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1、安全与可靠性石油化工行业自 控专业本质安全防爆设计初探1、齐鲁石化工程公司设计一部王 楠 郭俊圣2 5 5 4 0 0 2、青岛英派尔化学工程有限公司2 6 6 0 2 1摘要:本文简单介绍了 本质安全防爆技术及其系统，对构成石油化工行业自 控专业本质安全回路的三要素 现场仪表、安全栅及连接电缆的设计作了 初步探讨，并对本安防爆设计中应注意的问题提出了一些看法。关健词:现场电气设备 关联设备 连接电 缆 在爆炸危险区域的自 控系统设计中，人们广泛接受的防爆类型有:隔爆型(E x d)、增安型(E x e)、本质安全型(E x i)、正压型(E x p)、浇封型(E x m)和无火花型(E x
2、n)等。在众多的防爆技术中，本质安全(以 下 简 称 本安)防 爆技 术具 有防 爆产品 结 构简 单、体 积小、重量 轻、允 许在线 测 量和带电 维 护等的 特点，广泛应用在石油化工装置中。本文通过笔者所掌握的资料和个人体会对本安防爆设计作了一些初步探讨。1本安防爆系统概述 本质安全防爆技术是一种以抑制点火源能量为防爆手段的安全技术。它的显著特征是仪表设备及其连接的电缆所能释放出的电能和热能不可能导致爆炸性混合物的点燃。一般来说，本安防爆系统由 本安型现场电气设备、关联设备及二者之间的连接电缆组成，如图1 所示。2本安防爆系统等级及应用范围2.1 本安防 爆系统等级图1 本妥防爆系统示意图
3、 本安防爆系统按其所适用的场所和安全程度可分为i s 和 i b 两个等级。(1)i a 等级 在正常工况下发生1 个故障和2 个故障时，不能点燃爆炸性气体混合物的仪表设备为i s 级。(2)i b 等级 在正常工况下发生1 个故障时，不能点燃爆炸性气体混合物的仪表设备为i b 级。这里的故障定义如下:凡是电 路中 有1 个元件损坏即为1 个故障;如果由 于该损坏的 元件而引 起电 路参数改变并导致其他元件损坏都视为1 个故障;2 个元件均单独损坏并导致一系列损坏可视为2 个故障。因此，可以认为i s 等级的仪表设备的安全程度要高于i b 等级。在防爆区域选用仪表设备等级时，通常是根据使用场所
4、的爆炸危险程度、安装位置和维护周期等几个要素来决定。如果仪表设备是用于爆炸危险程度较高的场所，即处于0 区或仪表设备的安装位置不易维护的地方，都应选择 i s 等级仪表设备。如果不是上述情况，则可选择 i b 等级的仪表设备。1 4 8第三届全国 石油和化学工业仪表及自 动化技术交流研讨会论文集2.2 本安防.应用范围设计防爆系统时，首先应根据现场爆炸危险区域级别和爆炸性气体的性质来确定系统的防爆类型。国家标准G B 3 8 3 6.4-2 0 0 0 对气体爆炸危险场所防爆电气设备选型规定见表1:表 1防爆危险区域适用的电 气设备防爆类型0区1.本质安全型(i a)级2.其它特别为0 区设计
5、的电气设备(特殊型)1 区1.适用于0 区的防爆类型2.隔爆型3.增安型4.充油型，5.正压型6.充砂型7.其它特别为1 区设计的电气设备(特殊型)2区1.适用于0 区及 1 区的防护类型2.无火花型 由此可见，本安防爆的适用范围广，防爆等级高，在一般情况下是唯一可用于0 区危险场所的防爆类型。但本安防爆也并非在任何情况下都适用，比如:现场仪表需外接电 源2 2 0 V A C(例某些现场分析仪、电磁阀等)的场合就可能做不到本安防爆。3本安型防爆仪表系统认证 目 前，世界上各检验机构对本安防爆系统的检验认证方法归纳起来有以下两种:(1)系统认可(S y s t e m A p p r o v
6、a l s)系统认可，我国也称为“联合取证”，它是指把被检验的指定关联设备相组合所构成的系统进行检验认可。系统一经认可后，系统中 任一设备不能被未经检验机构按这种组合方式检验认可过的 任何其它型号、规格或不同制造厂里生产的相同型号、规格的本安设备或关联设备代用。(2)参量认可(P a r a m e t r i c A p p r o v a l s)独立地对单台仪表(本安仪表或关联设备)进行的检验认可，并分别给出一组相应的安全参数。用户在系统设计时，只需要比较本安仪表和关联设备的安全参数，满足一定的关系式，不需再经防爆检验机构特别认可即可自 行构成本安防爆系统。按照“参量认可”方式认证的本安
7、设备的安全参数如下:V m a.正常工作或故障条件下，能接受并能保持其本安性能的最高电压;I m a x 正常工作或故障条件下，能接受并能保持其本安性能的最高电流;C i 本安设备内 部未被保护的电容;L i 本安设备内 部未被保护的电感;P m a x i 本安现场设备允许输入的最大功率;关联设备的安全参数如下:安全与可靠性 V o c 最高开路电 压，即在正常工作或故障条件下可能传送到危险场所的最高电 压;工 s c 最大短路电流，即在正常工作或故障条件下可能传送到危险场所的最大电流;C 一关联设备允许外接的最大电容 L a关联设备允许外接的最大电感;P m a x o 关联设备允许输入的
8、最大功率;只要本安现场设备和关联设备的上述参数满足下列关系式，不必经检验机构认可，就可构成本安系统:V m a x iV o c I m a x,I s c P m a x i 3P m a x o C i 成C a-C c L i 簇L a-L c 式中，C c,L c 电缆的分布电 容、电 感。但由于目 前我国尚未建立起与“参量认可”相衔接配套的技术标准及规范，到目 前为止我国的检验机构仍只主张采用“系统认可”方法。4 本安系统设备的设计 构成本安回路的必要条件有三个:一是处于气体爆炸危险场所的电 气设备本身贮能不会产生点燃火花;二是安全场所的非本安电路传送到危险场所本安电 气设备的能量小
9、于规定值;三是关联电缆不会受到外界电 磁场的干扰产生非本安能量。这三个条件中，第一、二项属于现场电 气设备与关联设备(安全栅)的选型问 题，第三项属于二者之间连接电 缆的问 题。所以，能否构成一个合理有效的本安回路关键是要组合好这三者之间的关系。4.1 现场电 气设备 对于石油化工行业来说，现场电 气设备的选择主要体现在选择合适的现场电子式仪表。选择防爆型现场电子式仪表的基本条件是:(1)具有经防爆部门认证的本安防爆标志，且符合现场防爆要求;(2)其防爆证书(或设备铭牌)所标注的关联设备中具有拟选择的安全栅型号(一般指与关联设备的联合防爆取证);(3)电感、电容远小于拟选择的安全栅负载参数。凡
10、经防爆部门 认证过的一定等级的本安仪表或安全栅都可用于该防爆等级的爆炸危险场所，或用于低于该防爆等级的爆炸危险场所。4.2 关联设备 关联设备作为限能设备能有效地保护危险场所的现场设备，在正常工作条件下能使系统完好地工作，而在故障条件下能限制到达危险场所的电压、电流。通常关联设备并不具有本安特性，但它能影响本安电路中的能量，来保持电路的本安性能。安全栅是本安防爆系统中 最常用的关联设备。常用的安全栅有齐纳式安全栅和隔离式安全栅两类。它们的特点比 较如表2 所示:表 2第三届全国石油和化学工业仪表及自 动化技术交流研讨会论文集类别优点缺点齐纳式安全栅精确的信号响应;价格低廉;体积小接地要求高;较
11、易熔断;由于回路压降大导致回路供电电压小隔离式安全栅能有效隔离;无需接地;能向现场变送器提供较高的供电电压价格高;体积大 安全栅的选用应遵循以 下原则:(1)根据现场防爆要求，确定所需安全栅的防爆等级;(2)核查控制室仪表可能存在或产生的 最高电 压，确定安全栅最高允许电 压;与安全栅相连的安全设备的工作电压或可能产生的电压不得超过安全栅的最高允许电压。某些安全设备比如彩色C R T 可能产生的高压可达上万伏，在本安系统中这些安全设备应采用光电隔离等技术使之从本安系统中隔离开来，或采用隔离栅隔离。(3)考虑安全栅端电阻压降的影响，确定现场变送器是否能够正常工作;(4)安全栅允许的分布参数是否合
12、乎要求。现场电子式仪表与安全栅构成本安回路的实际应用中一些常见的错误是:(1)安全栅配非防爆仪表;(2)安全栅配非本安隔爆仪表;(3)将不同等级的本安设备与安全栅设备相配;(4)将低等级(i b)的本安系统用于需高防爆等级(i s)的爆炸危险场所。另外应特别引起注意的是，不能将不同防爆检验部门认可的本安仪表与安全栅随便组合。4.3 连接电 缆 在设计中选用了合适的安全栅和本安现场仪表后，也不能保证绝对安全。这是因为电路在传输过程中会受到电磁场的干扰而产生非本安能量。而安全栅对这种能量是无法限制的，这就需要设计人员通过正确选用电缆及其敷设方式来克服掉。由 于导线中存在着分布电容C c 和分布电
13、感L c，从而使导线成为贮能元件。它们在信号传输过程中不可避免的贮存能量，一旦线路出现开路或短路，这些潜能就会以电火花或热效应的形式释放出来，影响本安系统的本安性能。特别是近年来，石油化工装置规模不断扩大，工厂的自 动化程度不断提高。这样一方面使生产现场离控制室越来越远;另一方面使生产过程的检测和控制系统变得越来越庞大，从而导致了传输电缆长度的大幅度增加。电 缆长度的增加使分布电容和分布电 感已足以 影响整个系统的本安性能。目 前，以集中参数考核电缆分布参数的方法已 被世界各防爆检测机构所普遍接受。本安系统中，现场仪表与电缆同为安全栅的负载，它们三者之间有以下关系:C c 蕊C B-C a L
14、 c 赓L B-L a 式中，C a,L 一现场仪表的电 容、电 感 C B,L B 安全栅负载参数 1 5 1安全与可靠性 C c,L c 电缆的分布电容、分布电 感 当现场仪表与安全栅选定后，也就决定了电缆的长度:S c=C c/C k S L=L c/L k 式中，S c,S L 一 一 一 电 缆允许长度(取其小者为设计依据)C k,L k 单位长度导线的分布电 容、分布电 感 一般情况下，S c S L，即配线距离主要受导线分布电 容的 影响。电缆分布参数是电缆导体间距、导体截面、绝缘护套尺寸及绝缘材料介电常数等的复杂函数。为简化起见，假设电缆是均匀传输线，则二芯电缆的分布电 容及分布电 感可按下式进行近似计算(在实际设计中，可参考所选样本提供的电缆分布参数):C k=0.0 2 4 1 3 E(。F/K m)1 g Dl d 式中，绝缘材料相对介电常数 d 导体外径(m m)D 绝缘体外径(m m)C k 单位长度导线的分布电容 目 前石化装置D C S 的规模越来越大，配线距离也越来越长，若不慎重考虑电缆的选择，将会造成假本安回路，危及装置的生产安全。总之，现场电 气设备、关联设备和连接电 缆是构成本安防爆系统的三要素，每一环节都至关重要。同时本安防爆是一个系统的概念，三要素之间彼此独立又相互关联，在实际设计时 应综合考虑，合理有效的组合好三者的关系。