正壓防爆技術在自控設備中的應用

朱國英

(上海工業自動化儀表研究院，上海 200233)

0 引言

隨著IT技術的發展，自動化控制系統的應用范圍更加廣泛。石化、煤礦、醫藥、海上鉆油平臺等高危產業的發展也依賴自控系統的安全投入。

在石油化工等危險場合的自控系統設備中，為更好地發揮整個控制系統的安全性、高效性和經濟性，選擇適用的防爆型式非常重要。正壓防爆技術可適用于石化等危險行業。在含有爆炸性氣體的環境下，自動化控制應用較多的是防爆控制盤(臺、柜)等大容積設備。

1 防爆技術原理

在爆炸性環境中，點火源、可燃物質和助燃劑(空氣)是燃燒爆炸的三要素。當這三個要素同時存在，且在爆炸性物質與空氣的混合濃度處于爆炸極限范圍內時，就不可避免地發生爆炸。

電氣設備的防爆技術措施是設法排除爆炸三要素中的一個或多個要素，使產生爆炸的三要素不同時存在，將危險降到最小的可控程度。根據這個原理并參照國際化的防爆標準文本，我國的爆炸性氣體環境下的防爆型式已形成隔爆型d、增安型e、本質安全型ia或ib、正壓型p、充油型o、充沙型q、無火花型n和澆封型m八大類，它們有各自的防爆特點和適用場合。

對于易燃物質，首先將其所處危險環境即爆炸性粉塵環境(I類環境)與爆炸性氣體環境(II類環境)區分開來。這兩類環境又分別分成三個區［1－2］，具體介紹如下。

①就爆炸性氣體環境來說，其危險區域分成的三個區為0區、1區和2區。在爆炸性氣體環境中，將易燃爆炸氣體的混合物的級別分為兩類:I類為煤礦井下甲烷，II類為工廠用氣體、蒸汽、薄霧(細分成IIA、IIB、IIC 三級)。溫度組別分為 T1～T6六組［3］。依據易燃物質的特性和各防爆型式的特點，以及防爆電氣設備的安全可行性、環境適應性、經濟合理性和可維護性的選型原則，工程人員選擇適用的防爆電氣設備，通過正確安裝、使用、維護來滿足危險工況的生產需要。

②對于爆炸性粉塵環境而言，由于炸藥類粉塵爆炸威力很大，電氣設備必須具有相當的強度才不致被破壞。因此，該環境下選用的電氣設備以及設計需要符合GB 12476.1-2000粉塵防爆電氣設備國家標準。

2 正壓型防爆的設計

正壓型防爆是將危險物質與點火源隔開的一種防爆方法，適用于1區與2區的危險場所，多用于內部元件易維修的設備或大型電氣設備，或用于自燃點為T4、T5溫度組別對象且很難制成其他防爆結構型式的電氣設備。

正壓型電氣設備的防爆原理是保證內部保護氣體的壓力高于周圍，以免爆炸性混合物進入外殼，或避免足量的保護氣體通過外殼使內部爆炸性混合物的濃度降至爆炸下限以下［4］。外殼內部的爆炸環境通過換氣變為“安全區域”并保持內部正壓，這樣普通電氣設備就可安裝在外殼內，待正壓建立并成為正壓防爆設備后實現控制設備的各項預定功能。

2.1 正壓防爆的型式

設備內的正壓分為三種不同形式，即在系統內部具有稀釋氣流正壓(連續通風型正壓)、泄漏補償正壓和靜態正壓，它們都以限制可燃性混合物進入外殼內部為目的。

這三種正壓形式都需要在設備啟動前用保護氣體對外殼進行沖洗，帶走設備內部非正壓狀態時進入外殼內的可燃性氣體，防止在外殼內形成可燃性混合物。同時，這三種形式必須具有監測系統，并進行定時換氣，以保證系統的可靠性。正壓腔體換氣時的保護氣體必須排放到安全場所，如果排放在危險場所，必須放置阻擋火花或熾熱顆粒的阻火器。

連續通風型正壓防爆對殼內存有發熱元器件或大功率發熱部件比較合適，但它的耗氣量是同樣規格的補償式正壓防爆的幾十倍甚至百倍。

補償式正壓防爆在自控設備中應用較為廣泛，在一般情況下，它的電氣設備內部不能有影響安全的通風死角。在正常運行時，出風口的風壓或充氣氣壓不得低于一定的數值，否則將立刻發出報警或切斷電源。

目前，正壓保護的防爆型式細分為三種型式，即Px、Py 和 Pz［5］。依據 Px、Py 和 Pz三種防爆型式及安全裝置等的設計準則，可細化正壓型結構的設計。

2.2 正壓防爆設備的構成

正壓防爆設備由殼體和正壓保護系統兩部分組成。殼體分主副兩腔。主腔的密封結構按技術要求須大于防護等級IP40，用于安裝非防爆儀表和器件等;副腔為非密封結構，用于安裝正壓控制單元及監測元件。主副腔在自控設備的防爆盤(臺、柜)中有著較為廣泛的應用。

2.2.1 正壓型控制盤(柜、臺)的形式

正壓型控制柜的形式有主副分體型、主副一體型和副箱側掛型三類，正壓型控制臺的形式有主副一體型和副箱側掛型兩類，其示意圖如圖1、圖2所示。

主副分體正壓型控制盤(柜)用于控制電氣元器件較多的場合;而主副一體正壓型控制盤(柜、臺)可用于控制電氣元器件相對較少的場合，產品結構緊湊;副箱側掛型的正壓控制盤(柜、臺)兼有主副分體式的特點且占有空間少，有利于用戶按現場情況選用。按三種防爆型式設計要求，可選“Px”或“Py”型應用于爆炸性氣體混合物的1區危險場所;對于爆炸性氣體混合物的2區危險場所，可選用“Pz”型。主副分體正壓型控制盤(柜)與主副一體正壓型控制盤(柜、臺)，其主副腔之間所有電氣信號必須依據電纜規格及數量，通過板上安裝的大小適宜的防護等級為IP65的防護電纜接頭接入。

2.2.2 正壓控制盤(柜、臺)的密封處理

正壓主腔的密封技術是補償型正壓控制設備的關鍵設計點之一。由于盤(柜、臺)主腔內部需用空氣或惰性氣體換氣并最終保持一定的壓力，對主腔殼體的防護要求≥IP55。這樣有利于正壓控制，同時，可以降低設備的運行成本，兼顧設備放置戶外的防塵、防潮和防水要求。

基于上述要求，需解決正壓腔的密封可靠性問題，開啟是否符合安全設計要求，并考慮密封條在腐蝕性環境及惡劣氣候條件下的防腐、老化等問題，以提高防爆自控設備在危險環境和惡劣氣侯條件下的使用性能。由于采用了M型硅橡膠密封條及發泡海綿二合一的密封方法，因此，在門的非鉸鏈側配上門鎖和專用鎖緊螺釘組，較好地解決了正壓殼體的密封問題。在正壓主腔失壓斷電后，打開門鎖和專用鎖緊的螺釘組的過程有利于泄壓，符合正壓防爆盤(臺、柜)的安全設計要求。

當正壓主腔內安裝的發熱元器件需散熱時，可采用以壓縮空氣為能量制冷的專用屏柜制冷器。使用過程中，按腔體的容積選用需要的制冷量，通過排出熱空氣來解決元器件的散熱，并且須在標牌上注明在斷電后等待的時間，以確保打開門時主腔內發熱電氣部件溫度降至正壓柜允許最高表面溫度所需的時間。

對于要設置觀察窗口的主腔，須滿足相關設計要求并能承受標準規定的沖擊試驗。如果盤面上有臨時需要操作的儀表或記錄儀，應在盤面上增加該表計的防護窗，其防護等級不低于IP54。

2.2.3 正壓保護單元

正壓保護單元是實現控制設備(主腔內)正壓的關鍵，它有電氣型控制和氣動型控制兩大類。

電氣型控制應在危險場合下關、合，容易產生火花，須將電氣型正壓保護單元的電控部分做成隔爆型的防爆腔體，并按隔爆型的防爆標準要求設計、制造和安裝。其電氣性能按所需控制要求設計。

氣動型控制的正壓單元由延時計時器、過濾減壓閥、氣缸、精密減壓閥、換向閥、壓力表、放大器、節流閥和單氣控閥等氣動元件以及防爆主令控制器組成。

通過氣動控制回路的設計，使正壓控制系統具有以下功能:①在主腔內自動換氣結束后，當殼內壓力高于設計規定值50 Pa時，主腔殼內部電氣設備自動通電，直至殼內氣壓＞200 Pa時停止供氣，壓力保持在(200±30)Pa，成為安全環境;② 當殼內壓力＜100 Pa時，正壓控制單元又啟動供氣，使殼內正壓保持在安全環境下;③當殼內壓力＜50 Pa時，因主電源與壓力控制器已互鎖聯動，其自動斷電，確保該工況防爆設備的使用安全。

由于2區危險區域約占整個危險區域的70%，并且鑒于“失壓斷電”的缺點，根據IEC正制定只適用2區危險場所的簡易正壓防爆標準的要求，簡易正壓防爆盤(柜、臺)在殼內沒有安裝大功率器件的情況下，其正壓保護電氣件可與其他電氣設備分(合)安裝在一個腔體，從而實現低壓聲光報警而不必斷電的簡易正壓保護控制。

基于上述正壓型防爆設備的設計特點，它在石化、天燃氣、醫藥等危險場合的自控設備中有著較為廣泛的應用。實踐證明，正壓型防爆技術非常適合滿足大容積的自控設備在危險工況中對安全性生產和經濟性方面的需求。

3 正壓技術和本安防爆

隨著IT的發展，危險場合中的自控系統控制盤(臺)不僅須選用正壓防爆，同時對操作鍵盤的選用和安裝都有嚴格的要求，實際應用中有如下要求。

3.1 本安要求

在控制系統中，若操作鍵盤放在非正壓腔內，為滿足現場工作需要，須選用本安防爆鍵盤。在石化企業中，正壓防爆操作臺采用了本安的防爆操作鍵盤，其型號為TA-9702，防爆等級為Ex iaⅡ CT6，關聯設備的型號為EI-9702，防爆等級為Ex iaⅡ C。選用本安設備必須按本安防爆技術的連接要求進行［6］。

3.2 關聯設備的安裝

根據本安防爆技術要求，關聯設備須安裝在安全區域即正壓腔(主腔)內方可使用。關聯設備只能用于連接檢驗機構認可的本安防爆鍵盤。

3.3 本安防爆鍵盤的安裝

本安防爆鍵盤通過關聯設備與PC機連接方可投入使用，它們之間的電氣連接有嚴格要求。本安防爆鍵盤的連接如圖3所示。

圖3 本安防爆鍵盤連接示意圖Fig.3 Connection of intrinsically safe keyboard

3.4 關聯設備的接地

關聯設備必須結合爆炸危險場所的地電位平衡系統方可使用［7－8］。端子(綠色)提供用于與地電位平衡系統的導線連接，其導線截面積不得小于1.5 mm2。設備連接后必須確保不同的平衡系統間的平衡電流不互串。為防止這一現象的發生，可采取以下兩種實施方法:①現場已建立地電位平衡系統的，可直接將關聯設備的接地點連接到外殼接地位置;②現場若沒有建立地電位平衡系統的，則應將關聯設備的接地點連接到安全場所的地電位上。

應注意的是，當鍵盤和關聯設備損壞需要更換時，更換后的鍵盤和關聯設備必須與使用的型號、防爆標志一致。

由于各防爆型式在適用性方面的差異，實際應用中可采用不同的防爆型式組成復合防爆型式，此時需要根據其各自的技術規范要求做好接口的銜接，才能確保防爆控制設備的安全適用性。

當然，隨著經濟的發展，產品的種類也在不斷地細化，目前已有防護等級IP65的金屬鍵盤。若選用該類型的鍵盤，并處理好與正壓主腔體的密封問題，使之成為正壓腔的一部分，則其適用性和經濟性就會有很大的提高。

4 防爆產品取證

防爆產品取證是新的防爆產品開發設計、制造、裝配、試驗完成后的不可或缺的一個步驟。因此，設計人員必須事先明確做何產品、依據的標準、功能實現的方法，并設計完善圖紙和編制取證文本。這些環節都關系到防爆產品能否順利取得具有認定資質的檢驗機構的認證。

4.1 取證產品的資料整理

4.1.1 文本整理

文本主要用于介紹產品的引用標準、適用場合及產品的特性等。對防爆產品而言，防爆產品技術條件和防爆產品使用說明書應比較全面地反映產品的性能，它們需要包含的內容如下。

①防爆產品技術條件:它包括主題內容與使用范圍、引用標準、產品型號、主要技術指標、技術要求和防爆試驗(包括出廠檢驗、型式檢驗)等。

②防爆產品使用說明書:它包括產品的概述、適用標準、產品的防爆標志、產品的防爆合格證號、產品的型號規格、主要技術指標、主要功能、工作原理、操作步驟、故障排除以及注意事項等。

4.1.2 圖紙整理

圖紙反映了設計的思想，它是產品生產的依據。在整改過程中，需要規范地表述，理清防爆產品的明細表和圖樣目錄，這有助于保證防爆產品取證的順利進行。

①明細表由序號、代號、名稱及規格、材料、數量、備注等組成。內容首先包含防爆產品技術條件和防爆產品使用說明書，然后根據產品總裝配圖中編號的零部件、固定標準件、內裝的電氣元器件、按防爆規范要求制作的標志件、進線、進氣的連接件等，按要求的表格形式進行詳細羅列。

②圖樣目錄包括總裝配圖、完整的結構零部件圖、符合防爆電(氣)控制特性的原理圖、按防爆規范要求的產品銘牌圖、警告牌圖、防爆標志圖、接地標牌圖和生產單位銘牌圖等，并按圖樣目錄序列附上對應圖紙，裝于明細表后。

4.2 產品和資料的送檢

產品和資料的送檢按步驟進行，通過最終審核可取得具有認證資格的防爆檢驗機構頒發的防爆產品合格證書。

5 結束語

綜上所述，在危險場所的自控設備中，正壓防爆技術有著較為廣泛的應用。防爆產品的開發設計須依據防爆標準的規定，并根據市場的需求，不斷細化產品，以提高產品的性價比，從而更好地滿足危險行業安全生產發展的需求。

［1］國家質量技術監督局.GB 3836.14－2000爆炸性氣體環境用電氣設備 第14部分:危險場所分類［S］.北京:中國標準出版社，2005:461.

［2］國家質量技術監督局.GB 12476.1－2000粉塵防爆電氣設備［S］.北京:中國標準出版社，2005.

［3］國家質量技術監督局.GB 3836.1－2000爆炸性氣體環境用電氣設備第1部分:通用要求［S］.北京:中國標準出版社，2005:4－5.

［4］電氣防爆技術結構與原理概述［DB/OL］.［2010－04－14］.http://www.examda.com/aq/jishu/html.

［5］國家質量技術監督局.GB 3836.5－2004爆炸性氣體環境用電氣設備第5部分:正壓型“P”［S］.北京:中國標準出版社，2005:3－4.

［6］徐建平.儀表本安防爆技術［M］.北京:機械工業出版社，2002:57－63.

［7］劉建侯.儀表可靠性工程和環境適應性技術［M］.北京:機械工業出版社，2003:239－245.

［8］溫熙森，陳循，張春華，等.可靠性強化試驗理論與應用［M］.北京:科學出版社，2007:4－6.