阀门部分行程测试的探讨与应用.pdf
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1、窗仪器仪表Jul,20232023年7 月AUTOMATION INPETRO-HEMICALINDUSTRY石自动油Vol.59,No.4第59 卷化第4期化阀门部分行程测试的探讨与应用张戈亚(中石化上海工程有限公司,上海2 0 0 2 33)摘要:介绍了紧急切断阀部分行程测试的应用背景,列举了目前主流的三种实施方案,并从安全可靠性、经济性、使用注意事项等方面综合分析了三者的优缺点;介绍了具有部分行程测试功能的紧急切断阀的平均失效率的计算公式,并通过实例计算验证了部分行程测试对于平均失效率的影响。探讨了部分行程测试的使用场合,以及是否采用具有部分行程测试功能的阀门即可满足安全性需求,经过分析
2、得出在使用部分行程测试阀门时需要关注的参数。关键词:紧急切断阀;部分行程测试;安全完整性等级中图分类号:TH138;TP273文献标志码:B文章编号:10 0 7-7 32 4(2 0 2 3)0 4-0 0 7 3-0 5Discussion and Application of Partial Stroke Test of ValveZhang Geya(Sinopec Shanghai Engineering Co.Ltd.,Shanghai,200233,China)Abstracts:The application background of partial stroke test
3、of emergency shut-off valve isintroduced,three mainstream implementation schemes are listed,the advantages anddisadvantages of three schemes are comprehensively discussed from the aspects of safety andreliability,economy,and precautions for use,etc.The calculation formula of the averagefailure rate
4、of the emergency shut-off valve with partial stroke test function is introduced,theinfluence of partial stroke test on the average failure rate is verified by an example calculation.The application occasion of partial stroke test is discussed,whether the valve with partialstroke test function can me
5、et the safety requirements is also discussed.The parameters thatneed to be concerned when using valves with partial stroke test are obtained after analysis.Key words:emergency shut-off valve;partial stroke test;safety integrity level安全仪表系统(SIS)在石油化工行业获得广泛应用,为生产装置的安全运行保驾护航。阀门部分行程测试(PST)11作为一种专门用于联锁切断
6、阀上的在线检测功能,可以灵活有效地降低阀门故障率,在满足回路安全完整性等级(SIL)要求的前提下,延长阀门的离线检验测试周期。目前在IEC61508和IEC61511中亦提到可采用PST的方式来提高联锁阀门的安全性2 。中国石化炼化企业联锁保护系统管理细则4.2.5条要求:“安全仪表系统中执行器宜具有自诊断功能。当对应SIL等级为SIL2及以上的安全仪表功能(SIF),若执行元件的检验测试间隔(TI)小于装置检修周期或工艺专利包有要求时,气动切断阀形式的执行元件宜配置PST功能,执行元件具有在线测试手段的除外。”对于连续生产的石化装置来说,能通过PST来保证阀门的检验测试周期与大修周期吻合,避
7、免频繁的离线检修。本文分析了实现PST的不同方案,介绍了PST的SIL等级的计算方法,并分析如何通过PST有效提高回路的可靠性。1#技术背景当装置正常运行时,紧急切断阀将会长期维持在某一种状态,这种“固着”现象 3 可能会导致阀门的卡涩,从而大幅降低安全系统的可靠性。因此,需要定期进行行程测试来判断是否有隐患存在,避免在紧急情况下无法正确执行安全功能动作。ESD阀门的在线行程测试主要有两种方式,一种为完全行程测试(FST)4,FST的阀门应设置手动测试开关按钮、旁路管线及切断阀,当进行FST时,顾名思义,就是将阀门完全从全开运行到全关,因此需在正常开车状态下切换到旁路,可能造成工艺参数的波动,
8、且FST会对阀门部件带来稿件收到日期:2 0 2 3-0 4-2 4,修改稿收到日期:2 0 2 3-0 5-16。作者简介:张戈亚(1990),女,2 0 15年毕业于华东理工大学控制工程专业,获硕士学位,现就职于中石化上海工程有限公司,从事石油化工自动化设计工作,任工程师。74石油化工自动化第59 卷过度磨损。另一种为PST,当进行PST时,只需将阀门周期性地由全开位置运行到10%30%的开度位置再开启,通过收集和分析该段时间内阀杆的移动情况来判断阀门是否存在卡涩甚至卡死的情况。2PST实施方案针对PST,有以下三种主流实施方案。2.1气动执行机构机械限位方案气动执行机构机械限位方案及优缺
9、点如下:1)具备PST功能的单作用执行器紧急切断阀的控制原理。当进行PST时,按下PST组合阀的开关按钮,执行器向下排气,同时向“关”阀位移动。当移动到预设位置(通常预设位置为10%30%关闭行程)时,预设撞块会碰撞凸轮阀,使凸轮阀换向后给PST组合阀一个气压信号,使得PST组合阀复位。执行器下腔进气,重新回到“开”阀位,从而完成PST测试。单作用气动执行机构PST测试控制原理如图1所示。SUP执行器PST组合阀电磁阀减压阀凸轮阀图1单作用气动执行机构PST测试控制原理示意2)具备PST功能的双作用执行器紧急切断阀的控制原理。同样,当进行PST时,气控阀先导排气,执行器向“关”阀位移动。当移动
10、到预设位置(通常预设位置为10%30%关闭行程)时,预设撞块会碰撞凸轮阀,使凸轮阀换向后给PST组合阀一个气压信号,使得PST组合阀复位并保持进气状态,气控阀收到气信号后,阀位切换,执行器重新回到“开”阀位。双作用气动执行机构PST测试控制原理如图2 所示。3)优点。该方案的优点在于控制系统均为简单独立的机械设备,不含有电子控件,不需要软件进行控制,不需要对操作人员进行过于复杂的培训。因此,该系统是故障安全型的,不会因为紧急切断阀快速动作造成误停车。4)缺点。该方案需要确认在PST过程中设置为联锁优先,不然在极端情况(PST测试与紧急联锁并发时)下有不响应联锁的风险。此外,如在已有阀门加装该功
11、能时需更换特殊型号的执行机构,经济成本较高。电磁阀SUPPST组合阀开减压阀气控阀执行器凸轮阀图2双作用气动执行机构PST测试控制原理示意2.2限位开关方案限位开关方案及优缺点如下:1)限位开关方案。该方案是给原有阀门加装一种基于限位开关的自动部分行程测试设备,当需要进行PST测试时,瞬间给电磁阀断电,阀门因电磁阀失电后动作,位置传感器感应到阀门动作到预设位置后,重新给电磁阀通电,从而使阀门恢复到原始位置 6 。当阀门卡住时,该设备会即时给电磁阀一个电流,阀门回到原始位置,同时输出PST失败的故障信号。2)优点。在已有阀门上可灵活加装,无需另配电磁阀。3)缺点。操作不能自动进行,且需要人为控制
12、及记录测试结果。此外,考虑到信号传输时间等因素,小口径阀门PST易误动作全关,造成停车的风险。限位开关方案的PST测试控制原理如图3所示。继电器(部分用于PST电路)先导ESD阀(包括滑阀电磁阀执行机构)PLCDO(24V)1ESD阀门状态轴一部分行程测试(传感开固定在器和诊断)关一一轴上的磁体PS位置dPST轴磁体控制的簧片开关开关(本地)错误代码合格/失败可选择的PST开关(远程)图3限位开关方案的PST测试控制原理示意75张戈亚.阀门部分程测试的探讨与应用第4期2.3阀门定位器方案阀门定位器方案及优缺点如下:1)阀门定位器方案。在紧急切断阀上加装智能阀门定位器也是较为主流的PST的实施方
13、案。当需要进行行程测试时,可在DCS中直接启动测试命令,向阀门定位器上输出一个AO信号,定位器控制阀杆动作到预设位置,再恢复到原始位置。定位器设置时长报警,当阀门进行PST动作时长超过预设值时,立即中断测试并发出紧急报警信号。如在阀门的气缸或膜头上装有高灵敏度的压力变送器,则该压力信号采用HART协议或AI信号传回DCS,可生成一条阀门阀位与气缸或膜头压力的对应曲线 5。通过相关软件将该条曲线与阀门的特征曲线进行对比,来判断阀门的工作情况是否良好。2)优点。加装方便且自动化程度高,可完成远程PST操作,并在实施过程中在线监测紧急切断阀的阀位信息和膜头或气缸压力情况,可通过诊断分析自动生成行程测
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