本安回路構(gòu)成一般由現(xiàn)場(chǎng)儀表、本安電纜、相關(guān)設(shè)備的安全柵。本安技術(shù)的原理是在一個(gè)回路中的任何一個(gè)相關(guān)聯(lián)設(shè)備發(fā)生故障狀況時(shí)，回路中的電能都能被限制在安全的范圍內(nèi)，從而使現(xiàn)場(chǎng)的儀表設(shè)備在任何狀況下釋放的能量都不足以引起危險(xiǎn)區(qū)域安全事故的發(fā)生。本安回路的構(gòu)成如圖1。現(xiàn)場(chǎng)儀表自身滿(mǎn)足本質(zhì)安全的前提下，還需要滿(mǎn)足安全柵輸出到現(xiàn)場(chǎng)儀表的能量安全不足以引起危險(xiǎn)區(qū)的安全事故。通過(guò)儀表設(shè)備、電纜、安全柵合理的特性參數(shù)匹配構(gòu)成的安全回路實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。
圖1 本安回路典型示意圖
1、本安回路計(jì)算方法
在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，本安回路中并非所有設(shè)備都需要參數(shù)匹配驗(yàn)算。按照IEC60079-0:2021、GB3836.1-2021中的規(guī)定，無(wú)源元器件，例如開(kāi)關(guān)、接線箱、電阻以及簡(jiǎn)單半導(dǎo)體元器件可以視為簡(jiǎn)單設(shè)備；對(duì)于儲(chǔ)能有源元器件，例如電容、電感，當(dāng)其設(shè)計(jì)參數(shù)能保證系統(tǒng)全面安全時(shí)，可視為簡(jiǎn)單設(shè)備；對(duì)于能產(chǎn)生能量的有源元器件，比如熱電偶、光電池，當(dāng)其產(chǎn)生的能量電壓不超過(guò)1.5V，電流不超過(guò)0.1A，功率不超過(guò)25MW的電氣設(shè)備，可視為簡(jiǎn)單設(shè)備。此類(lèi)設(shè)備可隨意配置在本安回路中，無(wú)需進(jìn)行匹配驗(yàn)算。但是由于表面溫度對(duì)防爆的影響，儀表使用環(huán)境溫度較高或者本身測(cè)量介質(zhì)溫度較高時(shí)，熱量會(huì)傳導(dǎo)至儀表內(nèi)部使電氣元件表面溫度過(guò)高。所以環(huán)境溫度超過(guò)儀表本身防爆溫度級(jí)別時(shí)，要采用分體安裝的方式或者延伸型儀表，使儀表工作在防爆證書(shū)所允許的溫度范圍內(nèi)。具有儲(chǔ)能元件，且需要防爆認(rèn)證的本安設(shè)備需要進(jìn)行驗(yàn)算，比如常見(jiàn)的各類(lèi)變送器、電磁閥、安全柵等。
目前，對(duì)于本質(zhì)安全儀表防爆系統(tǒng)的認(rèn)證主要是：系統(tǒng)認(rèn)可和參量認(rèn)可。系統(tǒng)認(rèn)可即構(gòu)成本質(zhì)安全系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一認(rèn)可，認(rèn)證程序復(fù)雜且缺乏可替換性和經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中參量認(rèn)可較為可行，即針對(duì)單臺(tái)本安儀表及其相關(guān)設(shè)備(安全柵)進(jìn)行認(rèn)證并給出相對(duì)應(yīng)的電氣安全特性參數(shù)，根據(jù)參數(shù)進(jìn)行匹配與兼容的相關(guān)設(shè)備混合使用。這些參數(shù)如下所示：
Ii：本安設(shè)備最大可接受電流，mA；
Ui：本安設(shè)備最大可接受電壓，V；
Pi：本安設(shè)備最大可接受功率，W；
Ci+∑Cc：本安設(shè)備等效電容與電纜分布電容之和，uF；
Li+∑Lc：本安設(shè)備等效電感與電纜分布電感之和，mH；
Io：安全柵最大輸出電流，mA；
Uo：安全柵最大輸出電壓，V；
Po：安全柵最大輸出功率，W；
Co：安全柵最大外接電容，uF；
Lo：安全柵最大外接電感，mH。
針對(duì)圖1這種比較簡(jiǎn)單的回路的參量認(rèn)可需滿(mǎn)足①②③④⑤或①②③⑥⑦的公式：
①Ii≥Io
②Ui≥Uo
③Pi≥Po
④Ci+∑Cc≤Co
⑤Li+∑Lc≤Lo
當(dāng)∑Cc>1%Co與∑Lc>1%Lo時(shí)，本安回路除上述①②③外還需滿(mǎn)足：
①Ii≥Io
②Ui≥Uo
③Pi≥Po
⑥Ci+∑Cc≤Co/2
⑦Li+∑Lc≤Lo/2
值得注意的是，在圖1的簡(jiǎn)單回路內(nèi)容易忽視的是往往在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，在雷暴比較頻繁的地區(qū)，裝置上部分儀表遭雷擊的可能性比較大，主要的措施是加裝現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)浪涌保護(hù)器，此時(shí)需注意現(xiàn)場(chǎng)儀表的等效電容和等效電感的計(jì)算。
如果本安回路包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的關(guān)聯(lián)設(shè)備，或者是兩個(gè)或更多的本安回路聯(lián)在一起，整個(gè)本安系統(tǒng)應(yīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的理論計(jì)算或GB3836.4標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的火花試驗(yàn)。且以上參數(shù)取值復(fù)雜，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)極力避免復(fù)雜本安回路出現(xiàn)，即2個(gè)及以上的回路共用1個(gè)安全柵或者1個(gè)回路中采用了2個(gè)及以上的安全柵。針對(duì)本文中的簡(jiǎn)單回路，工程設(shè)計(jì)在選型時(shí)必須要求變送器、安全柵和本安電纜廠商提供這些參數(shù)。以下通過(guò)實(shí)例簡(jiǎn)單說(shuō)明圖1本安回路在∑Cc>1%Co與∑Lc>1%Lo時(shí)，變送器、安全柵和本安電纜之間的匹配具體如何進(jìn)行。
由表1、表2、表3數(shù)據(jù)按匹配公式進(jìn)行比較，可以得出表4。
由于表2中電纜∑Cc=18nF，∑Lc=0.24mH，結(jié)合表3中3種安全柵的Co和Lo值，不難看出滿(mǎn)足∑Cc>1%Co與∑Lc>1%Lo，此時(shí)取3種安全柵的Co/2和Lo/2值，分別與3種儀表的等效電容與電纜分布電容之和以及3種儀表的等效電感與電纜分布電感之和比較，昌暉儀表的安全柵與EJA壓力變送器和3051壓力變送器在當(dāng)前的電纜條件下不滿(mǎn)足Ci+∑Cc≤Co/2，即不能搭配使用在本安回路中，其余的混搭都可滿(mǎn)足參量認(rèn)可條件即可以構(gòu)成本質(zhì)安全回路。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，電纜的長(zhǎng)度往往是不一樣的，這直接影響本安回路的參量認(rèn)可。根據(jù)設(shè)計(jì)階段的不同，一般是先進(jìn)行儀表設(shè)備選型采購(gòu)，再規(guī)劃電纜種類(lèi)和敷設(shè)路徑(長(zhǎng)度)，系統(tǒng)的最終方案確認(rèn)往往相對(duì)較晚，這給安全柵的選型留有較大空間。在這種情況下，在電纜的規(guī)劃階段電纜具體類(lèi)型和長(zhǎng)度就顯得及其重要，如果規(guī)劃不當(dāng)極有可能與市場(chǎng)上的安全柵搭配使用時(shí)無(wú)法達(dá)到參量認(rèn)可條件，嚴(yán)重影響到安全柵選型靈活性，特別是在一些大型聯(lián)合裝置中。
表1 變送器本安參數(shù)
表2 電纜本安參數(shù)
表3 模擬量安全柵本安參數(shù)
表4 變送器、安全柵和本安電纜適配表
2、本安回路電纜長(zhǎng)度計(jì)算
在石化工程設(shè)計(jì)中，儀表控制電纜的長(zhǎng)度主要受負(fù)載以及電壓降的影響。那么針對(duì)本安回路中最常用的兩線制儀表即兩根電纜既是電源線又是信號(hào)線，除了考慮負(fù)載和電壓降之外，還需考慮到電纜分布電容和分布電感。根據(jù)SH/T3019-2016《石油化工儀表管道線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，儀表控制電纜線芯截面積不應(yīng)小于0.5mm2，常用的有1mm2，1.5mm2，2.5mm2。根據(jù)HG/T20509-2014《儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，GPS直流電源電壓質(zhì)量要求24V±1V，UPS直流電源電壓質(zhì)量要求24V±0.3V。典型的兩線制4-20mA的本安回路供電電壓為24V，實(shí)際安全柵輸出端電壓Us不盡相同，一般低于24V，一般變送器的負(fù)載要求如圖2。
圖2 變送器負(fù)載與供電電壓關(guān)系示意圖
根據(jù)圖2可以得出：當(dāng)UMIN≤US≤UMAX時(shí)，回路電阻RL滿(mǎn)足：
事實(shí)上每個(gè)變送器廠商均有儀表正常工作回路最低阻抗要求Rs，則理想情況下變送器相當(dāng)于電流源，安全柵相當(dāng)于電壓源，則電纜總電阻值Rc：
在工程設(shè)計(jì)中，查詢(xún)廠商樣本本安電纜導(dǎo)體直流電阻RDC，則單根電纜長(zhǎng)度LC為：
但在本安回路中，電纜的分布電容和分布電感必須考慮到儲(chǔ)能問(wèn)題。為保證現(xiàn)場(chǎng)的儀表設(shè)備在任何異常狀況下釋放的能量不足以引起危險(xiǎn)區(qū)域安全事故的發(fā)生，單根電纜的長(zhǎng)度L必須滿(mǎn)足：
例如，某模擬量輸入本安回路由表1中的羅斯蒙特變送器，表2中的天康電纜，以及表3中的MTL的安全柵構(gòu)成的AI本安回路，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1、表2、表3。其余參數(shù)Rs查詢(xún)羅斯蒙特變送器產(chǎn)品手冊(cè)可知：Rs=250Ω、RL=43.5(US-10.5)，安全柵針對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域電壓輸出Us=16.5V，則可以計(jì)算得出L≤MIN[666，1745，454.5]，那么單根電纜長(zhǎng)度應(yīng)不超過(guò)454.5m。值得注意的是，當(dāng)Us的值越大比如取值為17V時(shí)，LC=1335m。那么，單根電纜長(zhǎng)度應(yīng)不超過(guò)666m。
在實(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)階段可先根據(jù)儀表選型收集儀表的本安參數(shù)。電纜選型時(shí)，根據(jù)各家廠商資料試算一下各類(lèi)型本安回路在考慮電纜分布電容和分布電感時(shí)計(jì)算出的電纜長(zhǎng)度。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)回路兩根電纜總長(zhǎng)不超過(guò)1000m時(shí)，安全柵針對(duì)防爆危險(xiǎn)區(qū)域的輸出電壓對(duì)電纜長(zhǎng)度的影響比分布電容和分布電感更大；當(dāng)長(zhǎng)度超過(guò)了1000m以上時(shí)，就應(yīng)該優(yōu)先考慮實(shí)際分布電容大小和實(shí)際分布電感大小對(duì)線纜尺寸大小的直接影響。但因?yàn)閷?shí)際的分布電容大小相比實(shí)際分布的電感大小來(lái)說(shuō)對(duì)線纜的影響更大，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮分布電容的影響即可。
結(jié)束語(yǔ)
隨著石化行業(yè)的不斷發(fā)展，工程設(shè)計(jì)必將與國(guó)際接軌。那么未來(lái)國(guó)內(nèi)項(xiàng)目越來(lái)越多的業(yè)主也會(huì)要求本安回路進(jìn)行參數(shù)匹配，甚至?xí)鳛閮x控工程驗(yàn)收項(xiàng)。本文根據(jù)規(guī)范和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)介紹了兩線制本安回路在設(shè)計(jì)中如何進(jìn)行，并且結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出了本安回路電纜路徑長(zhǎng)度的計(jì)算方法，以供設(shè)計(jì)中快速地進(jìn)行本安回路相關(guān)設(shè)備的預(yù)匹配以及電纜選型和規(guī)劃電纜路徑。
作者：吳定超
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