目前，對處于裝置現(xiàn)場爆炸危險區(qū)域范圍內(nèi)的儀表，一般通過選用能夠滿足規(guī)范要求的防爆型儀表設(shè)備來避免危險的發(fā)生。而最常用的儀表設(shè)備防爆類型分為隔爆型及本安型。相比于隔爆型儀表設(shè)備，本安型儀表可實現(xiàn)帶電狀態(tài)下的開蓋檢修維護，其中“ia”級產(chǎn)品更是能應(yīng)用于0區(qū)爆炸危險性場所(GB/T3836.1-2021)，除此以外，本安型儀表的價格通常要低于同配置的隔爆型儀表設(shè)備。因此，在化工裝置中，本安型的儀表設(shè)備應(yīng)用越來越普遍。儀表設(shè)備的本安防爆類型作為一種本質(zhì)安全型的防爆設(shè)計方案，廣泛應(yīng)用于各類具有爆炸危險性風險的化工裝置中。但是在目前的工程實踐中，通常只注重本安產(chǎn)品的選用，卻忽視了對本安回路系統(tǒng)的驗證，因而無法保證系統(tǒng)的本質(zhì)安全性能。筆者結(jié)合具體產(chǎn)品的安全參數(shù)，提出本安回路計算在工程設(shè)計中的具體應(yīng)用思路及方法。
1、本安回路系統(tǒng)
1.1 本安防爆原理
本安防爆技術(shù)的基本原理是從限制儀表回路的能量入手，可靠地將電路中的電壓和電流限制在允許的范圍內(nèi)，以保證儀表設(shè)備在正常工作或發(fā)生短路及元器件損壞等故障情況下產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)，不至于引起其周圍可能存在的可燃性氣體的爆炸。本安型儀表設(shè)備與隔爆型儀表設(shè)備相比具備前言所述的諸多優(yōu)點。
1.2 本安回路的構(gòu)成
盡管本安儀表在應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢，但并非只要選用了本安型儀表設(shè)備，就一定能確保現(xiàn)場設(shè)備運行的本質(zhì)安全。本安回路通常由本安儀表設(shè)備、本安電纜、關(guān)聯(lián)設(shè)備(安全柵)3部分構(gòu)成，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 本安回路典型結(jié)構(gòu)示意圖
第1部分，本安儀表設(shè)備可分為本安儀表及簡單設(shè)備。本安儀表本身具備儲能元件，需要經(jīng)過相應(yīng)的防爆認證，如常用的智能型變送器、閥門定位器等；簡單設(shè)備通常指無源的元件或者可產(chǎn)生的電壓不超過1.5V、電流不超過100mA、功率不超過25mW(GB/T3836.4-2021)的設(shè)備，如熱電阻、熱電偶、機械開關(guān)等，此類儀表設(shè)備無需進行防爆認證，可直接應(yīng)用于本安回路中。
第2部分，本安電纜是指具備低分布電容、低分布電感的計算機屏蔽電纜，該電纜同時具備良好的屏蔽性能和抗干擾性能。
第3部分，關(guān)聯(lián)設(shè)備指含有本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路，且結(jié)構(gòu)使非本質(zhì)安全電路不能對本質(zhì)安全電路產(chǎn)生不利影響的電氣設(shè)備。在工程應(yīng)用中，常見的關(guān)聯(lián)設(shè)備即為安全柵，安全柵通常安裝在位于非爆炸危險區(qū)(安全區(qū))的控制室內(nèi)，安全柵通過限流電阻電路及限壓二極管限制送往現(xiàn)場本安儀表設(shè)備的能量，從而有效阻止危險能量串入本安回路中。
2、本安回路的參數(shù)驗證
一個儀表回路系統(tǒng)最終能否構(gòu)成本安回路，需要經(jīng)過本安回路的認證。目前，本安回路的認證方法主要有系統(tǒng)認可及參量認可兩種(另外一種FISCO認可方法主要針對總線結(jié)構(gòu)的儀表系統(tǒng))。其中，系統(tǒng)認可屬于整體認證，一旦獲得認證就不能更改組成結(jié)構(gòu)中的任一個部分，因此在項目中應(yīng)用的可行性較差。工程實際中，目前最常用的是本安回路的參量認可法。參量認可是指對單臺設(shè)備進行的認可，并給出一組相應(yīng)的安全參數(shù)。采用這種方法認證的本安儀表設(shè)備可以與具備相兼容的安全參數(shù)的關(guān)聯(lián)設(shè)備連接使用而構(gòu)成本質(zhì)安全回路。下面具體介紹參量認可法涉及的安全參數(shù)及參量認可法的相關(guān)不等式。
2.1 本安儀表設(shè)備的安全參數(shù)
本安儀表設(shè)備的安全參數(shù)具體定義如下：
a、最高輸入電壓(Ui)?？墒┘拥皆O(shè)備的連接件上，不會使防爆型式失效的最高電壓(交流或直流)。
b、最大輸入電流(Ii)?？墒┘拥皆O(shè)備的連接件上，不會使防爆型式失效的最高電流(交流或直流)。
c、最大輸入功率(Pi)?？墒┘拥皆O(shè)備的連接件上，不會使防爆型式失效的最大功率。
d、最大內(nèi)部電容(Ci)。連接件上出現(xiàn)的設(shè)備的最大等效內(nèi)部電容。
e、最大內(nèi)部電感(Li)。連接件上出現(xiàn)的設(shè)備的最大等效內(nèi)部電感。
2.2 關(guān)聯(lián)設(shè)備(安全柵)的安全參數(shù)
安全柵的安全參數(shù)具體定義如下：
a、最高輸出電壓(Uo)。任何施加電壓達到最大電壓的設(shè)備的連接件上出現(xiàn)的最高電壓(交流或直流)。
b、最大輸出電流(Io)?？蓮脑O(shè)備的連接件獲得的設(shè)備中的最大電流(交流或直流)。
c、最大輸出功率(Po)。可從設(shè)備獲取的最大電功率。
d、最大外部電容(Co)?？蛇B接到設(shè)備的連接件上，不會使防爆型式失效的最大電容。
e、最大外部電感(Lo)。可連接到設(shè)備的連接件上，不會使防爆型式失效的最大電感。
2.3 本安電纜的安全參數(shù)
連接電纜存在分布電容和分布電感，這使得連接電纜成為儲能元件。本安電纜對其單位長度的分布電容及分布電感有嚴格要求。本安電纜的安全參數(shù)可從電纜樣本中獲得，參數(shù)的具體定義(GB/T3836.18-2017)如下：
a、最大電纜電容(Cc)。可以連接到本質(zhì)安全電路上，而不會使本質(zhì)安全性能失效的互連電纜的最大電容。
b、最大電纜電感(Lc)?？梢赃B接到本質(zhì)安全電路上，而不會使本質(zhì)安全性能失效的互連電纜的最大電感。
最大電纜電容及最大電纜電感的計算式分別為：
Cc=Ck×L
Lc=Lk×L
式中Ck為電纜單位長度分布電容，參考電纜樣本，該數(shù)值一般取最大90pF/m；L為電纜長度；Lk為電纜單位長度分布電感，參考電纜樣本，該數(shù)值一般取最大0.6μH/m。
2.4 本安回路計算關(guān)系式
采用參量認可法進行本安回路認證時，只需比較本安儀表設(shè)備、本安電纜及安全柵的各項參數(shù)。當它們滿足表1關(guān)系式時，不必經(jīng)檢驗機構(gòu)認可即可認為構(gòu)成了本安回路系統(tǒng)。
表1本安回路參數(shù)驗證不等式
需要指出的是，表1的驗證不等式僅限用于圖1所示的簡單本安回路的驗證。當本安儀表回路中串入了現(xiàn)場指示儀時需要對驗證不等式進行修正(GB/T3836.15-2017，IEC60079-14:2013)。另外，對于涉及多臺本安儀表或多臺安全柵之間串聯(lián)的回路，本安系統(tǒng)的驗證計算比較復(fù)雜，設(shè)計中應(yīng)盡量避免。
筆者著重討論單臺本安儀表設(shè)備與單臺安全柵連接的本安回路計算方法以及其對工程應(yīng)用的指導(dǎo)意義。
3、本安回路計算的具體應(yīng)用
對于參數(shù)驗證不等式1～3(表1)，只需在儀表選型時對安全柵及現(xiàn)場本安儀表設(shè)備的安全參數(shù)進行對比，即可得知該配置是否能夠滿足本安參數(shù)驗證的要求。當發(fā)現(xiàn)供應(yīng)商提供的參數(shù)不能滿足參數(shù)驗證不等式1～3(表1)中的任一條時，應(yīng)及時調(diào)整儀表選型或更換其他品牌產(chǎn)品。
由式(1)及不等式4(表1)可得Co≥Ci+Ck×L，即本安電纜長度；同樣，由式(2)及不等式5(表1)可得Lo≥Li+Lk×L，即本安電纜長度。由于本安電纜的長度需同時滿足以上兩個不等式，由此可得本安電纜長度應(yīng)滿足以下關(guān)系式：
以下著重介紹本安回路計算在本安電纜長度核算中的應(yīng)用。
3.1 常用安全柵的安全參數(shù)
進行本安回路計算前，需要獲得安全柵的安全參數(shù)信息，該信息可從相應(yīng)產(chǎn)品的本安認證證書或樣本資料中取得。常用安全柵品牌的安全參數(shù)見表2。
表2 安全柵安全參數(shù)(ExiaⅡC)
3.2 現(xiàn)場變送器的本安回路計算
智能型變送器是化工項目中使用量最大的儀表類型之一，主要包括通用型的壓力變送器、溫度變送器。
常用的智能型變送器產(chǎn)品的安全認證參數(shù)列于表3。
表3 本安型變送器安全參數(shù)(ExiaⅡC)
根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，對于本安回路參數(shù)驗證不等式1～3(表1)，目前化工項目中常用的變送器儀表均能通過參數(shù)驗證。
對于電纜長度的驗算，分別選取Co值最大的MTL5500系列安全柵及Co值最小的優(yōu)倍C系列安全柵與Ci值較大的EJAE系列的變送器進行組對，將其安全參數(shù)分別代入式(3)進行對比計算，得到結(jié)果如下：
由此可得，當采用MTL5500+E系列配置方案時，如果電纜長度大于1133m，該本安回路將無法通過驗證；而當采用優(yōu)倍C系列+E系列配置方案時，如果電纜長度大于333m，該本安回路即無法通過驗證。
3.3 閥門定位器的本安回路計算
化工項目中常用的調(diào)節(jié)閥智能型定位器產(chǎn)品的安全參數(shù)見表4。
表4本安型定位器安全參數(shù)(ExiaⅡC)
根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，對于本安回路參數(shù)驗證不等式1～3(表1)，目前化工項目常用的閥門定位器均能通過參數(shù)驗證。
但是，從表4數(shù)據(jù)可以看出，美卓ND9100及山武AVP302定位器的Ci值遠高于另外兩個品牌。在選擇配套安全柵時，若選擇優(yōu)倍C系列的安全柵，則Co值即已小于Ci值，本安回路參數(shù)驗證無法通過。選擇Co值稍大的辰竹及P+F安全柵，按式(3)計算可得：
由以上計算結(jié)果可知，當選用辰竹或P+F的安全柵與美卓或山武的定位器進行搭配使用時，在滿足本安回路計算要求的前提下，電纜的敷設(shè)距離亦比較有限。因此，在此例中，若選擇了山武或美卓的定位器，應(yīng)優(yōu)先選用Co值較高的MTL安全柵；或者可選用Ci值較低的Fisher或西門子定位器，以達到延長本安電纜敷設(shè)距離的目的。
3.4 電磁閥的本安回路計算
化工項目中常用的電磁閥產(chǎn)品的安全參數(shù)見表5。
表5本安型電磁閥安全參數(shù)(ExiaⅡC)
由于本安型電磁閥的Ci、Li值一般均近似為0，因此在電纜長度校驗時僅需考慮本安電纜本身的分布電容及分布電感數(shù)值大小即可。需要注意的是，MTL5500系列安全柵的Po值較大，選用的本安電磁閥Pi值可能存在小于該Po值的情況，在選型時應(yīng)予以避免。
3.5 其他現(xiàn)場儀表的本安回路計算
除以上類型的儀表以外，化工項目中還經(jīng)常會使用到各種測量原理的流量計、液位計等儀表。此類儀表品牌及種類繁多，在工程設(shè)計時，需針對具體的安全參數(shù)進行計算驗證。表6列出了較知名的一些廠家產(chǎn)品安全參數(shù)供[3]參考。
表6本安型現(xiàn)場儀表安全參數(shù)(ExiaⅡC)
從以上數(shù)據(jù)中可以看出，除上海信東的轉(zhuǎn)子流量計Pi值偏小，選擇安全柵時應(yīng)特別注意以外，其余儀表一般均能滿足本安回路參數(shù)驗證不等式1～3(表1)的要求。而根據(jù)表6的Ci值，通過式(3)計算，可知大部分現(xiàn)場本安儀表的敷設(shè)距離都可達到400m以上。
4、本安回路計算對工程設(shè)計的指導(dǎo)意義
由第3節(jié)的分析可知，針對本安回路計算的要求，安全柵的Uo、Io、Po參數(shù)值越小將越容易通過本安回路的參數(shù)驗證。
對于本安電纜敷設(shè)長度的核算，需主要關(guān)注安全柵的Co值與現(xiàn)場本安儀表設(shè)備的Ci值，Co-Ci的值越大本安電纜可敷設(shè)的距離越長。而當現(xiàn)場儀表的Ci值大于0.01μF時即應(yīng)引起足夠重視，核算該回路在當前敷設(shè)距離下能否通過本安回路的驗證。當然，電纜的敷設(shè)距離除需滿足本安回路計算的要求以外，還需考慮信號傳輸過程中的電壓損耗。綜上，建議現(xiàn)場儀表至控制室的電纜長度不大于500m。
當現(xiàn)場本安儀表至控制室的電纜長度大于500m時，宜逐個進行本安回路計算。若計算無法通過時，可采取以下改進措施：
a、改變本安回路的配置，選擇Co-Ci的值更大的配置方案，并重新進行本安回路參數(shù)驗證。
b、如裝置區(qū)儀表點較多且距離控制室距離大于500m，可以考慮在裝置附近的非爆炸危險區(qū)域內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場機柜間。如此，一方面可減少電纜的投資，另一方面能夠使本安儀表回路更容易通過本安參數(shù)驗證。
c、改變儀表選型，對個別無法通過本安回路參數(shù)驗證的儀表，可以將儀表防爆類型改為隔爆型，以避免本安參數(shù)驗證無法通過的問題。
d、當儀表點數(shù)不多時，可在現(xiàn)場設(shè)置遠程IO站，縮短本安電纜的敷設(shè)距離。目前，也有部分系統(tǒng)廠家推出了光纖總線系統(tǒng)，可應(yīng)用于爆炸危險環(huán)境，大幅縮短了本安電纜的敷設(shè)距離。
5、結(jié)束語
雖然目前國內(nèi)還沒有相關(guān)規(guī)范要求必須對本安回路進行逐個計算，大部分的工程公司在項目設(shè)計中亦沒有嚴格對每個本安回路進行參數(shù)驗證，但隨著中國防爆體系與國際防爆體系的接軌、中國工程公司開拓國外市場的需要以及國內(nèi)安全監(jiān)管部門對化工項目安全運行的重視，本安回路計算工作將越來越不可或缺。在工程設(shè)計中，本安回路計算將成為工程項目本質(zhì)安全設(shè)計理念中的重要環(huán)節(jié)和支撐保障。這就要求工程設(shè)計人員要熟悉儀表廠家的安全參數(shù)數(shù)據(jù)，及時調(diào)整優(yōu)化設(shè)計方案，為化工項目安全穩(wěn)定的運行保駕護航。
作者：華霄峰、王澤方
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