石油化工裝置儀表本安回路系統設計

仇廣金

(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

1 引言

在石油化工裝置中，可能出現潛在的可燃有毒氣體，存在爆炸危險環境，在工程項目中的現場儀表設備必須具有相應的防爆措施。近年來，隨著工業現場自動化程度的不斷提高，普遍適用于石化行業爆炸危險區域的本安型電氣被廣泛應用[1]。本安防爆技術主要用于限制現場儀表的能量,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，以保證電氣設備在發生短路、故障等情況下，不會引起周圍爆炸危險形體氣體發生爆炸爆炸[2]。

在國內很多石油化工設計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行計算驗證，然而由于電纜分布電感與分布電容的存在，可能會產生能引起火花的能量，如果沒有經過嚴格的本安回路認證的計算，將有回路存在安全隱患，為了保證本安系統在爆炸危險環境中可靠的應用，本文介紹主要介紹本安系統的組成、本安回路的計算方法及電纜允許最大長度的計算公式，以及在系統不能滿足本質安全要求情況下可以采取的措施。

2 本質安全回路系統的組成

本質安全回路系統由現場本安設備(如現場變送器)、本安電纜和關聯設備(如安全柵)三部分組成，本安回路的組成如圖1 所示。

圖1 本質安全回路系統組成

2.1 現場本安設備

現場本安設備主要分為簡單設備和本質安全型設備。

2.1.1 簡單設備

按照規范IEC60079-14[3]規定,簡單設備是指電氣參數符合電路本質安全性能要求的元件或結構簡單元件的組合。例如開關器件、接線箱等，都是簡單設備；對于熱電偶、熱電阻等能產生能量的有源器件，也可視為簡單設備。簡單設備無需防爆認證,可以自由地配置在本安回路中。

2.1.2 本質安全型設備

本質安全型設備具有儲能元件,是經過權威的防爆認證，內部所有電路都是本質安全電路的設備，例如閥門定位器、現場變送器等。

2.2 本安電纜

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

2.3 關聯設備

安全柵是本質安全回路中最廣泛應用的關聯設備,其作用是限制輸出至現場儀表的電流和電壓,以確保本質安全電路的安全性能[5]。隔離式安全柵無需系統接地回路，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用。

3 本安回路的認證及電纜最大允許長度的計算

3.1 本安回路的認證

根據以往的項目經驗,如果不進行本安計算,即使在回路中每個設備都選擇了本安設備,組合的回路仍有30 %不能滿足本安要求。為降低風險,工程設計中，均需對本安回路中的相關儀表和安全柵進行本安認證，選擇安全參數相匹配的儀表設備。本文以工程中常用的參量認可方法為例介紹本安回路的認證方法。

用參量認可方法計算本安回路時，回路中本安儀表、本安電纜和關聯設備的安全參數需要匹配,其安全參數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——關聯設備的開路電壓,即在故障狀態下,其傳輸至爆炸危險區域的最大電壓；

Io——關聯設備的短路電流,即在故障狀態下,其傳輸至爆炸危險區域的最大電流；

Co——關聯設備允許外接的最大電容；

Lo——關聯設備允許外接的最大電感；

Ui——在故障條件下，本安設備最大可接受的電壓[4]；

Ii——在故障條件下,本安設備最大可接受的電流[4]；

Ci——本安設備的內部電容；

Li——本安設備的內部電感；

Lc——本安電纜的分布電感；

Cc——本安電纜的分布電容。

本安設備、本安電纜以及安全柵單位長度的安全參數通常可從相關產品手冊中獲取，下面以普通壓力檢測單回路為例說明本安回路的認證方法，本安設備(變送器)選用羅斯蒙特3051系列產品，關聯設備(安全柵)選用P+F產品，本安電纜選用安徽新亞特電纜，其回路圖及安全參數示意圖如圖2 所示。

圖2 簡單本安回路及安全參數示意圖

由圖2可知：

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

4.2 本安回路電纜最大允許長度的計算

在工程設計過程中，本安設備的安全參數和儀表的安全防爆等級有關，一般情況下儀表防爆等級是根據電氣專業爆炸危險區域劃分圖確定，因此，本安設備的安全參數是確定的。關聯設備的安全參數是通過產品測試出來的，型號確定后其安全參數也是確定的。因此本安回路的計算主要取決于電纜的參數，即電纜的長度，其計算公式如下：

式中：L1——按允許電感計算的電纜最大允許長度,單位km；

L2——按允許電容計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節普通單回路為例，其電纜最大允許長度計算如下：

Lmax=0.6km

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

5 不能滿足本質安全認證回路的改進措施

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

(1)現場本質安全設備按電氣專業爆炸危險環境劃分圖準確的確定儀表設備的防爆等級，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計專業確定的，儀表專業要和管道設計專業充分溝通，協商能否將儀表布置在距離機柜室近的位置，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，選用介電常數低的絕緣材料，增大電纜導體直徑，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聯設備。

6 結束語

隨著石油化工自動化、智能化的發展以及人們對安全生產工作的重視，本安防爆系統的設計以及本安計算將成為工程設計中不可缺少的工作。在石油、化工工程設計過程中，在本安防爆系統設計時，首先要確定設計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，從變送器、本安電纜到安全柵，均要核實計算其是否滿足本安回路要求。本文介紹了儀表回路安全認證的方法，及回路不能通過本質安全認證時的解決措施，在工程設計過程中具有較高的參考價值。