SIS閥執行機構的選型

中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司

SIS閥執行機構的選型

王書惠中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司

當油氣田或管道站場發生火災或者是大面積泄漏時，采用緊急切斷閥進行切斷，切斷有毒、可燃介質向外面泄放；需要時，啟用緊急放空閥，將有毒、可燃介質直接泄放到火炬或者放空立管。根據API 553—2012規范的基本技術要求，結合近幾年國內外油氣田及天然氣、成品油、原油輸送管道應用的經驗教訓，探討緊急切斷閥、緊急放空閥執行機構在設計選型時容易模糊的技術問題，例如：防火、手輪、開關時間、復位、電磁閥配置、診斷等，確保緊急切斷閥、緊急放空閥執行機構技術要求和設計選型正確。

執行機構；SIS閥；ESDV；BDV；防火；復位；診斷

緊急切斷閥、緊急放空閥作為安全儀表系統的執行設備，在石油天然氣行業中的應用越來越多。當油氣田或管道站場發生火災或者是大面積泄漏時，采用緊急切斷閥進行切斷，切斷有毒、可燃介質向外面泄放；需要時，啟用緊急放空閥，將有毒、可燃介質直接泄放到火炬或者放空立管。

根據API553—2012規范的基本技術要求，結合近幾年國內外油氣田及天然氣、成品油、原油輸送管道應用的經驗教訓，探討緊急切斷閥、緊急放空閥執行機構在設計選型時容易模糊的技術問題，例如：防火、手輪、開關時間、復位、電磁閥配置、診斷等，確保緊急切斷閥、緊急放空閥執行機構技術要求和設計選型正確。

緊急切斷閥、緊急放空閥閥體部分如何選型這里不進行討論。緊急切斷閥（ESDV）、緊急放空閥（BDV）由安全儀表系統（SIS系統）控制，統稱為SIS閥(包括ESDV和BDV)。

縮寫及名詞解釋：SIS為安全儀表系統（Safety Instrumented System）；ESDV為緊急切斷閥（Emergency Shutdown Valve）；BDV為緊急放空閥（Blowdown Valve）；PST為部分行程測試（Partial Stroke Testing）；HMI為人機界面（Human Machine Interface）。

1 執行機構的主要類型

按照API553—2012規范，SIS閥的執行機構一般情況下選擇氣動執行機構、電液執行機構、電動執行機構。

具體工程中采用哪種形式的執行機構，選型原則是：有氣源（空氣或者氮氣等）時，SIS閥最優采用氣動執行機構；無氣源時，SIS閥優先考慮采用電液執行機構；通常不推薦電動執行機構作為SIS閥的執行機構，在既無氣源又需要考慮價格因素且通過業主批準時，可以采用電動執行機構，但是需要額外的條件進行限制。

2 執行機構的通用技術要求

2.1防火

在執行機構的選型中，防火要求最為模糊。

按照API553—2012規范，SIS閥（軟密封）防火測試要求符合API607；SIS閥（金屬密封）防火測試要求符合API608、API6FA。

2.2手輪

SIS閥一般獨立設置，不參與過程控制，不應配置手輪，因為手輪可能會阻止SIS閥返回到安全狀態。

如果設計中要求某些過程控制閥除了具有過程控制閥的功能之外，還要求具有SIS閥的功能，配置手輪必須通過正式的批準和授權。

2.3閥位指示

SIS閥必須配置閥位就地指示。在工程應用中，SIS閥除了就地顯示閥位之外，也配套位置開關，SIS閥閥位在控制室HMI上進行顯示。

2.4開關時間

在不損壞閥體和產生水擊時，執行機構的速度越快越好。一般推薦達到安全狀態是5～10 s。對于液體管道，需要考慮減緩管道的水擊效應，因此關閥時間需要慎重考慮，需要與工藝計算相結合。

2.5扭矩

SIS閥的執行機構扭矩需要考慮20%～40%的余量，以克服對未知扭矩的需求。

3 氣動執行機構

對于角行程的SIS閥（例如球閥、旋塞閥等），最優選擇是采用氣動執行機構。

氣動執行機構的故障安全是指發生儀表氣源故障時ESDV關閉或者BDV打開。

3.1防火要求

根據API553—2012規范防火的具體要求，SIS閥執行機構本體及外部所有配件（主要包括氣源、關鍵的電氣接線、就地控制盤等）必須能夠承受1 093℃的高溫，內部所有配件和接線能夠承受93℃的高溫，且至少持續30min。關鍵的電氣接線定義為：可能阻礙執行機構到達安全位置的接線（主要包括執行機構控制回路的變壓器、一次或者二次接線）。

SIS閥設計時除了要求執行機構達到上面的防火要求之外，執行機構的外部供電電纜及控制電纜統一要求為耐火電纜，這樣才能保證執行機構在30min能夠順利完成開閥或者關閥的動作；同時，執行機構也要求能夠承受火災中消防水的沖擊，防雨、防曬。

3.2復位

執行機構采用故障安全式，并且一直保持在安全位置。當所有運行的條件重新滿足要求時，經過SIS命令控制之后的閥門，不能直接打開或者關閉，必須經人工現場復位之后才能打開或者關閉，即人工復位。人工復位按鈕可以是在現場設置的HMI盤上的復位按鈕，也可以是SIS閥電磁閥自帶的復位按鈕（復位手柄或者按鈕）。

按照API 553—2012規范，推薦SIS閥是失電動作。SIS閥的電磁閥，斷電時電磁閥不允許強制或者重置到正常位置。如果SIS閥采用得電動作，電磁閥推薦采用診斷回路，定期、頻繁地進行測試。

3.3電磁閥配置

（1）1OOX配置電磁閥。SIS系統設計為故障安全型時，這種配置具有高安全性，同時也具有較高虛假停車的可能性。工程中根據工藝的需要，一般會選擇1OO2。任何1個電磁閥失電，那么SIS閥都會打開或者關閉。

（2）2OOX配置電磁閥。SIS系統設計為故障安全型時，這種配置具有高可靠性，降低了虛假停車的可能性，同時也降低了SIS的安全性。工程中根據工藝的需要，一般會選擇2OO2、2OO3。任何1個電磁閥出現問題失電，SIS閥不會動作，只有2個電磁閥及以上出現問題時，SIS閥才會動作。

3.4診斷測試

（1）PST功能測試。目前，ESDV閥的PST功能主要有3種方式實現：配套數字閥門定位器；配套閥門位置開關；機械開關。無論采用哪種方式，只要ESDV接到緊急切斷命令就能立即執行關閥命令，無論此時ESDV是否正在進行PST測試。ESDV閥配套PST功能，在確保SIS系統安全運行的情況下，ESDV能夠在一定范圍內保證閥關閉5%或者10%的開度，之后再次返回到全開狀態。PST功能克服了ESDV長期處于開狀態，產生機械故障（SIS未得到信息）時一旦需要關閥而不能關閉的情況。

（2）旁通閥測試。SIS閥配套旁路閥，實現SIS閥在線的、全行程的測試和維護。典型的SIS是由多個手動切斷閥和1個旁通閥（或者是1個盲板）組成。旁通閥在不使用時，必須處于關閉狀態，打上鉛封或者是鎖上。SIS旁通閥帶有顏色標識、鎖扣、鎖栓，防止有人不小心誤操作打開。旁通閥符合API 607（軟密封）、API608（金屬密封）、API 6FA的防火安全要求。旁通閥與SIS閥要求具有同樣的或者更高級別的密封。旁通閥不能用于旁通不安全的工藝過程，不能用于工藝裝置投產時的旁路。

4 電液與電動執行機構

沒有儀表風時，SIS閥執行機構推薦采用單作用的電液執行機構。其他技術要求與氣動執行機構一致。

通常不推薦電動執行機構作為SIS閥的執行機構，因為電動執行機構在失去電源時，只能是故障保位的。在一些工程中，在既無氣源又需要考慮價格因素且通過業主批準時，可以采用電動執行機構作為SIS閥的執行機構，但是需要滿足下面的要求：

（1）防火要求。電動執行機構必須是防火選型，滿足防火要求。

（2）供電要求。必須有備用電源進行供電。備用電源可以是電池、UPS電源、分開獨立的供電回路等。

（3）旁路要求。無論SIS閥處于什么控制形式（就地、遠控），只要電動執行機構接到安全儀表系統的命令都能執行緊急關或者開的命令。電動執行機構緊急關或者開的命令，要求能旁路本體的保護回路，如過扭矩保護、控制回路熔斷器保護、熱過載保護、電機繞組熱過載保護回路等。

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.1.033