)腐蝕性流體，宜選用防腐電磁閥和全不銹鋼材質電磁閥;食品超凈流體，宜選用食品級不銹鋼材質電磁閥。

　　b)高溫流體，要選擇耐高溫材質的電磁閥，而且要選擇活塞式結構類型的。

　　c)流體狀態大致有氣態、液態和混合狀態，特別是口徑大于DN25時，一定要區分開來。

　　d)流體黏度。通常允許液體黏度一般在50CST以下，超過此值，則要選用高黏度電磁閥。

　　在石化工業中，電磁閥主要應用于閥門氣路的控制和小管道流體的控制。介質以空氣為主，應優先選用耐腐蝕材質或全不銹鋼材質電磁閥。

2.2、根據持續工作時間長短選擇電磁閥類型

　　a)當電磁閥需要長時間開啟，并且維持的時間多于關斷的時間，應選用常開型。

　　b)要是開啟的時間短或開和關的時間不多時，則應選擇常閉性。

　　c)有些用于安全保護的工況，如爐膛火焰監測等，不能選用常開的，應選用長期通電型。

2.3、根據管道參數選擇電磁閥的規格

　　a)按照現場管道內徑或流量要求來確定通徑尺寸。

　　b)接口方式，一般大于DN50要選擇法蘭接口，不大于DN50則可根據用戶需要自由選擇。

2.4、根據壓力參數選擇電磁閥的原理和結構

　　a)公稱壓力應根據管道公稱壓力來定。

　　b)工作壓力。如果工作壓力低，則選用直動或分步直動式原理;最低工作壓差在0.04MPa以上時，直動式、分步直動式、先導式均可選用。最高工作壓差應小于電磁閥的最大標定壓力；一般電磁閥都是單向工作，因而要注意是否有反壓差，如有安裝止回閥。

2.5、根據執行元件或應用選擇電磁閥

　　表1簡單地介紹了電磁閥的選型原則。

表1 電磁閥的選型原則

　　工程設計中，設計者在考慮安全且簡單可行的基礎上，單作用執行機構通常選用二位三通電磁閥；雙作用執行機構通常選用單電控二位五通電磁閥;對雙作用執行機構如果工藝要求失電保位，選擇雙電控電磁閥二位五通電磁閥。

2.6、根據閥門類型選擇電磁閥

　　a)控制閥。由于電磁閥是安裝在執行機構和定位器之間，壓差很小，所以調節閥應選用零壓差啟動的直動型電磁閥。

　　b)開關閥。根據執行機構對電磁閥形式，流通能力，開關速度的要求：

　　當ON/OFF閥門氣缸比較大時，應優先選用先導式電磁閥。先導電磁閥相比于直動電磁閥的流通能力要大些，一般CV值可以達到3以上，而直動的一般CV值都小于1。

　　當ON/OFF閥門氣缸沒特殊要求時，就可選用直動式電磁閥，其關斷速度較先導式電磁閥快。

2.7、根據環境條件選擇電磁閥

　　a)環境的最高和最低溫度應在允許范圍，如有超差需作特殊要求。

　　b)環境中相對濕度高及有水滴雨淋等場合，應選防水電磁閥。

　　c)環境中經常有振動、顛簸和沖擊等場合應選特殊品種，例如船用電磁閥。

　　d)在有腐蝕性或爆炸性環境中，應優先根據安全性要求選用耐腐蝕的電磁閥。

　　e)環境空間若受限制，請選用多功能電磁閥，因其省去了旁路及3臺手動閥且便于在線維修。

　　f)根據環境是需要防塵型還是防水型，從而來確定電磁閥的防護等級。

2.8、根據危險區域劃分選擇電磁閥

　　所有的電磁線圈的防爆等級均服從GB03836標準，防護等級均服從于國際電工委員會關于氣體和塵埃的IEC60529和IEC529-598標準以及GB700-1986和GB4208標準。因此，根據危險區域劃分，確定電磁閥的防爆類別、溫度組別、電器防護、外殼材質、電氣接口等，來進行電磁線圈類型的選擇。

2.9、根據聯鎖的重要性來確定安全完整性等級

　　目前，很多裝置的設計中增加了工廠危害和可操作性研究HAZOP(Hazard and Operability Study)，儀表保護功能研究IPE Study(Instrumented Protectiv Function Study)其中包括安全完整性等級SIL(Safety Intergrity Level)的評級。因此，電磁閥的SIL認證也是很重要的技術指標。不是所有的電磁閥都能夠滿足安全等級：TüV，SIL4，AK7認證(PFD<4×10-7)，因而在設計中需要注意。

2.10、根據電壓選擇電磁閥

　　根據電壓規格，電磁閥分為交流和直流電磁閥。電磁閥的電壓和功耗應根據輸出容量選取，電源電壓一般允許波動±10%左右。

　　a)交流220V。行程大時線圈產生的磁力強，吸力較大，當動鐵芯不能吸合時，易燒毀線圈，易產生蜂鳴聲;一般來說交流電源取用方便，在長距離電壓損耗大時有優勢。

　　b)直流24V。行程大時線圈產生的磁力弱，力較小，當動鐵芯不能吸合時，不會燒毀線圈，無蜂鳴聲。雖然傳輸距離較短，但由于低功耗，24V電磁閥可以彌補傳輸距離短的缺點，因此成為當今流行趨勢。

3、低功耗電磁閥的優勢

　　低功耗電磁閥是在直流電磁閥的基礎上，受益于電磁閥制造技術的不斷改進，受到越來越多用戶的歡迎。

　　a)高可靠性。優化后的磁性回路使得功耗大大降低，大尺寸(1.6mm)先導孔不僅減少了堵塞的發生，而且加快了響應時間。

　　b)操作壓力范圍為0～1MPa。

　　c)可直接用PLC和低功耗輸出的過程系統操作。閥表面溫度低，具有較高的溫度級別，極其適合在易爆的環境下使用，但僅限于氣體介質。

　　d)減少了直流24V穩壓電源設備數量。

　　與普通電磁閥相比，低功耗電磁閥在使用備用電池供電時，可減少電量的消耗，并且降低工作時產生的熱量。如果1套裝置有100臺電磁閥，每個電磁閥的功耗為13W/24V，其總電流為54.2A，則需配10A電源模塊6個，實際可能使用9個(用6備3)。而如果改用低功耗電磁閥，功耗為1.8W/24V，則電磁閥的總電流為7.5A，則需配10A電源模塊2個(用1備1)，減少了電源模塊7個，既降低了成本又減小了體積。

　　e)解決了24V電磁閥的線路壓降大的問題。大功率和低功耗電磁閥的線路壓降有著明顯的優勢。例如對2.5mm²的控制電纜來說，采用大功率電磁閥只能傳輸約500m，而低功耗電磁閥傳輸距離能達到1000m左右。

　　因此，低功耗電磁閥雖然價格有所上升，但其連接導線和供電設備的費用降低了，從而降低了維護和維修成本，還可以節省電纜成本，可以由DCS或SIS輸入輸出卡件直接驅動。低功耗電磁閥功耗除影響線距外，功耗越低，線圈溫升越小，適用于高溫氣候環境，對電源的寬容度很高。因此，低功耗電磁閥是未來的趨勢。

4、電磁閥的功耗及允許傳輸距離的計算

　　在實際的設計應用中，電磁閥有兩種供電形式：220V(交流);24V(交流)。如果選用220V(交流)供電形式，因為供電電壓高，傳輸電纜造成的壓降不會影響到電磁閥正常工作，不必考慮電纜電阻損失的電壓降。如果電磁閥的供電電壓為24V，就必須根據電磁閥的最低工作電壓來計算電纜的最大允許長度。

　　如果24V供電電磁閥的最小工作電壓為20V，那么線路上的最大允許壓降為4V。假設所選電磁閥的額定功率為3.6W，采用2芯1.5mm的聚氯乙烯絕緣護套軟電纜，從電纜樣本可以查到電纜的最大直流電阻為13.7Ω/km，由此可以計算出電纜的最大允許長度。

　　a)電磁閥的工作電流：

　　式中：I———電磁閥工作電流，A;P———電磁閥額定功率，W;V———電磁閥工作電壓，V。

　　b)允許電纜長度的計算：

　　式中：R———電纜電阻，Ω;L1———電纜單芯距離，km;L2———電纜雙芯距離，m。

　　綜上所述，對于24V低功率電磁閥，為了保證在不低于正常工作電壓下工作，通過選用線徑電纜(1.5mm)來降低線路上的壓降，這樣信號允許的傳輸距離可以達到1km左右。

5、電磁閥的設計

　　在安全儀表系統中，為了防止、減少危險事件的發生或者保持過程安全狀態，通常系統設計為故障安全型。為了提高SIL級別，在設計中通常會采用增加檢測原件，采用“三取二”冗余等措施來完成。在電磁閥環節中，則采用雙電磁閥連接形式來提高故障安全級別。

　　a)當系統要求高安全性時，雙電磁閥易采用串聯結構，即只有2臺電磁閥同時勵磁時控制閥才能打開。設計目的主要是在工藝設計中，防止操作員誤動作引起的閥門動作。當然這種氣路的連接前提為設備是安全的，不會損壞的。雙電磁閥串聯結構如圖1所示。

圖1　雙電磁閥串聯結構

　　圖中，當電磁閥1勵磁，A-B通，電磁閥2勵磁，A-B通，則控制閥開;當電磁閥1勵磁，A-B通，電磁閥2非勵磁，B-C通，則控制閥關;當電磁閥1非勵磁，B-C通，電磁閥2勵磁，A-B通，則控制閥關;當電磁閥1非勵磁，B-C通，電磁閥2非勵磁，B-C通，則控制閥關。

　　b)當系統要求高安全性時，雙電磁閥還可以采用并聯結構，即要求只有2臺電磁閥同時勵磁時控制閥才能打開。設計目的與串聯方式類似，但是實際使用較少。雙電磁閥并聯結構如圖2所示。

圖2 雙電磁閥并聯結構

　　c)當系統要求高時，雙電磁閥易采用冗余容錯結構，即采用了雙重化冗余容錯供氣管路，可以盡可能地避免因1臺電磁閥損壞而引起的誤動作。雙電磁閥冗余容錯結構如圖3所示。

圖3　雙電磁閥冗余容錯結構

　　圖中，當電磁閥1勵磁，A-B通，電磁閥2勵磁，A-B通，則控制閥開;當電磁閥1勵磁，A-B通，電磁閥2非勵磁，B-C通，則控制閥開;當電磁閥1非勵磁，B-C通，電磁閥2勵磁，A-B通，則控制閥開;當電磁閥1非勵磁，B-C通，電磁閥2非勵磁，B-C通，則控制閥關。

　　這種冗余容錯結構的連接方式在目前應用最多。例如在水煤漿加壓氣化技術中，比較典型的德士古技術、煤漿管線上的切斷閥、氧氣管線切斷閥等都采用該方案。當安全聯鎖系統發出聯鎖信號時，必須確保相應的切斷閥準確地執行相應的關閉或打開動作。根據安全聯鎖系統要求，氧氣切斷閥與煤漿切斷閥之間建立的聯鎖是允許氧氣切斷閥僅在安全的情況下打開，即防止氧氣切斷閥在煤漿進料切斷閥沒有完全打開時打開和在任何煤漿切斷閥在返回原關閉狀態時打開。氧氣切斷閥和煤漿切斷閥都需要采用冗余容錯的雙電磁閥的控制方案，一旦接到聯鎖指令(煤漿切斷閥沒有完全打開時)，氧氣切斷閥上的電磁閥任意1臺動作失靈的情況下，另外1臺電磁閥還可以及時動作讓閥門關閉，否則氧氣沒有及時關閉，造成氧氣提早進入反應爐，發生爆炸危險。