目前，對(duì)處于裝置現(xiàn)場(chǎng)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍內(nèi)的儀表，一般通過(guò)選用能夠滿足規(guī)范要求的防爆型儀表設(shè)備來(lái)避免危險(xiǎn)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(shí)現(xiàn)帶電狀態(tài)下的開(kāi)蓋檢修維護(hù)，其中“ia”級(jí)產(chǎn)品更是能應(yīng)用于0區(qū)爆炸危險(xiǎn)性場(chǎng)所(GB/T3836.1-2021)，除此以外，本安型儀表的價(jià)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(lái)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(jì)方案，廣泛應(yīng)用于各類具有爆炸危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)的化工裝置中。但是在目前的工程實(shí)踐中，通常只注重本安產(chǎn)品的選用，卻忽視了對(duì)本安回路系統(tǒng)的驗(yàn)證，因而無(wú)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(jì)算在工程設(shè)計(jì)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(diǎn)。
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(shì)，但并非只要選用了本安型儀表設(shè)備，就一定能確?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)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(jiǎn)單設(shè)備。本安儀表本身具備儲(chǔ)能元件，需要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的防爆認(rèn)證，如常用的智能型變送器、閥門(mén)定位器等；簡(jiǎn)單設(shè)備通常指無(wú)源的元件或者可產(chǎn)生的電壓不超過(guò)1.5V、電流不超過(guò)100mA、功率不超過(guò)25mW(GB/T3836.4-2021)的設(shè)備，如熱電阻、熱電偶、機(jī)械開(kāi)關(guān)等，此類儀表設(shè)備無(wú)需進(jìn)行防爆認(rèn)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(jì)算機(jī)屏蔽電纜，該電纜同時(shí)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(duì)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(jiàn)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(xiǎn)區(qū)(安全區(qū))的控制室內(nèi)，安全柵通過(guò)限流電阻電路及限壓二極管限制送往現(xiàn)場(chǎng)本安儀表設(shè)備的能量，從而有效阻止危險(xiǎn)能量串入本安回路中。
2、本安回路的參數(shù)驗(yàn)證
一個(gè)儀表回路系統(tǒng)最終能否構(gòu)成本安回路，需要經(jīng)過(guò)本安回路的認(rèn)證。目前，本安回路的認(rèn)證方法主要有系統(tǒng)認(rèn)可及參量認(rèn)可兩種(另外一種FISCO認(rèn)可方法主要針對(duì)總線結(jié)構(gòu)的儀表系統(tǒng))。其中，系統(tǒng)認(rèn)可屬于整體認(rèn)證，一旦獲得認(rèn)證就不能更改組成結(jié)構(gòu)中的任一個(gè)部分，因此在項(xiàng)目中應(yīng)用的可行性較差。工程實(shí)際中，目前最常用的是本安回路的參量認(rèn)可法。參量認(rèn)可是指對(duì)單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行的認(rèn)可，并給出一組相應(yīng)的安全參數(shù)。采用這種方法認(rèn)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(rèn)可法涉及的安全參數(shù)及參量認(rèn)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(huì)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(huì)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)。可施加到設(shè)備的連接件上，不會(huì)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(dá)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)。可從設(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)?？蓮脑O(shè)備獲取的最大電功率。
d、最大外部電容(Co)。可連接到設(shè)備的連接件上，不會(huì)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(huì)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(chǔ)能元件。本安電纜對(duì)其單位長(zhǎng)度的分布電容及分布電感有嚴(yán)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)?？梢赃B接到本質(zhì)安全電路上，而不會(huì)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(huì)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(jì)算式分別為：
Cc=Ck×L
Lc=Lk×L
式中Ck為電纜單位長(zhǎng)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(zhǎng)度；Lk為電纜單位長(zhǎng)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(jì)算關(guān)系式
采用參量認(rèn)可法進(jìn)行本安回路認(rèn)證時(shí)，只需比較本安儀表設(shè)備、本安電纜及安全柵的各項(xiàng)參數(shù)。當(dāng)它們滿足表1關(guān)系式時(shí)，不必經(jīng)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可即可認(rèn)為構(gòu)成了本安回路系統(tǒng)。
表1本安回路參數(shù)驗(yàn)證不等式
需要指出的是，表1的驗(yàn)證不等式僅限用于圖1所示的簡(jiǎn)單本安回路的驗(yàn)證。當(dāng)本安儀表回路中串入了現(xiàn)場(chǎng)指示儀時(shí)需要對(duì)驗(yàn)證不等式進(jìn)行修正(GB/T3836.15-2017，IEC60079-14:2013)。另外，對(duì)于涉及多臺(tái)本安儀表或多臺(tái)安全柵之間串聯(lián)的回路，本安系統(tǒng)的驗(yàn)證計(jì)算比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免。
筆者著重討論單臺(tái)本安儀表設(shè)備與單臺(tái)安全柵連接的本安回路計(jì)算方法以及其對(duì)工程應(yīng)用的指導(dǎo)意義。
3、本安回路計(jì)算的具體應(yīng)用
對(duì)于參數(shù)驗(yàn)證不等式1～3(表1)，只需在儀表選型時(shí)對(duì)安全柵及現(xiàn)場(chǎng)本安儀表設(shè)備的安全參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，即可得知該配置是否能夠滿足本安參數(shù)驗(yàn)證的要求。當(dāng)發(fā)現(xiàn)供應(yīng)商提供的參數(shù)不能滿足參數(shù)驗(yàn)證不等式1～3(表1)中的任一條時(shí)，應(yīng)及時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)度。由于本安電纜的長(zhǎng)度需同時(shí)滿足以上兩個(gè)不等式，由此可得本安電纜長(zhǎng)度應(yīng)滿足以下關(guān)系式：
以下著重介紹本安回路計(jì)算在本安電纜長(zhǎng)度核算中的應(yīng)用。
3.1 常用安全柵的安全參數(shù)
進(jìn)行本安回路計(jì)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(rèn)證證書(shū)或樣本資料中取得。常用安全柵品牌的安全參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 安全柵安全參數(shù)(ExiaⅡC)
3.2 現(xiàn)場(chǎng)變送器的本安回路計(jì)算
智能型變送器是化工項(xiàng)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(rèn)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(duì)于本安回路參數(shù)驗(yàn)證不等式1～3(表1)，目前化工項(xiàng)目中常用的變送器儀表均能通過(guò)參數(shù)驗(yàn)證。
對(duì)于電纜長(zhǎng)度的驗(yàn)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(jìn)行組對(duì)，將其安全參數(shù)分別代入式(3)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得到結(jié)果如下：
由此可得，當(dāng)采用MTL5500+E系列配置方案時(shí)，如果電纜長(zhǎng)度大于1133m，該本安回路將無(wú)法通過(guò)驗(yàn)證；而當(dāng)采用優(yōu)倍C系列+E系列配置方案時(shí)，如果電纜長(zhǎng)度大于333m，該本安回路即無(wú)法通過(guò)驗(yàn)證。
3.3 閥門(mén)定位器的本安回路計(jì)算
化工項(xiàng)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(jiàn)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(duì)于本安回路參數(shù)驗(yàn)證不等式1～3(表1)，目前化工項(xiàng)目常用的閥門(mén)定位器均能通過(guò)參數(shù)驗(yàn)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(yuǎn)高于另外兩個(gè)品牌。在選擇配套安全柵時(shí)，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(yàn)證無(wú)法通過(guò)。選擇Co值稍大的辰竹及P+F安全柵，按式(3)計(jì)算可得：
由以上計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)選用辰竹或P+F的安全柵與美卓或山武的定位器進(jìn)行搭配使用時(shí)，在滿足本安回路計(jì)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(mén)子定位器，以達(dá)到延長(zhǎng)本安電纜敷設(shè)距離的目的。
3.4 電磁閥的本安回路計(jì)算
化工項(xiàng)目中常用的電磁閥產(chǎn)品的安全參數(shù)見(jiàn)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(zhǎng)度校驗(yàn)時(shí)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P(yáng)o值的情況，在選型時(shí)應(yīng)予以避免。
3.5 其他現(xiàn)場(chǎng)儀表的本安回路計(jì)算
除以上類型的儀表以外，化工項(xiàng)目中還經(jīng)常會(huì)使用到各種測(cè)量原理的流量計(jì)、液位計(jì)等儀表。此類儀表品牌及種類繁多，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，需針對(duì)具體的安全參數(shù)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)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(chǎng)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(jì)Pi值偏小，選擇安全柵時(shí)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(yàn)證不等式1～3(表1)的要求。而根據(jù)表6的Ci值，通過(guò)式(3)計(jì)算，可知大部分現(xiàn)場(chǎng)本安儀表的敷設(shè)距離都可達(dá)到400m以上。
4、本安回路計(jì)算對(duì)工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義
由第3節(jié)的分析可知，針對(duì)本安回路計(jì)算的要求，安全柵的Uo、Io、Po參數(shù)值越小將越容易通過(guò)本安回路的參數(shù)驗(yàn)證。
對(duì)于本安電纜敷設(shè)長(zhǎng)度的核算，需主要關(guān)注安全柵的Co值與現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)。而當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)儀表的Ci值大于0.01μF時(shí)即應(yīng)引起足夠重視，核算該回路在當(dāng)前敷設(shè)距離下能否通過(guò)本安回路的驗(yàn)證。當(dāng)然，電纜的敷設(shè)距離除需滿足本安回路計(jì)算的要求以外，還需考慮信號(hào)傳輸過(guò)程中的電壓損耗。綜上，建議現(xiàn)場(chǎng)儀表至控制室的電纜長(zhǎng)度不大于500m。
當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)本安儀表至控制室的電纜長(zhǎng)度大于500m時(shí)，宜逐個(gè)進(jìn)行本安回路計(jì)算。若計(jì)算無(wú)法通過(guò)時(shí)，可采取以下改進(jìn)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(jìn)行本安回路參數(shù)驗(yàn)證。
b、如裝置區(qū)儀表點(diǎn)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(xiǎn)區(qū)域內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)機(jī)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(guò)本安參數(shù)驗(yàn)證。
c、改變儀表選型，對(duì)個(gè)別無(wú)法通過(guò)本安回路參數(shù)驗(yàn)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(yàn)證無(wú)法通過(guò)的問(wèn)題。
d、當(dāng)儀表點(diǎn)數(shù)不多時(shí)，可在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置遠(yuǎn)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(xiǎn)環(huán)境，大幅縮短了本安電纜的敷設(shè)距離。
5、結(jié)束語(yǔ)
雖然目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)規(guī)范要求必須對(duì)本安回路進(jìn)行逐個(gè)計(jì)算，大部分的工程公司在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中亦沒(méi)有嚴(yán)格對(duì)每個(gè)本安回路進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證，但隨著中國(guó)防爆體系與國(guó)際防爆體系的接軌、中國(guó)工程公司開(kāi)拓國(guó)外市場(chǎng)的需要以及國(guó)內(nèi)安全監(jiān)管部門(mén)對(duì)化工項(xiàng)目安全運(yùn)行的重視，本安回路計(jì)算工作將越來(lái)越不可或缺。在工程設(shè)計(jì)中，本安回路計(jì)算將成為工程項(xiàng)目本質(zhì)安全設(shè)計(jì)理念中的重要環(huán)節(jié)和支撐保障。這就要求工程設(shè)計(jì)人員要熟悉儀表廠家的安全參數(shù)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為化工項(xiàng)目安全穩(wěn)定的運(yùn)行保駕護(hù)航。
作者：華霄峰、王澤方
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