醫(yī)藥工程自動(dòng)化系統(tǒng)本質(zhì)安全儀表回路計(jì)算

李宗耀

（成都市排水有限責(zé)任公司，四川成都610039）

0 引言

在藥廠生產(chǎn)過(guò)程中，可能會(huì)使用到易燃、易爆物質(zhì)，從而使該區(qū)域成為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，故必須對(duì)該區(qū)域采取相應(yīng)的防爆措施。其中，自控儀表設(shè)備采取的防爆措施類(lèi)型包括本質(zhì)安全型、增安型、隔爆型、正壓型、澆封型等。對(duì)于自控儀表設(shè)備而言，本質(zhì)安全型和隔爆型為其主要的防爆措施類(lèi)型。與隔爆技術(shù)不同的是，本質(zhì)安全防爆技術(shù)是通過(guò)對(duì)點(diǎn)火源的能量進(jìn)行抑制，從而達(dá)到防爆的目的。由于本質(zhì)安全儀表（以下簡(jiǎn)稱為本安儀表）具有輕便、小巧、可在通電情況下更換與維護(hù)、適用范圍廣、可靠度高等特點(diǎn)，在各行業(yè)中得到了廣泛運(yùn)用。

本安儀表需要與安全柵、本安電纜配套使用，構(gòu)成本安儀表回路。國(guó)際工程項(xiàng)目通常要求進(jìn)行本安儀表回路計(jì)算，國(guó)外業(yè)主發(fā)現(xiàn)，如未對(duì)本安儀表回路進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，則有30%左右的回路存有安全隱患[1]。目前，本安儀表回路廣泛應(yīng)用于石化裝置中，隨著我國(guó)企業(yè)安全管理意識(shí)的日益提高，國(guó)內(nèi)與國(guó)際逐漸接軌，國(guó)內(nèi)石化工程項(xiàng)目也逐漸開(kāi)始對(duì)本安儀表回路進(jìn)行計(jì)算。可以預(yù)見(jiàn)，使用本安防爆技術(shù)的醫(yī)藥工程項(xiàng)目也將逐漸開(kāi)展本安儀表回路計(jì)算。

本安儀表回路計(jì)算方法由國(guó)際電工委員會(huì)IEC 60079-14規(guī)定，其在國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3836.15—2017《爆炸性環(huán)境第15部分：電氣裝置的設(shè)計(jì)、選型和安裝》。

1 本安儀表回路計(jì)算

1.1 本安防爆技術(shù)及本安儀表回路

本安防爆技術(shù)作為一種以低功率為原則的設(shè)計(jì)技術(shù)，其基本原理是通過(guò)抑制點(diǎn)火源能量達(dá)到防爆的目的。本安防爆技術(shù)的顯著特征是現(xiàn)場(chǎng)儀表及其連接電纜釋放出的熱能與電火花不能點(diǎn)燃環(huán)境中的爆炸性混合物[2]。

本安儀表防爆系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為本安儀表回路，由本安儀表、本安電纜和安全柵組成。典型的本安儀表回路如圖1所示。

圖1 典型的本安儀表回路

（1）現(xiàn)場(chǎng)本安儀表：是指在故障及正常狀態(tài)下，所產(chǎn)生的熱能及電火花不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體混合物的儀表設(shè)備。

（2）本安電纜：連接電纜存在一定數(shù)量的分布電容和分布電感，分布電容和分布電感是儲(chǔ)能的，當(dāng)電纜發(fā)生故障時(shí)，將釋放能量，從而影響回路的本質(zhì)安全性。相比于普通電纜，本安電纜的分布電感與分布電容更小。

（3）安全柵：能抑制由安全區(qū)非本安儀表回路傳遞到爆炸危險(xiǎn)區(qū)本安儀表的能量，使其不超過(guò)爆炸性氣體混合物的最小點(diǎn)燃能量。

1.2 本安儀表回路計(jì)算方法[2]

目前，國(guó)際上各檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)本安防爆儀表系統(tǒng)的檢驗(yàn)、認(rèn)證方法包括系統(tǒng)認(rèn)可（System Approvals）和參量認(rèn)可（Parametric Approvals）。

系統(tǒng)認(rèn)可也稱“聯(lián)合取證”，是指將接受檢驗(yàn)的本安儀表與接受檢驗(yàn)的關(guān)聯(lián)設(shè)備（安全柵、本安電纜）進(jìn)行組合，對(duì)其構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)可。一經(jīng)認(rèn)可，系統(tǒng)中的本安儀表或安全柵、本安電纜就不能被其他型號(hào)、規(guī)格的產(chǎn)品替代。除非經(jīng)替換后新組成的系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)系統(tǒng)認(rèn)可。

參量認(rèn)可又稱為“整體認(rèn)可”，是指將系統(tǒng)中的本安儀表或關(guān)聯(lián)設(shè)備（安全柵、本安電纜）分別進(jìn)行檢驗(yàn)，并得出一組相應(yīng)的本安參數(shù)。只要構(gòu)成系統(tǒng)的本安儀表與關(guān)聯(lián)設(shè)備參數(shù)匹配，即意味著它們可以連接使用。

由于系統(tǒng)認(rèn)可需對(duì)本安儀表、安全柵、本安電纜進(jìn)行聯(lián)合認(rèn)證，而上述設(shè)備型號(hào)眾多，故靈活性較差，因此，參量認(rèn)可方法更加適用[3]。整體參數(shù)定義如表1所示。

采用參量認(rèn)可方法驗(yàn)證本安儀表回路，其本安儀表、電纜、安全柵的參數(shù)需滿足如下關(guān)系，如表2所示。

2 本安儀表回路設(shè)計(jì)及計(jì)算工程實(shí)例

2.1 本安儀表回路設(shè)計(jì)

本文以上海某制藥廠合成藥車(chē)間為例，對(duì)其本安儀表回路進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。該車(chē)間為甲類(lèi)防爆區(qū)，依據(jù)《GB 50058爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》，其爆炸性危險(xiǎn)區(qū)域確定為2區(qū)。合成車(chē)間內(nèi)的反應(yīng)釜需安裝壓力變送器及溫度變送器，變送器將檢測(cè)到的工藝參數(shù)以4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)軟電纜傳送至控制系統(tǒng)。變送器采用本質(zhì)安全型，其防爆等級(jí)選用ExiaⅡC T4～T6。在控制系統(tǒng)側(cè)配置隔離安全柵，本安型變送器與安全柵之間的電纜選用本安型計(jì)算機(jī)軟電纜。1#反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的本安儀表回路設(shè)計(jì)如表3所示。

表2 本安儀表回路參量認(rèn)可的五個(gè)判別式

以本安儀表回路PIAS-1101和TIAS-1102為例，其結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示。

2.2 本安儀表回路計(jì)算

構(gòu)成上述本安儀表回路的現(xiàn)場(chǎng)儀表、安全柵及本安電纜的本安參數(shù)分別如表4、表5、表6所示。

將上述回路PIAS-1101和TISA-1102的參數(shù)分別代入表2中的5個(gè)判別式進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果分別如表7、表8所示。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

表7、表8的計(jì)算結(jié)果表明：本安儀表回路PIAS-1101和TIAS-1102，每個(gè)回路的5個(gè)參量均匹配，本安儀表回路通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證。

同時(shí)，由表6可知，電纜的分布電感（∑Lc）=每米分布電感（Lc）×電纜長(zhǎng)度，電纜的分布電容（∑Cc）=每米分布電容（Cc）×電纜長(zhǎng)度。當(dāng)本安儀表回路中的儀表、安全柵和電纜的型號(hào)確定時(shí)，意味著其本安參數(shù)固定，且當(dāng)本安儀表與安全柵的電壓、電流、功率匹配（Ui≥Uo、Ii≥Io、Pi≥Po）時(shí)，本安儀表回路是否通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，僅由本安電纜的長(zhǎng)度決定。本安電纜的最大長(zhǎng)度為：

表3 1#反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的本安儀表回路設(shè)計(jì)

圖2 本安儀表回路PIAS-1101結(jié)構(gòu)

圖3 本安儀表回路TIAS-1102結(jié)構(gòu)

表4 現(xiàn)場(chǎng)儀表的本安參數(shù)

表5 安全柵的本安參數(shù)

表6 本安電纜的本安參數(shù)

表7 本安回路PIAS-1101的計(jì)算結(jié)果

表8 本安回路TIAS-1102的計(jì)算結(jié)果

以本安儀表回路PIAS-1101為例，經(jīng)計(jì)算，Lmax=m in（922，7 650），應(yīng)取最小值922，故電纜的最大長(zhǎng)度為922m。當(dāng)電纜長(zhǎng)度超過(guò)922m時(shí)，本安儀表回路不能通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證。此時(shí)，必須采用更低分布參數(shù)的本安電纜，直到本安儀表回路通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證為止。同時(shí)可以看出，電纜分布電容對(duì)回路本安性能的影響遠(yuǎn)大于分布電感。

若現(xiàn)場(chǎng)本安儀表由分支電纜經(jīng)接線箱匯成主電纜至控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)首先由分支電纜長(zhǎng)度計(jì)算出分布參數(shù)（∑Cbc、∑Lbc）后，再確定主電纜的最大長(zhǎng)度：

因主電纜多芯線間的電容及電感易疊加，因此應(yīng)選用“分屏+對(duì)絞+總屏”型計(jì)算機(jī)電纜。本安電纜的敷設(shè)應(yīng)遵循設(shè)計(jì)規(guī)范，與強(qiáng)電線纜保持規(guī)定的距離，防止因產(chǎn)生感應(yīng)電流而破壞電纜的本安性能[4]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)簡(jiǎn)單的本安儀表回路進(jìn)行了計(jì)算，并通過(guò)驗(yàn)證，簡(jiǎn)要總結(jié)出了以下注意事項(xiàng)：

（1）所選用的本安儀表的防爆等級(jí)必須等于或高于本安儀表所在區(qū)域的爆炸性危險(xiǎn)區(qū)域劃分等級(jí)。

（2）在本安儀表回路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量將回路設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單、典型的本安回路，避免使用復(fù)雜回路。

（3）復(fù)雜回路結(jié)構(gòu)是指本安回路中包括兩個(gè)及兩個(gè)以上的安全柵，或者兩個(gè)及兩個(gè)以上的本安回路連接起來(lái)。例如：一個(gè)安全柵串入兩個(gè)回路，或者兩個(gè)安全柵連接到一個(gè)回路。對(duì)于采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)的本安回路，需按規(guī)定進(jìn)行火花實(shí)驗(yàn)或者嚴(yán)格計(jì)算。而該計(jì)算的參數(shù)難以得到，計(jì)算方法比較復(fù)雜[1]。

（4）本文介紹的本安儀表回路計(jì)算方法不適用于由總線式儀表構(gòu)成的本安回路。

（5）對(duì)于由熱電阻、熱電偶、開(kāi)關(guān)等組成的本安回路，可不進(jìn)行本安回路計(jì)算[5]。