石油化工裝置儀表本安回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仇廣金

(中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071)

1 引言

在石油化工裝置中，可能出現(xiàn)潛在的可燃有毒氣體，存在爆炸危險環(huán)境，在工程項(xiàng)目中的現(xiàn)場儀表設(shè)備必須具有相應(yīng)的防爆措施。近年來，隨著工業(yè)現(xiàn)場自動化程度的不斷提高，普遍適用于石化行業(yè)爆炸危險區(qū)域的本安型電氣被廣泛應(yīng)用[1]。本安防爆技術(shù)主要用于限制現(xiàn)場儀表的能量,在儀表回路正常或故障情況下，本安回路能可靠地將回路中的能量限制在一個允許的范圍內(nèi)，以保證電氣設(shè)備在發(fā)生短路、故障等情況下，不會引起周圍爆炸危險形體氣體發(fā)生爆炸爆炸[2]。

在國內(nèi)很多石油化工設(shè)計(jì)院在選用本安防爆方案時，大多僅僅是選用了本安型的儀表，未對本安電纜和安全柵進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，然而由于電纜分布電感與分布電容的存在，可能會產(chǎn)生能引起火花的能量，如果沒有經(jīng)過嚴(yán)格的本安回路認(rèn)證的計(jì)算，將有回路存在安全隱患，為了保證本安系統(tǒng)在爆炸危險環(huán)境中可靠的應(yīng)用，本文介紹主要介紹本安系統(tǒng)的組成、本安回路的計(jì)算方法及電纜允許最大長度的計(jì)算公式，以及在系統(tǒng)不能滿足本質(zhì)安全要求情況下可以采取的措施。

2 本質(zhì)安全回路系統(tǒng)的組成

本質(zhì)安全回路系統(tǒng)由現(xiàn)場本安設(shè)備(如現(xiàn)場變送器)、本安電纜和關(guān)聯(lián)設(shè)備(如安全柵)三部分組成，本安回路的組成如圖1 所示。

圖1 本質(zhì)安全回路系統(tǒng)組成

2.1 現(xiàn)場本安設(shè)備

現(xiàn)場本安設(shè)備主要分為簡單設(shè)備和本質(zhì)安全型設(shè)備。

2.1.1 簡單設(shè)備

按照規(guī)范IEC60079-14[3]規(guī)定,簡單設(shè)備是指電氣參數(shù)符合電路本質(zhì)安全性能要求的元件或結(jié)構(gòu)簡單元件的組合。例如開關(guān)器件、接線箱等，都是簡單設(shè)備；對于熱電偶、熱電阻等能產(chǎn)生能量的有源器件，也可視為簡單設(shè)備。簡單設(shè)備無需防爆認(rèn)證,可以自由地配置在本安回路中。

2.1.2 本質(zhì)安全型設(shè)備

本質(zhì)安全型設(shè)備具有儲能元件,是經(jīng)過權(quán)威的防爆認(rèn)證，內(nèi)部所有電路都是本質(zhì)安全電路的設(shè)備，例如閥門定位器、現(xiàn)場變送器等。

2.2 本安電纜

本安電纜為現(xiàn)場本安儀表設(shè)備和機(jī)柜室安全柵之間的連接電纜。本安電纜存在一定數(shù)量的分布電容和分布電感，其參數(shù)超過最大允許值時，回路會儲存過多的能量，從而產(chǎn)生安全隱患，需要綜合考慮電纜的分布參數(shù)和限制電纜的長度[4]。

2.3 關(guān)聯(lián)設(shè)備

安全柵是本質(zhì)安全回路中最廣泛應(yīng)用的關(guān)聯(lián)設(shè)備,其作用是限制輸出至現(xiàn)場儀表的電流和電壓,以確保本質(zhì)安全電路的安全性能[5]。隔離式安全柵無需系統(tǒng)接地回路，且能接受熱電偶、熱電阻及頻率等信號，因此在工程中得到廣泛應(yīng)用。

3 本安回路的認(rèn)證及電纜最大允許長度的計(jì)算

3.1 本安回路的認(rèn)證

根據(jù)以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),如果不進(jìn)行本安計(jì)算,即使在回路中每個設(shè)備都選擇了本安設(shè)備,組合的回路仍有30 %不能滿足本安要求。為降低風(fēng)險,工程設(shè)計(jì)中，均需對本安回路中的相關(guān)儀表和安全柵進(jìn)行本安認(rèn)證，選擇安全參數(shù)相匹配的儀表設(shè)備。本文以工程中常用的參量認(rèn)可方法為例介紹本安回路的認(rèn)證方法。

用參量認(rèn)可方法計(jì)算本安回路時，回路中本安儀表、本安電纜和關(guān)聯(lián)設(shè)備的安全參數(shù)需要匹配,其安全參數(shù)要滿足以下五個不等式:

Uo≤Ui

(1)

Io≤Ii

(2)

Po≤Pi

(3)

Co≥Ci+Cc (4)

Lo≥Li+Lc

(5)

式中：Uo——關(guān)聯(lián)設(shè)備的開路電壓,即在故障狀態(tài)下,其傳輸至爆炸危險區(qū)域的最大電壓；

Io——關(guān)聯(lián)設(shè)備的短路電流,即在故障狀態(tài)下,其傳輸至爆炸危險區(qū)域的最大電流；

Co——關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接的最大電容；

Lo——關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接的最大電感；

Ui——在故障條件下，本安設(shè)備最大可接受的電壓[4]；

Ii——在故障條件下,本安設(shè)備最大可接受的電流[4]；

Ci——本安設(shè)備的內(nèi)部電容；

Li——本安設(shè)備的內(nèi)部電感；

Lc——本安電纜的分布電感；

Cc——本安電纜的分布電容。

本安設(shè)備、本安電纜以及安全柵單位長度的安全參數(shù)通?？蓮南嚓P(guān)產(chǎn)品手冊中獲取，下面以普通壓力檢測單回路為例說明本安回路的認(rèn)證方法，本安設(shè)備(變送器)選用羅斯蒙特3051系列產(chǎn)品，關(guān)聯(lián)設(shè)備(安全柵)選用P+F產(chǎn)品，本安電纜選用安徽新亞特電纜，其回路圖及安全參數(shù)示意圖如圖2 所示。

圖2 簡單本安回路及安全參數(shù)示意圖

由圖2可知：

通過計(jì)算可知，本回路的安全參數(shù)均滿足不等式(1)～(5)，因此本回路能通過本安回路計(jì)算，可以直接用于防爆區(qū)。

4.2 本安回路電纜最大允許長度的計(jì)算

在工程設(shè)計(jì)過程中，本安設(shè)備的安全參數(shù)和儀表的安全防爆等級有關(guān)，一般情況下儀表防爆等級是根據(jù)電氣專業(yè)爆炸危險區(qū)域劃分圖確定，因此，本安設(shè)備的安全參數(shù)是確定的。關(guān)聯(lián)設(shè)備的安全參數(shù)是通過產(chǎn)品測試出來的，型號確定后其安全參數(shù)也是確定的。因此本安回路的計(jì)算主要取決于電纜的參數(shù)，即電纜的長度，其計(jì)算公式如下：

式中：L1——按允許電感計(jì)算的電纜最大允許長度,單位km；

L2——按允許電容計(jì)算的電纜最大允許長度,單位km；

β1——單位長度電纜的電感，單位mH/km;

β1——單位長度電纜的電容，單位μF/km;

Lmax——回路電纜最大允許長度。

以4.1節(jié)普通單回路為例，其電纜最大允許長度計(jì)算如下：

Lmax=0.6km

因此回路電纜必須小于0.61km,才能滿足本質(zhì)安全要求，否則回路有安全隱患。

5 不能滿足本質(zhì)安全認(rèn)證回路的改進(jìn)措施

當(dāng)回路安全參數(shù)不滿足式(1)～(5)任一公式時，回路不能通過本質(zhì)安全認(rèn)證，不能直接在爆炸危險區(qū)域使用，需要采取一定的措施，使回路滿足本質(zhì)安全認(rèn)證。由式(1)～(5)可知，可以從以下三方面進(jìn)行改進(jìn)：

(1)現(xiàn)場本質(zhì)安全設(shè)備按電氣專業(yè)爆炸危險環(huán)境劃分圖準(zhǔn)確的確定儀表設(shè)備的防爆等級，盡量不要提高防爆等級，例如IaIIBT4的允許分布電容和電感是IaIICT4的3倍。

(2)本安電纜，首先要考慮盡量縮短電纜的長度，由于儀表位置是管道設(shè)計(jì)專業(yè)確定的，儀表專業(yè)要和管道設(shè)計(jì)專業(yè)充分溝通，協(xié)商能否將儀表布置在距離機(jī)柜室近的位置，同時在施工過程中遵循電纜路徑最短原則，最大程度減少電纜長度。其次可以從電纜本身入手，選用介電常數(shù)低的絕緣材料，增大電纜導(dǎo)體直徑，都可以降低電纜的分布電容和分布電感,本安電纜應(yīng)選用銅芯絞線，其最小截面積不得小于0.5mm2。

(3)選擇允許外接最大電容和最大電感較大的關(guān)聯(lián)設(shè)備。

6 結(jié)束語

隨著石油化工自動化、智能化的發(fā)展以及人們對安全生產(chǎn)工作的重視，本安防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及本安計(jì)算將成為工程設(shè)計(jì)中不可缺少的工作。在石油、化工工程設(shè)計(jì)過程中，在本安防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，首先要確定設(shè)計(jì)的裝置處于哪類防爆場所，有哪些危險氣體，要全面考慮整個回路中的本安參數(shù)，從變送器、本安電纜到安全柵，均要核實(shí)計(jì)算其是否滿足本安回路要求。本文介紹了儀表回路安全認(rèn)證的方法，及回路不能通過本質(zhì)安全認(rèn)證時的解決措施，在工程設(shè)計(jì)過程中具有較高的參考價值。