工程设计中电磁阀的选型.pdf

u岔 u圳 1 ⅢI ～1 ．口 ， ⋯ 2 0 1 2年 1 2月 AUT OMA T1 0 N I N P E T R 0一 CHE MI C AL I N DU S T R Y D e c e mb e r ， 2 0 1 2 工程设计 中电磁 阀的选型 彭丽 ， 李涛 华陆工程科技有限责任公司， 西安 7 1 0 0 6 5 摘要 随着安全仪表系统在石油化工装置的广泛应用， 电磁阀作为控制安全联锁的执行者， 起着非常重要的作用； 从工程设计 角度出发， 通 过介绍 电磁 阀分类 ， 低功耗 电磁 阀的优势 ， 电磁阀的功耗及允许传输距 离的计算 ， 双 电磁 阀气路的连接方 式等 ， 探 讨电磁阀在工程设计 中的选 型特点 以及在安全仪表系统 中电磁阀的设计 。 关键词 电磁阀安全仪表系统冗余容错 中图分类号 T H 3 8 ． 5 2 文 献标 志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 2 0 6 0 0 1 5 0 4 S e l e c t i o n o f S o l e n o i d S a l v e i n Eng i n e e r i ng De s i g n Pe n g Li ， Li Ta o Hu a l u En g i n e e r i n g Te c h n o l o g y Co ．Lt d ． ，Xi ’ a n，7 1 0 0 6 5，Ch i n a Ab s t r a c t W i t h s a f e t y i n s t r u me n t s y s t e m b e i n g wi d e l y a p p l i e d i n p e t r o c h e mi c a l p l a n t ，s o l e n o i d v a l v e ’ S i mp o r t a n c e i s s e l f～e v i d e n t a s t h e e x e c a t o r o f s a f e t y i n t e r l o c k i n g s y s t e m． F r o m t h e p o i n t o f e n g i n e e r i n g d e s i g n v i e w， t h e s e l e c t i o n a n d d e s i g n o f s o l e n o i d v a l v e i n e n g i n e e r i n g d e s i g n a n d s a f e t y i n s t r u me n t a t i o n s y s t e m a r e e x p l o r e d b y t h e i n t r o d u c t i o n o f c l a s s i f i c a t i o n， t h e a d v a n t a g e o f l o w p o we r s o l e n o i d v a l v e ， p o we r c o n s u mp t i o n a n d a l l o wa b l e t r a n s mi s s i o n d i s t a n c e o f c a l c u l a t i o n ， t h e wa y s o f d u a l s o l e n o i d v a l v e ’ S p n e u ma t i c h o o k - u p a n d S O o n ． Ke y wo r d s s o l e n o i d v a l v e ；s a f e t y i n s t r u me n t s y s t e m ；r e d u n d a n c y f a u l t t o l e r a n t 在石化生产过程中， 对于安全仪表系统的设计 要求越来越高， 电磁阀作为安全联锁动作程序的执 行者 ， 虽处在配角位置， 却是 至关重要 的一环。在 安全仪表系统中， 安全联锁系统完全依赖 电磁阀来 实现阀门的动作 。因此， 电磁阀对系统安全起到决 定作用 。 1 电磁 阀简介 电磁 阀由电磁部件和阀体两个单元组成。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 即单线圈 和双电控 即双线圈 。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 、 先导式三大类 。 2电磁阀的选型 目前国内没有电磁阀的选型标准 ， 但 随着业主 对技术、 安全、 成本等要求越来越严格 ， 其选型尤为 重要 。电磁阀选型首先应该依次遵循安全性 、 可靠 性 、 适用性 、 经济性等原则 ， 其次应根据工程实际情 况进行选择。 2 ． 1 根据流体参数选择 电磁 阀的材质 a 腐蚀性流体， 宜选用 防腐 电磁 阀和全不锈 钢材质电磁阀； 食 品超净 流体 ， 宜选用食 品级不锈 钢材质电磁阀。 b 高温流体 ， 要选择耐高温材质的电磁阀， 而 且要选择活塞式结构类型的。 c 流体状 态大致有气 态 、 液态 和混合状 态 ， 特别是 口径大于 DN2 5时 ， 一定要 区分开来 。 d 流体 黏度。通 常允 许液体黏度一 般在 5 o C S T以下 ， 超过此值 ， 则要选用高黏度电磁阀。 在石化工业中， 电磁阀主要应用于阀门气路的 控制和小管道流体 的控制。介质 以空气为主， 应优 稿件收到 日期 2 0 1 2 0 9 2 5 。 作者简介 彭丽 1 9 7 9 一 ， 女 ， 陕 西西安人 ， 2 0 0 2年毕 业于郑 州大 学 自动化专业 ， 现就 职于华 陆工程科技有 限责任公司 ， 任工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 第 4 8 卷 先选用耐腐蚀材质或全不锈钢材质电磁阀。 2 ． 2 根据持续工作时间长短选择 电磁 阀类型 a 当电磁 阀需要长时间开启 ， 并且维持的时 间多于关断的时间， 应选用常开型。 b 要是 开启 的时间短或开 和关 的时 间不多 时， 则应选择常闭性。 c 有些用于安全保护 的工况 ， 如炉膛 火焰监 测等 ， 不能选用常开 的， 应选用长期通 电型。 2 ． 3 根据管道参数选择电磁阀的规格 a 按照现场管道内径或流量要求来确定通径 尺寸 。 b 接 口方式 ， 一般大于 DN5 0要选择法 兰接 口， 不大于 DN5 0 则可根据用户需要 自由选择。 2 ． 4 根据压力参数选择 电磁 阀的原理和结构 a 公称压力应根据管道公称压力来定 。 b 工作 压力 。如果工作压力低 ， 则选用 直动 或分步直动式原理 ； 最低 工作压差 在0 ． 0 4 MP a 以 上时， 直动式 、 分步直动式、 先导式均可选用 。最高 工作压差应小于电磁阀的最大标定压力 ； 一般电磁 阀都是单 向工作 ， 因而要注意是否有反压差 ， 如有 安装止 回阀。 2 ． 5 根据执行元件或应用选择电磁阀 表 1 简单地介绍了电磁阀的选型原则 。 表 1 电磁 阀的选型原则 应用场合 类型 电磁阀配在双作用气缸 气路上 二位三通、 二位四通或二 位五通电磁阀 曼 阀 配 在 单 作 用 气 缸 二 位 三 通 电 磁 阀 气 路 上 一 ～一⋯ 配在管路上控制 直通或二位三通电磁阀 流体通断 ⋯一 ⋯⋯ 工程设计中， 设计者在考虑安全且简单可行的 基础上 ， 单作 用执行机构通常选 用二位三通 电磁 阀； 双作用执行机构通常选用单电控二位五通 电磁 阀； 对双作用执行机构如果工艺要求失 电保位 ， 选 择双电控 电磁 阀二位五通电磁 阀。 2 ． 6 根据阀门类型选择电磁 阀 a 控制阀。由于电磁阀是安装在执行机构和 定位器之间， 压差很小 ， 所 以调节阀应选用零压差 启动的直动型电磁 阀。 b 开关 阀。根据执行机构对 电磁阀形式 ， 流 通能力 ， 开关速度的要求 当 o N／ O F F阀门气缸 比较大时 ， 应优先选用 先导式 电磁阀。先导电磁阀相 比于直动电磁 阀的 流通能力要大些 ， 一般 C V值可 以达到 3以上 ， 而 直动的一般 C V值都小于 1 。 当 ON／ O F F阀门气缸没特殊要求时 ， 就可选 用直动式 电磁阀， 其关断速度较先导式电磁阀快。 2 ． 7 根据环境条件选择 电磁 阀 a 环境的最高和最低温度应在允许范 围， 如 有超差需作特殊要求。 b 环境 中相对湿度高及有水滴雨淋等场合 ， 应选防水电磁阀。 0 环境 中经常有振动、 颠簸和冲击 等场合应 选特殊品种 ， 例如船用电磁阀。 d 在有腐蚀性或爆炸性 环境 中， 应优先根据 安全性要求选用耐腐蚀 的电磁阀。 e 环境空间若受限制 ， 请选用多功能电磁 阀， 因其省去了旁路及 3台手动阀且便于在线维修 。 f 根据环境 是需要 防尘型还是 防水 型， 从而 来确定电磁阀的防护等级 。 2 ． 8 根据危险区域划分选择电磁阀 所有的电磁线 圈的防爆等级均服从 G B 0 3 8 3 6 标准 ， 防护等级均服从于国际电工委员会关于气体 和尘埃 的 I E C 6 0 5 2 9和 ⅢC 5 2 9 5 9 8标 准 以及 G B 7 O 0 ～1 9 8 6和G B 4 2 0 8 标准。因此 ， 根据危险 区 域划分 ， 确定电磁 阀的防爆类别、 温度组别、 电器防 护、 外壳材质、 电气接 口等 ， 来进行电磁线圈类型 的 选择 。 2 ． 9 根据联锁的重要性来确定安全完整性等级 目前 ， 很多装置的设计中增加 了工厂危害和可 操 作 性 研 究 HAZ O P Ha z a r d a n d Op e r a b i l i t y S t u d y ，仪 表 保 护 功 能 研 究I P F S t u d y I n s t r u me n t e d P r o t e c t i v e F u n c t i o n S t u d y 其 中包 括安全完整性等级 S I L S a f e t y I n t e g r i t y L e v e 1 的 评级。因此 ， 电磁 阀的 S I L认 证也是很重要 的技 术指标 。不是所有的电磁阀都能够满足安全等级 T t i V， S I L 4 ， AK7 认证 PF D 41 0 ， 因而在 设计中需要注意。 2 ． 1 0 根 据 电压选择 电磁 阀 根据 电压规 格 ， 电磁 阀分 为交 流 和 直 流 电 磁 阀。 电磁 阀 的 电压 和 功耗 应 根 据 输 出容 量 选取 ， 电源 电压一般允 许波 动 1 0 左右 。 a 交流 2 2 0 V。行程大时线圈产生的磁力 强 ， 吸力较大 ， 当动铁芯不能吸合时 ， 易烧毁线 圈， 易产生蜂鸣声 ； 一般来 说交流 电源取用方便 ， 在长 距离电压损耗大时有优势。 b 直流 2 4 V。行程 大时线圈产生 的磁力弱 ， 吸力较小， 当动铁芯不能吸合时 ， 不会烧毁线圈 ， 无 蜂呜声 。虽然传输距离较短 ， 但 由于低功耗 ， 2 4 V 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 彭丽等．工程设计中电磁阀的选型 电磁 阀可以弥补传输距离短 的缺点 ， 因此成为当今 流行趋势 。 3 低功耗电磁阀的优势 低功耗电磁 阀是在直流电磁阀的基础上， 受益 于电磁 阀制造技术的不断改进 ， 受到越来越多用户 的欢迎 。 a 高可靠性 。优化后的磁性 回路使得功耗大 大降低 ， 大尺寸 1 ． 6 mm 先导孔不仅减少 了堵塞 的发生 ， 而且加快了响应时间。 b 操作压力范围为 0 ～1 MP a 。 c 可直接用 P L C和低 功耗输 出的过程系统 操作 。阀表面温度低 ， 具有较 高 的温度级 别 ， 极 其适 合 在 易 爆 的 环 境 下 使 用 ， 但 仅 限 于 气 体 介质 。 d 减少了直流 2 4 V稳压电源设备数量 。 与普通电磁阀相 比， 低功耗 电磁阀在使用备用 电池供电时， 可减少 电量 的消耗， 并且降低工作 时 产生 的热量 。如果 1 套装置有 1 0 0台电磁 阀， 每个 电磁 阀的功耗为 1 3 W／ 2 4 V， 其总电流为 5 4 ． 2 A， 则需配 1 0 A电源模块 6 个 ， 实际可能使用 9 个 用 6备 3 。而 如 果 改 用 低 功 耗 电 磁 阀， 功 耗 为 1 ． 8 W／ 2 4 V， 则电磁阀的总电流为 7 ． 5 A， 则需配 1 0 A电源模块 2个 用 1备 1 ， 减少了电源模块 7 个 ， 既降低了成本又减小了体积 。 e 解决了 2 4 V电磁阀的线路压降大的问题。 大功率和低功耗 电磁 阀的线路压降有着 明显 的优 势。例如对 2 ． 5 mm 的控制 电缆来说 ， 采用大功率 电磁阀只能传输约 5 0 0 m， 而低功耗电磁 阀传输距 离能达N1 0 0 0 m左右。 因此 ， 低功耗电磁阀虽然价格有所上升， 但其 连接导线和供电设备的费用降低了， 从而降低了维 护和维修成本 ， 还可以节省 电缆成本 ， 可 以由 D CS 或 S I S输入输出卡件直接驱动 。低功耗 电磁 阀功 耗除影响线距外 ， 功耗越低 ， 线圈温升越小 ， 适用于 高温气候环境， 对电源的宽容度很高。因此， 低功 耗 电磁 阀是未来的趋势。 4 电磁 阀的功耗及允许传输距离的计算 在实际的设计应 用 中， 电磁 阀有两 种供 电形 式 2 2 0 V 交 流 ； 2 4 V 交 流 。如 果 选 用 2 2 0 V 交流 供 电形式 ， 因为 供 电电压 高 ， 传 输 电 缆造成的压降不会影 响到电磁 阀正常工作 ， 不必 考虑 电缆 电阻损 失 的电压 降。如 果 电磁 阀的供 电电压为 2 4 V， 就必须根据 电磁 阀的最低工作 电 压来计算 电缆 的最大允许长度 。 如果 2 4 V 供 电 电磁 阀 的最 小 工 作 电压 为 2 0 V， 那么线路上的最大允许压降为 4 V。假设所 选 电磁阀的额定功率为 3 ． 6 W， 采用 2芯 1 ． 5 mm 的聚氯乙烯绝缘护套软电缆 ， 从电缆样本可以查到 电缆的最大直流电阻为1 3 ． 7 f l ／ k m， 由此可以计算 出电缆的最大允许长度。 a 电磁阀的工作电流 j P ／ V 一 3 ． 6 ／ 2 4 0 ． 1 5 A 式 中 I 电磁 阀工作 电流， A； P电磁 阀额 定功率 ， w； 电磁阀工作 电压， V。 b 允许电缆长度的计算 R 4 ／ 0 ． 1 5 2 6 ． 6 7 1 - 1 Ll 一 2 6 ． 6 7 ／ 1 3 ． 7 1 ． 9 4 7 k in L 2 1 9 4 7 ／ 2 9 7 3 m 式中R 电缆 电阻 ， Q； L 电缆单芯距 离， k m； L 电缆双芯距离 ， i n 。 综上所述， 对于 2 4 V低功率电磁阀 ， 为了保证 在不低于正常工作电压下工作 ， 通过选用线径电缆 1 ． 5 mm 来降低线路上的压降， 这样信号允许的 传输距离可以达到 1 k m左右 。 5 电磁阀的设计 在安全 仪表 系统 中 ， 为 了防止 、 减少危 险事 件 的发生 或者 保 持过 程 安全 状 态 ， 通 常 系统 设 计为故 障 安全 型 。为 了提 高 S I L级 别 ， 在 设 计 中通常会采用增 加 检 测原 件 ， 采用 “ 三取 二 ” 冗 余 等措施 来完 成 。在 电磁 阀 环节 中 ， 则 采 用 双 电磁 阀连接形式来提高故 障安全级别 。 a 当系统要求 高安全性时 ， 双电磁 阀易采用 串联结构 ， 即只有 2台电磁阀同时励磁时控制 阀才 能打开。设计 目的主要是在工艺设计 中， 防止操作 员误动作引起的阀门动作 。当然这种气路的连接 前提为设备是安全的， 不会损坏的。双电磁阀串联 结构如图 1 所示 。 仪表 空气 ◇ 电磁 阀1 ◇ 电磁N2 F C 图 1 双 电磁 阀 串联 结构 图中， 当电磁阀 1励磁 ， AB通 ， 电磁 阀 2励 磁 ， AB通 ， 则控制 阀开 ； 当电磁 阀 1励磁， AB 通 ， 电磁阀 2非励磁， BC通 ， 则控制阀关 ； 当电磁 阀 1非励磁 ， BC通 ， 电磁阀 2励磁 ， AB通， 则 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 石油化工 自动化 第 4 8卷 控制阀关 ； 当电磁 阀 1非励磁 ， BC通 ， 电磁阀 2 非励磁， B～C 通， 则控制阀关 。 b 当系统要求 高安全性时 ， 双电磁 阀还可 以 采用并联结构 ， 即要求只有 2台电磁阀同时励磁时 控制 阀才能打开。设计 目的与串联方式类似 ， 但是 实际使用较少 。双电磁阀并联结构如图 2所示 。 仪表 空气 F C 图 2 双 电磁 阀并联 结构 图中， 当电磁阀 1励磁 ， AB通 ， 电磁阀 2励 磁 ， AB通 ， 则控制阀开 ； 当电磁 阀 1励磁 ， AB 通 ， 电磁阀 2非励磁 ， BC通 ， 则控制阀关 ； 当电磁 阀 1 非励磁 ， BC通 ， 电磁阀 2励磁 ， AB通 ， 则 控制阀关 ； 当电磁阀 1 非励磁 ， BC通 ， 电磁 阀 2 非励磁 ， B C通 ， 则控制 阀关 。 c 当系统要求高时， 双电磁 阀易采用冗余 容 错结构 ， 即采用了双重化冗余容错供气管路， 可 以 尽可能地避免因 1台电磁阀损坏而引起 的误动作 。 双 电磁阀冗余容错结构如图 3 所示 。 仪表 空气 ◇ 电 磁 阀 1 ◇ 电 磁阀 2 图 3 双 电磁 阀 冗余 容错 结构 图中， 当电磁阀 1励磁 ， AB通 ， 电磁 阀 2励 磁 ， AB 通 ， 则控制 阀开 ； 当电磁 阀 1励磁 ， AB 通 ， 电磁 阀 2非励磁 ， BC通 ， 则控制阀开 ； 当电磁 阀 1 非励磁 ， BC通， 电磁 阀 2励磁 ， AB通， 则 控制阀开 ； 当电磁 阀 1非励磁 ， BC通 ， 电磁阀 2 非励磁 ， BC通 ， 则控制阀关 。 这种冗余容错结构的连接方式在 目前应用最 多。例如在水煤浆加压气化技术中， 比较典型的德 士古技术 、 煤浆管线上 的切断阀、 氧气管线切断阀 等都采用该方案 。当安全联锁系统发 出联锁信号 时， 必须确保相应的切断阀准确地执行相应的关闭 或打开动作 。根据安全联锁系统要求 ， 氧气切断阀 与煤浆切断阀之间建立的联锁是允许氧气切断 阀 仅在安全的情况下打开， 即防止氧气切断阀在煤浆 进料切断阀没有完全打开时打开和在任何煤浆切 断阀在返回原关 闭状态时打开。氧气切断 阀和煤 浆切断阀都需要采用冗余容错的双电磁 阀的控制 方案 ， 一旦接到联锁指令 煤浆切断阀没有完全打 开时 ， 氧气切断阀上的电磁 阀任意 1台动作失灵 的情况下 ， 另外 1台电磁阀还可 以及时动作让阀门 关闭， 否则氧气没有及 时关闭 ， 造成氧气提早进入 反应炉， 发生爆炸危险。 6 结束语 电磁阀在控制系统中是不可缺少 的控制元件 ， 正确选用电磁阀在安全仪表系统设计 中极其重要 ； 只有 电磁阀选型与设计在控制系统 中得到了 良好 的应用 ， 才能使得生产工艺更加优化 。 参考文献 [1] 唐丹蓉． 电磁 阀在 石油化工 装置安 全联锁 保护过 程 中的设 计与应用 [ J ] ． 石油化工 自动化 ， 2 0 0 3 ， 3 9 0 4 1 41 7 ． [2] 周超群． 电磁 阀的原理及 其在工 程设计 中应用 与探讨 E J ] ． 石油化工 自动化 ， 2 0 0 6 ， 4 2 O 5 9 5 9 7 ． [3] 陈学 敏． 工 程 中电磁 阀的应 用探讨 E J ] ． 石油 化工 自动 化 ， 2 0 09， 45 0 4 6 26 5 ． [ 4 ] 范咏峰． 双电磁阀配置在石油化工装置中的应用E J ] ． 石油 化工 自动化 ， 2 O l l ， 4 7 0 3 l Ol 4 ． [ 5 ] 缪煜新． 石油化工装置中s i s的安全功能E J ] ． 石油化工自动 化 ， 2 0 0 4 ， 4 0 O 3 1 2 1 4 ， 2 2 ． [6] 王兴培 ， 缪煜新 ， 邱宣振． 欧洲 电磁 阀技 术新 动向 _ J ] ． 石油 化工 自动化 ， 2 0 0 4 ， 4 0 0 4 8 9 9 0 ． [7] 李胜利 ， 卢金芳． 石油化工装置安全仪表系统的设计口] ． 石油 化工 自动化， 2 0 0 7 ， 4 3 0 2 2 1 2 5 ． [ 8 ] 沈加明． 采用冗余的双电磁阀来提高安全联锁保护系统的 可靠性 E J ] ． 石油化工 自动化 ， 1 9 9 4 ， 3 O O 1 8 一l O ． [9] 赵柱． 德士古水煤 浆加压 气化 炉安全 系统仪表 设计 E J ] ． 石 油化工 自动化 ， 2 0 0 3 ， 3 9 O 6 1 3 1 5 ，1 8 ． E l O 3 张磊 ， 付英． 电磁 阀的工 作原 理及其 在化 工装 置 中的应 用 E J ] ． 化工设计通讯 ， 2 o 1 2 ， 3 8 0 3 9 2 9 4 ， 9 7 ． [ 1 1 ] 中国石化集 团兰州设计 院． S H 3 0 2 0 --2 0 0 1石 油化工 仪表 供气设计规范E s 3 ． 北京 中国石化出版社， 2 0 0 2 ． E l 2 ] 黄步余． S H／ T 3 0 1 8 --2 0 o 3石油化工安全仪表系统设计规 范E s 3 ． 北京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 4 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m