在石油、石化等過(guò)程行業(yè)中，可能出現(xiàn)潛在的爆炸性環(huán)境，在實(shí)踐中必須對(duì)系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)設(shè)備采取相應(yīng)的防爆措施。自控儀表設(shè)備采用的防爆技術(shù)主要有：本安(Ex i)、隔爆(Ex d)、增安(Ex e)、正壓(Ex p)、澆封(Ex m)等各類型。在眾多的防爆技術(shù)中，本安防爆技術(shù)作為一種以抑制點(diǎn)火源能量為防爆手段的安全技術(shù)，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕，可帶電維護(hù)、標(biāo)定和更換零件等優(yōu)點(diǎn)，目前在各個(gè)行業(yè)的工程項(xiàng)目中已得到了廣泛應(yīng)用。
在某化工項(xiàng)目中業(yè)主提出：根據(jù)以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，如果沒有對(duì)本安回路進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，在生產(chǎn)過(guò)程中仍然會(huì)有30%左右的回路存在安全隱患。即使目前國(guó)內(nèi)對(duì)本安計(jì)算無(wú)特殊要求，業(yè)主仍要求在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)每條本安回路進(jìn)行嚴(yán)格的本安回路計(jì)算，本安回路計(jì)算的依據(jù)是國(guó)際電工委員會(huì)IEC 60079-14:2007的相關(guān)規(guī)定。
本安回路設(shè)計(jì)基本要求：通過(guò)控制電路的電參數(shù)(如減小電感和電容等儲(chǔ)能元件參數(shù))，或降低電路電流和電壓，使電路達(dá)到本安防爆要求；電路中元器件要有足夠的功率，連接導(dǎo)線應(yīng)具有足夠截面，以使電路在各種故障條件下可能產(chǎn)生的高電壓和大電流不會(huì)破壞元件性能，通過(guò)元件的可靠性來(lái)保證電路的可靠性。這就要求對(duì)本安回路中相應(yīng)的電氣元件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即本安回路計(jì)算，以達(dá)到相關(guān)安全規(guī)范的要求，使安全生產(chǎn)更有保證。
1、本安防爆技術(shù)簡(jiǎn)介
本安防爆技術(shù)的基本原理是以限制能量的原則達(dá)到防爆的目的，本安技術(shù)在回路正常或異常情況下，可靠地將電路中的能量限制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，以保證電氣設(shè)備發(fā)生短路、元器件損壞等情況下，不至于引起其周圍可能存在的危險(xiǎn)氣體的爆炸。
本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)簡(jiǎn)稱本安回路系統(tǒng)，由三部分組成：現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備、本安電纜及關(guān)聯(lián)設(shè)備，如圖1所示。系統(tǒng)回路以安全柵為界分為本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路。從安全柵通過(guò)本安電纜連接到現(xiàn)場(chǎng)儀表所構(gòu)成的電路為本安電路；從安全柵到DCS以及到供電電源的電路為非本安回路。
圖1 典型本安回路示意
①現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備
◆簡(jiǎn)單設(shè)備
按照規(guī)范 IEC60079-14[ 3.5.2]規(guī)定，無(wú)源元器件，例如開關(guān)、接線箱、電阻以及簡(jiǎn)單半導(dǎo)體元器件可視為簡(jiǎn)單設(shè)備；對(duì)于儲(chǔ)能有源元器件例如電容、電感，當(dāng)其設(shè)計(jì)參數(shù)能保證系統(tǒng)的全面安全時(shí)可被視為簡(jiǎn)單設(shè)備；對(duì)于產(chǎn)生能量的有源元器件，例如熱電偶、光電池，當(dāng)其產(chǎn)生的能量電壓不超過(guò)1.5V，電流不超過(guò)100mA，且功率不超過(guò)25mW的電氣設(shè)備，這樣的電氣設(shè)備可視為簡(jiǎn)單設(shè)備。它們無(wú)需防爆認(rèn)證，可以自由地配置在本安回路中。
◆本安設(shè)備
具有儲(chǔ)能元件，需要防爆認(rèn)證的本安電氣設(shè)備，如變送器、接近開關(guān)等。
②本安電纜
儀表與控制室之間的連接電纜存在一定數(shù)量的分布電容和分布電感，特別是距離較遠(yuǎn)或儀表的設(shè)計(jì)參數(shù)接近本質(zhì)安全所容許的最大值情況下，就需要考慮分布參數(shù)和限制配線長(zhǎng)度。這是因?yàn)榉植茧姼泻头植茧娙荻际莾?chǔ)能的，在電纜發(fā)生故障時(shí)，這些儲(chǔ)能就會(huì)以電火花或熱效應(yīng)的形式釋放出來(lái)，不同程度上有增加點(diǎn)燃的危險(xiǎn)性，影響系統(tǒng)的本安性能。
電纜最大允許分布電容：Cc=Ck×L
電纜最大允許分布電感：Lc=Lk×L
式中Ck為電纜單位長(zhǎng)度分布電容；Lk為電纜單位長(zhǎng)度分布電感；L為實(shí)際配線長(zhǎng)度。
③關(guān)聯(lián)設(shè)備(安全柵)
安全柵是本質(zhì)安全防爆儀表系統(tǒng)中最常用的 關(guān)聯(lián)設(shè)備, 它連接在本安電路與非本安電路之間, 其作用是限制電流和電壓, 不使危險(xiǎn)能量竄入到本安電路中去，以確保本質(zhì)安全電路的安全性能。安全柵主要有齊納式安全柵和隔離式安全柵兩大類，目前齊納式安全柵已逐步被隔離式安全柵替代。
2、本質(zhì)安全型防爆儀表系統(tǒng)的認(rèn)證方法
目前，國(guó)際上各檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)本質(zhì)安全型防爆儀表系統(tǒng)的檢驗(yàn)認(rèn)證方法有3種：系統(tǒng)認(rèn)可、參量認(rèn)可和FISCO(fieldbus intrinsically safe concept)認(rèn)可。
①系統(tǒng)認(rèn)可
系統(tǒng)認(rèn)可也稱“ 聯(lián)合取證”，是指把被檢驗(yàn)的指定本安儀表和被檢驗(yàn)的指定關(guān)聯(lián)設(shè)備相組合所構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)可。一經(jīng)認(rèn)可后，系統(tǒng)中任一設(shè)備不能用未經(jīng)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)按這種組合方式檢驗(yàn)認(rèn)可過(guò)的任何其他型號(hào)、規(guī)格的本安設(shè)備(儀表)或關(guān)聯(lián)設(shè)備代用。
目前中國(guó)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可的方法主要是系統(tǒng)認(rèn)可，但是這種認(rèn)證方法在本安儀表和安全柵種類較多的情況下，認(rèn)證程序較為繁瑣，已經(jīng)不太適用于現(xiàn)在的工業(yè)設(shè)計(jì)。
②參量認(rèn)可
在國(guó)外的項(xiàng)目中較多使用的是參量認(rèn)證。參量認(rèn)可是指對(duì)單臺(tái)設(shè)備(本安儀表或關(guān)聯(lián)設(shè)備)進(jìn)行的檢驗(yàn)認(rèn)可，并給出一組相應(yīng)的安全參數(shù)。通常，采用這種方法認(rèn)可的本安設(shè)備可以與具有相兼容的安全參數(shù)的關(guān)聯(lián)設(shè)備連接使用。美國(guó)FM(工廠聯(lián)研會(huì))把這種認(rèn)可方法稱為“ 整體認(rèn)可”， 把相應(yīng)的安全參數(shù)稱為“ 整體參數(shù)”。這些參數(shù)包括以下內(nèi)容：
◆本安設(shè)備的整體參數(shù)
Ui為在故障條件下，本安設(shè)備最大可接受的電壓；Ii為在故障條件下，本安設(shè)備最大可接受的電流；Ci為本安設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電容；Li為本安設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電感。
◆關(guān)聯(lián)設(shè)備的整體參數(shù) :
Uo—為開路電壓，即在故障條件下，可能傳送到危險(xiǎn)場(chǎng)所的最大電壓，Io—為短路電流，即在故障條件下，可能傳送到危險(xiǎn)場(chǎng)所的最大電流；Co—關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接最大電容；Lo—為關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接最大電感。
采用參量認(rèn)可，用戶在進(jìn)行本安系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只需比較關(guān)聯(lián)設(shè)備和本安設(shè)備的整體參數(shù)。當(dāng)它們滿足下列關(guān)系式時(shí)，不必經(jīng)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可，就可構(gòu)成本安系統(tǒng)。
安全柵、本安儀表、電纜的安全參數(shù)匹配，要滿足表1中的5個(gè)不等式：
表1 簡(jiǎn)單本安回路計(jì)算的5個(gè)不等式
注:∑Lc和∑Cc—為連接電纜分布電容和分布電感。
參量認(rèn)可是目前國(guó)外項(xiàng)目使用較廣泛的認(rèn)證方法，也已經(jīng)被中國(guó)國(guó)家級(jí)儀器儀表安全監(jiān)督站所認(rèn)可，表1的5個(gè)不等式是核算本安回路是否符合規(guī)范要求的關(guān)鍵。
③FISCO認(rèn)可
FISCO即所謂的現(xiàn)場(chǎng)總線本質(zhì)安全概念，該模型是由德國(guó)PTB(Physikalisch Technische Bundesanstalt)開發(fā)的，F(xiàn)ISCO使得Profibus-PA以本質(zhì)安全防爆方式安裝，應(yīng)用在Ex區(qū)中成為可能。FISCO適用于EEx ia IIC和EEx ib IIC/IIB本安防爆方式。研究表明，掛接于Profibus-PA分段上的現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)量只受段耦合器電力特性的限制，每段可掛接的現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)量達(dá)到了最大值，分段可以在FISCO的限制內(nèi)擴(kuò)充，但無(wú)須重新進(jìn)行本安核算。不同生產(chǎn)廠家的現(xiàn)場(chǎng)儀表可以互換，無(wú)須再進(jìn)行本安核算，但替換的儀表必須是經(jīng)過(guò)FISCO認(rèn)證的。尤其重要的一點(diǎn)是無(wú)須系統(tǒng)認(rèn)證，只需對(duì)一些主要參數(shù)的匹配進(jìn)行驗(yàn)證即可。
FISCO認(rèn)證受以下條件的限制。
a)每段只允許一個(gè)供電電源。
b)所有站必須符合FISCO模型并經(jīng)驗(yàn)證合格。
c)電纜長(zhǎng)度不得超過(guò)1000m(防爆類型ia)/1900m(防爆類型ib)。
d)電纜參教必須滿足以下值:R′=15～150Ω/km，L′=0.4～1mH/km，C′=80～200nF/km 。
e)供電裝置和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的所有組合必須確保, 在故障情況下, 任何現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可允許的輸入變量(Ui，Ii和Pi)必須超過(guò)相關(guān)供電裝置的最大可能和認(rèn)可的輸出變量(Uo，Io，Po；在美國(guó)為：Vmax，I max，Pmax)。
3、本安回路計(jì)算
IEC 60079-14:2007中12.2.5：“除非個(gè)本安回路得到了認(rèn)證以外，所有的本安回路都應(yīng)依據(jù)該規(guī)范進(jìn)行本安計(jì)算”。項(xiàng)目業(yè)主根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，如果不進(jìn)行本安計(jì)算，即便是選擇了本安儀表，本安電纜和與之相匹配的安全柵，仍然會(huì)有30%的回路存在著安全隱患。為降低風(fēng)險(xiǎn)，項(xiàng)目中所采用的本安回路均需提供相關(guān)儀表和安全柵的本安認(rèn)證證書以及本安回路計(jì)算書。
①一臺(tái)關(guān)聯(lián)設(shè)備的本安回路計(jì)算
◆簡(jiǎn)單本安回路
簡(jiǎn)單本安回路如圖2所示。
圖2 簡(jiǎn)單本安回路
以回路LIA+S+100.01為例計(jì)算，見表2所列。
表2 回路LIA+S+100.01的參數(shù)
對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行核算, 滿足表 1 所列 5 個(gè)不等式的要求, 故該回路通過(guò)了本安計(jì)算, 可以應(yīng)用于防爆區(qū)。
◆混合本安回路
在設(shè)計(jì)中，差壓液位變送器LT100.01安裝在罐頂上，為了方便讀取數(shù)據(jù)，在地面上增加1臺(tái)就地指示儀表LI100.01，串聯(lián)在上一個(gè)回路里，如圖3所示。
圖3 混合回路LIA+S+100.01
IEC 60079-14:2007中12.2.5.2：“如果總分布電感和總分布電容同時(shí)大于1%Lo和1%Co，則計(jì)算時(shí)Lo和Co均應(yīng)除以2”。這種混合回路有以下幾種情況，如圖4所示。
圖4 混合回路本安回路計(jì)算邏輯(圖注：Li=Li1+Li2；Ci=Ci1+Ci2)
a)如果回路僅包括電纜的Lc和Cc，現(xiàn)場(chǎng)儀表的電感之和Li或電容之和Ci兩項(xiàng)均為0或其中一項(xiàng)為0 , 本安計(jì)算按表1中的5個(gè)不等式計(jì)算。
b)如果Ci≤1Co或者Li≤1Lo，本安計(jì)算按表1中的5個(gè)不等式計(jì)算。
c)如果同時(shí)滿足Ci＞1Co和Li＞1Lo，將不再按照表1中的電感、電容不等式計(jì)算，此時(shí)安全柵的電感、電容參數(shù)除以2參與計(jì)算，見表3所列。
表3 混合本安回路計(jì)算的5個(gè)不等式
公式 安全柵參數(shù) 安全參數(shù)匹配條件 本安儀表參數(shù)+電纜參數(shù)
1 Uo ≤ Ui
2 Io ≤ Ii
3 Po ≤ Pi
4 Co/2 ≥ Ci+∑Cc
5 Lo/2 ≥ Li+∑Lc
同樣以回路LIA+S+100.01為例計(jì)算,見表4所列?；芈分写兄甘緝x表LI100.01。
表4 混合回路LIA+S+100.01參數(shù)
Li=Li1+Li2=0.73+0.04=0.77mH；Lo=4.2mH；Li＞1%Lo；Ci=Ci1+Ci2=22.5+0=22.5nF；Co=83nF；Ci＞1%Co；同時(shí)滿足兩個(gè)不等式：Li＞1Lo，Ci＞1Co，則在本安計(jì)算時(shí)按照表3中的不等式進(jìn)行核算，計(jì)算結(jié)果均不能滿足Co/2≥Ci+Cc和Lo/2≥Li+Lc；故該回路沒有通過(guò)本安計(jì)算。
解決方法：將一條回路拆分成兩條單獨(dú)進(jìn)系統(tǒng)的回路，增加一路AO輸出的安全柵，即分成兩條簡(jiǎn)單本安回路(如圖5所示)，對(duì)兩條回路分別計(jì)算，均能通過(guò)本安計(jì)算。
圖5 將混合本安回路拆分成簡(jiǎn)單本安回路
②復(fù)雜本安回路計(jì)算
如果本安回路包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的關(guān)聯(lián)設(shè)備，或者是兩個(gè)或更多的本安回路聯(lián)在一起，整個(gè)本安系統(tǒng)應(yīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的理論計(jì)算或IEC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的火花試驗(yàn)。
但是由于1臺(tái)安全柵串入兩個(gè)回路(如圖6)，或者一個(gè)檢測(cè)回路涉及2 臺(tái)安全柵(如圖7)的本安回路的計(jì)算方法比較復(fù)雜，最大允許電感和最大允許電容值都需要經(jīng)過(guò)查尋相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)燃曲線才能得到，所以設(shè)計(jì)中盡量避免使用這種回路。
圖6 安全柵并聯(lián)本安回路
圖7 一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)2臺(tái)安全柵的本安回路
③本安回路中簡(jiǎn)單設(shè)備的溫度要求
對(duì)于簡(jiǎn)單設(shè)備而言，雖然有些文件中提到它們無(wú)需防爆認(rèn)證，可以自由地配置在本安回路中。但是由于表面溫度對(duì)防爆的影響，被測(cè)介質(zhì)溫度較高時(shí)，會(huì)熱傳導(dǎo)至儀表使電氣元件表面溫度過(guò)高，超過(guò)防爆區(qū)劃分的溫度級(jí)別，要采用延伸型儀表或者采用分體安裝的方式，使電氣設(shè)備工作在認(rèn)證證書所允許的溫度范圍內(nèi)。
④FF總線的本安回路的本安計(jì)算
FF現(xiàn)場(chǎng)儀表的防爆方法是以隔爆型(EEx d)防爆、本質(zhì)安全型(EEx i)防爆和無(wú)火花型(EEx nL)為主，現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)從容錯(cuò)安全性和帶電維護(hù)的安全性考慮，基本上推薦EEx i防爆方法。
a)本安型主干和分支，用于防爆1區(qū)，如圖8所示。這一方案是將安全柵設(shè)置在H1卡和電源配電與現(xiàn)場(chǎng)儀表之間，其優(yōu)點(diǎn)是主干和分支都是本安的，均可帶電維護(hù)。但該方案在實(shí)際操作中往往會(huì)比較困難。其原因是由于每個(gè)網(wǎng)段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，儀表種類多，這對(duì)于計(jì)算網(wǎng)段的分布電容和電感是非常困難的，尤其是分支部分的分布電容和電感更是無(wú)法計(jì)算。另外由于安全柵的限能作用，使得每個(gè)網(wǎng)段上所能連接的儀表數(shù)量和電纜長(zhǎng)度都受到了很大限制。
圖8 本安型主干和分支
FF現(xiàn)場(chǎng)總線也采用了FISCO模型，簡(jiǎn)單說(shuō)就是在傳統(tǒng)的本安儀表認(rèn)證的基礎(chǔ)上，增加一些適合現(xiàn)場(chǎng)總線需要的額外要求，這使得只要嚴(yán)格按照這些限制去設(shè)計(jì)每個(gè)網(wǎng)段，即便是增加或修改現(xiàn)場(chǎng)儀表，也不用進(jìn)行復(fù)雜安全性的計(jì)算。
這種在主干和分支均為本安的方案有著明顯的不足。首先由于安全柵無(wú)法冗余，這就使安全柵成為整個(gè)網(wǎng)段安全性上的一個(gè)瓶頸；其次，同一個(gè)網(wǎng)段不允許Entity認(rèn)證的現(xiàn)場(chǎng)儀表和FISCO認(rèn)證的現(xiàn)場(chǎng)儀表的簡(jiǎn)單混用，即Entity現(xiàn)場(chǎng)儀表必須掛在Entity電源上，F(xiàn)ISCO現(xiàn)場(chǎng)儀表必須掛在FISCO電源上；第三，雖然FISCO網(wǎng)段可掛的儀表比Entity網(wǎng)段多，但也只能是6臺(tái)，網(wǎng)段的增加使得投資成本很高。
b)增安型主干和本安型分支，用于防爆1區(qū)。這一方案是基于現(xiàn)場(chǎng)安全柵(Fieldbarrier，EEx me[ia]IICT4)技術(shù)的發(fā)展而確立的， 其思路是將起到限能作用的安全柵從主干線的起始端移到各分支處，即雞爪接線盒內(nèi)，分別對(duì)于每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行能量限制，從而兼容FISCO和Entity儀表，使二者可以在一個(gè)網(wǎng)段中混用。這種總線的本安計(jì)算只需從現(xiàn)場(chǎng)安全柵到現(xiàn)場(chǎng)儀表按照參量認(rèn)證的方法即可。這種方法是目前比較實(shí)用，也越來(lái)越為更多的用戶所接受。
近年來(lái)，伴隨著中國(guó)全面加入IECEx體系，中國(guó)在防爆電氣產(chǎn)品試驗(yàn)與認(rèn)證技術(shù)方面也基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)際接軌。隨著本安防爆技術(shù)在中國(guó)石油、化工等危險(xiǎn)產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，本安防爆系統(tǒng)也越來(lái)越得到普遍重視。本安防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有著更嚴(yán)格的規(guī)范可依據(jù)，本安計(jì)算將成為工程設(shè)計(jì)中不可缺少的工作，從而為中國(guó)快速發(fā)展的石油、化工、煤炭等爆炸危險(xiǎn)行業(yè)的安全生產(chǎn)提供了更可靠的安全保障。
作者：王珍
