工程设计中电磁阀的选型

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DN25时，一定要区分开来。

    d）流体黏度。通常允许液体黏度一般在50CST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DN50要选择法兰接口，不大于DN50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0.04MPa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

    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ON/OFF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CV值可以达到3以上，而直动的一般CV值都小于1。

    当ON/OFF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。

    c）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GB03836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IEC60529和IEC529—598标准以及GB700-1986和GB4208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HAZOP（Hazard and Operability Study），仪表保护功能研究IPE Study（Instrumented Protectiv Function Study）其中包括安全完整性等级SIL（Safety Intergrity Level）的评级。因此，电磁阀的SIL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：TüV，SIL4，AK7认证（PFD＜4×10^-7），因而在设计中需要注意。

    2.10 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±10％左右。

    a）交流220V。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24V。行程大时线圈产生的磁力弱，力较小，当动铁芯不能吸合时，不会烧毁线圈，无蜂鸣声。虽然传输距离较短，但由于低功耗，24V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（1.6mm）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0～1MPa。

    c）可直接用PLC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24V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100台电磁阀，每个电磁阀的功耗为13W/24V，其总电流为54.2A，则需配10A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1.8W/24V，则电磁阀的总电流为7.5A，则需配10A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24V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2.5mm²的控制电缆来说，采用大功率电磁阀只能传输约500m，而低功耗电磁阀传输距离能达到1000m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DCS或SIS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：220V（交流）；24V（交流）。如果选用220V（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24V，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24V供电电磁阀的最小工作电压为20V，那么线路上的最大允许压降为4V。假设所选电磁阀的额定功率为3.6W，采用2芯1.5mm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13.7Ω/km，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：

    

    式中：I———电磁阀工作电流，A；P———电磁阀额定功率，W；V———电磁阀工作电压，V。

    b）允许电缆长度的计算：

    

    式中：R———电缆电阻，Ω；L₁———电缆单芯距离，km；L₂———电缆双芯距离，m。

综上所述，对于24V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（1.5mm）来降低线路上的压降，这样信号允许的传输距离可以达到1km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SIL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。

图1　双电磁阀串联结构

    图中，当电磁阀1励磁，A-B通，电磁阀2励磁，A-B通，则控制阀开；当电磁阀1励磁，A-B通，电磁阀2非励磁，B-C通，则控制阀关；当电磁阀1非励磁，B-C通，电磁阀2励磁，A-B通，则控制阀关；当电磁阀1非励磁，B-C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。

图2 双电磁阀并联结构

    图中，当电磁阀1励磁，A-B通，电磁阀2励磁，A-B通，则控制阀开；当电磁阀1励磁，A-B通，电磁阀2非励磁，B-C通，则控制阀关；当电磁阀1非励磁，B-C通，电磁阀2励磁，A-B通，则控制阀关；当电磁阀1非励磁，B-C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。

图3　双电磁阀冗余容错结构

    图中，当电磁阀1励磁，A-B通，电磁阀2励磁，A-B通，则控制阀开；当电磁阀1励磁，A-B通，电磁阀2非励磁，B-C通，则控制阀开；当电磁阀1非励磁，B-C通，电磁阀2励磁，A-B通，则控制阀开；当电磁阀1非励磁，B-C通，电磁阀2非励磁，B-C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。