教你学会仪表回路本安计算及本安回路设计

2019/9/17 0:03:30 人评论 次浏览 分类:技术方案  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/2710.html

在石油、石化等过程行业中,可能出现潜在的爆炸性环境,在实践中必须对系统中的现场相关设备采取相应的防爆措施。自控仪表设备采用的防爆技术主要有:本安(Ex i)、隔爆(Ex d)、增安(Ex e)、正压(Ex p)、浇封(Ex m)等各类型。在众多的防爆技术中,本安防爆技术作为一种以抑制点火源能量为防爆手段的安全技术,以其结构简单、体积小、质量轻,可带电维护、标定和更换零件等优点,目前在各个行业的工程项目中已得到了广泛应用。

在某化工项目中业主提出:根据以往的项目经验,如果没有对本安回路进行严格的计算,在生产过程中仍然会有30%左右的回路存在安全隐患。即使目前国内对本安计算无特殊要求,业主仍要求在项目设计过程中对每条本安回路进行严格的本安回路计算,本安回路计算的依据是国际电工委员会IEC 60079-14:2007的相关规定。


本安回路设计基本要求:通过控制电路的电参数(如减小电感和电容等储能元件参数),或降低电路电流和电压,使电路达到本安防爆要求;电路中元器件要有足够的功率,连接导线应具有足够截面,以使电路在各种故障条件下可能产生的高电压和大电流不会破坏元件性能,通过元件的可靠性来保证电路的可靠性。这就要求对本安回路中相应的电气元件参数进行计算,即本安回路计算,以达到相关安全规范的要求,使安全生产更有保证。


1、本安防爆技术简介

本安防爆技术的基本原理是以限制能量的原则达到防爆的目的,本安技术在回路正常或异常情况下,可靠地将电路中的能量限制在一个允许的范围内,以保证电气设备发生短路、元器件损坏等情况下,不至于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。

本质安全防爆系统简称本安回路系统,由三部分组成:现场本安设备、本安电缆及关联设备,如图1所示。系统回路以安全栅为界分为本质安全电路和非本质安全电路。从安全栅通过本安电缆连接到现场仪表所构成的电路为本安电路;从安全栅到DCS以及到供电电源的电路为非本安回路。

 典型本安回路示意
图1 典型本安回路示意


①现场本安设备

◆简单设备
按照规范 IEC60079-14[ 3.5.2]规定,无源元器件,例如开关、接线箱、电阻以及简单半导体元器件可视为简单设备;对于储能有源元器件例如电容、电感,当其设计参数能保证系统的全面安全时可被视为简单设备;对于产生能量的有源元器件,例如热电偶、光电池,当其产生的能量电压不超过1.5V,电流不超过100mA,且功率不超过25mW的电气设备,这样的电气设备可视为简单设备。它们无需防爆认证,可以自由地配置在本安回路中。
◆本安设备
具有储能元件,需要防爆认证的本安电气设备,如变送器、接近开关等。

②本安电缆

仪表与控制室之间的连接电缆存在一定数量的分布电容和分布电感,特别是距离较远或仪表的设计参数接近本质安全所容许的最大值情况下,就需要考虑分布参数和限制配线长度。这是因为分布电感和分布电容都是储能的,在电缆发生故障时,这些储能就会以电火花或热效应的形式释放出来,不同程度上有增加点燃的危险性,影响系统的本安性能。
电缆最大允许分布电容:Cc=Ck×L
电缆最大允许分布电感:Lc=Lk×L
式中Ck为电缆单位长度分布电容;Lk为电缆单位长度分布电感;L为实际配线长度。

③关联设备(安全栅)

安全栅是本质安全防爆仪表系统中最常用的 关联设备, 它连接在本安电路与非本安电路之间, 其作用是限制电流和电压, 不使危险能量窜入到本安电路中去,以确保本质安全电路的安全性能。安全栅主要有齐纳式安全栅和隔离式安全栅两大类,目前齐纳式安全栅已逐步被隔离式安全栅替代。

2、本质安全型防爆仪表系统的认证方法

目前,国际上各检验机构对本质安全型防爆仪表系统的检验认证方法有3种:系统认可、参量认可和FISCO(fieldbus intrinsically safe concept)认可。
①系统认可
系统认可也称“ 联合取证”,是指把被检验的指定本安仪表和被检验的指定关联设备相组合所构成的系统进行认可。一经认可后,系统中任一设备不能用未经检验机构按这种组合方式检验认可过的任何其他型号、规格的本安设备(仪表)或关联设备代用。
目前中国检验机构认可的方法主要是系统认可,但是这种认证方法在本安仪表和安全栅种类较多的情况下,认证程序较为繁琐,已经不太适用于现在的工业设计。

②参量认可

在国外的项目中较多使用的是参量认证。参量认可是指对单台设备(本安仪表或关联设备)进行的检验认可,并给出一组相应的安全参数。通常,采用这种方法认可的本安设备可以与具有相兼容的安全参数的关联设备连接使用。美国FM(工厂联研会)把这种认可方法称为“ 整体认可”, 把相应的安全参数称为“ 整体参数”。这些参数包括以下内容:
◆本安设备的整体参数
Ui为在故障条件下,本安设备最大可接受的电压;Ii为在故障条件下,本安设备最大可接受的电流;Ci为本安设备内部未被保护的电容;Li为本安设备内部未被保护的电感。
◆关联设备的整体参数 :
Uo—为开路电压,即在故障条件下,可能传送到危险场所的最大电压,Io—为短路电流,即在故障条件下,可能传送到危险场所的最大电流;Co—关联设备允许外接最大电容;Lo—为关联设备允许外接最大电感。
采用参量认可,用户在进行本安系统设计时,只需比较关联设备和本安设备的整体参数。当它们满足下列关系式时,不必经检验机构认可,就可构成本安系统。
安全栅、本安仪表、电缆的安全参数匹配,要满足表1中的5个不等式:
表1 简单本安回路计算的5个不等式


公式    安全栅参数      安全参数匹配条件        本安仪表参数+电缆参数
1              Uo                      ≤                                     Ui
2              Io                        ≤                                     Ii
3              Po                       ≤                                     Pi
4              Co                       ≥                                    Ci+∑Cc
5              Lo                        ≥                                    Li+∑Lc

注:∑Lc和∑Cc—为连接电缆分布电容和分布电感。

参量认可是目前国外项目使用较广泛的认证方法,也已经被中国国家级仪器仪表安全监督站所认可,表1的5个不等式是核算本安回路是否符合规范要求的关键。

③FISCO认可

FISCO即所谓的现场总线本质安全概念,该模型是由德国PTB(Physikalisch Technische Bundesanstalt)开发的,FISCO使得Profibus-PA以本质安全防爆方式安装,应用在Ex区中成为可能。FISCO适用于EEx ia IIC和EEx ib IIC/IIB本安防爆方式。研究表明,挂接于Profibus-PA分段上的现场仪表数量只受段耦合器电力特性的限制,每段可挂接的现场仪表数量达到了最大值,分段可以在FISCO的限制内扩充,但无须重新进行本安核算。不同生产厂家的现场仪表可以互换,无须再进行本安核算,但替换的仪表必须是经过FISCO认证的。尤其重要的一点是无须系统认证,只需对一些主要参数的匹配进行验证即可。
FISCO认证受以下条件的限制。
a)每段只允许一个供电电源。
b)所有站必须符合FISCO模型并经验证合格。
c)电缆长度不得超过1000m(防爆类型ia)/1900m(防爆类型ib)。
d)电缆参教必须满足以下值:R′=15~150Ω/km,L′=0.4~1mH/km,C′=80~200nF/km 。
e)供电装置和现场设备的所有组合必须确保, 在故障情况下, 任何现场设备可允许的输入变量(Ui,Ii和Pi)必须超过相关供电装置的最大可能和认可的输出变量(Uo,Io,Po;在美国为:Vmax,I max,Pmax)。

3、本安回路计算

IEC 60079-14:2007中12.2.5:“除非个本安回路得到了认证以外,所有的本安回路都应依据该规范进行本安计算”。项目业主根据以往的经验,如果不进行本安计算,即便是选择了本安仪表,本安电缆和与之相匹配的安全栅,仍然会有30%的回路存在着安全隐患。为降低风险,项目中所采用的本安回路均需提供相关仪表和安全栅的本安认证证书以及本安回路计算书。

①一台关联设备的本安回路计算

◆简单本安回路
简单本安回路如图2所示。
简单本安回路
图2 简单本安回路

以回路LIA+S+100.01为例计算,见表2所列。
表2  回路LIA+S+100.01的参数
回路LIA+S+100.01的参数

对上述参数进行核算, 满足表 1 所列 5 个不等式的要求, 故该回路通过了本安计算, 可以应用于防爆区。


◆混合本安回路

在设计中,差压液位变送器LT100.01安装在罐顶上,为了方便读取数据,在地面上增加1台就地指示仪表LI100.01,串联在上一个回路里,如图3所示。
混合回路LIA+S+100.01
图3  混合回路LIA+S+100.01


IEC 60079-14:2007中12.2.5.2:“如果总分布电感和总分布电容同时大于1%Lo和1%Co,则计算时Lo和Co均应除以2”。
这种混合回路有以下几种情况,如图4所示。

图4 混合回路本安回路计算逻辑(图注:Li=Li1+Li2;Ci=Ci1+Ci2)
a)如果回路仅包括电缆的Lc和Cc,现场仪表的电感之和Li或电容之和Ci两项均为0或其中一项为0 , 本安计算按表1中的5个不等式计算。
 
b)如果Ci≤1Co或者Li≤1Lo,本安计算按表1中的5个不等式计算。
c)如果同时满足Ci>1Co和Li>1Lo,将不再按照表1中的电感、电容不等式计算,此时安全栅的电感、电容参数除以2参与计算,见表3所列。
表3 混合本安回路计算的5个不等式

公式    安全栅参数   安全参数匹配条件    本安仪表参数+电缆参数


1               Uo                 ≤                                 Ui

2               Io                  ≤                                  Ii
3               Po                 ≤                                 Pi
4               Co/2              ≥                                Ci+∑Cc
5               Lo/2              ≥                                 Li+∑Lc
同样以回路LIA+S+100.01为例计算,见表4所列。回路中串有指示仪表LI100.01。
表4 混合回路LIA+S+100.01参数
混合回路LIA+S+100.01参数

Li=Li1+Li2=0.73+0.04=0.77mH;
Lo=4.2mH;Li>1%Lo;Ci=Ci1+Ci2=22.5+0=22.5nF;Co=83nF;Ci>1%Co;同时满足两个不等式:Li>1Lo,Ci>1Co,则在本安计算时按照表3中的不等式进行核算,计算结果均不能满足Co/2≥Ci+Cc和Lo/2≥Li+Lc;故该回路没有通过本安计算。

解决方法:将一条回路拆分成两条单独进系统的回路,增加一路AO输出的安全栅,即分成两条简单本安回路(如图5所示),对两条回路分别计算,均能通过本安计算。

变送器单独进安全栅

指示仪表单独进安全栅
 图5 将混合本安回路拆分成简单本安回路


②复杂本安回路计算

如果本安回路包含两个或两个以上的关联设备,或者是两个或更多的本安回路联在一起,整个本安系统应经过严格的理论计算或IEC标准中规定的火花试验。

但是由于1台安全栅串入两个回路(如图6),或者一个检测回路涉及2 台安全栅(如图7)的本安回路的计算方法比较复杂,最大允许电感和最大允许电容值都需要经过查寻相对应的点燃曲线才能得到,所以设计中尽量避免使用这种回路。

 安全栅并联本安回路
图6 安全栅并联本安回路

一个检测点进2台安全栅的本安回路
图7 一个检测点进2台安全栅的本安回路


③本安回路中简单设备的温度要求

对于简单设备而言,虽然有些文件中提到它们无需防爆认证,可以自由地配置在本安回路中。但是由于表面温度对防爆的影响,被测介质温度较高时,会热传导至仪表使电气元件表面温度过高,超过防爆区划分的温度级别,要采用延伸型仪表或者采用分体安装的方式,使电气设备工作在认证证书所允许的温度范围内。

④FF总线的本安回路的本安计算

FF现场仪表的防爆方法是以隔爆型(EEx d)防爆、本质安全型(EEx i)防爆和无火花型(EEx nL)为主,现场总线基金会从容错安全性和带电维护的安全性考虑,基本上推荐EEx i防爆方法。

a)本安型主干和分支,用于防爆1区,如图8所示。这一方案是将安全栅设置在H1卡和电源配电与现场仪表之间,其优点是主干和分支都是本安的,均可带电维护。但该方案在实际操作中往往会比较困难。其原因是由于每个网段的拓扑结构比较复杂,仪表种类多,这对于计算网段的分布电容和电感是非常困难的,尤其是分支部分的分布电容和电感更是无法计算。另外由于安全栅的限能作用,使得每个网段上所能连接的仪表数量和电缆长度都受到了很大限制。

本安型主干和分支
图8 本安型主干和分支

FF现场总线也采用了FISCO模型,简单说就是在传统的本安仪表认证的基础上,增加一些适合现场总线需要的额外要求,这使得只要严格按照这些限制去设计每个网段,即便是增加或修改现场仪表,也不用进行复杂安全性的计算。


这种在主干和分支均为本安的方案有着明显的不足。首先由于安全栅无法冗余,这就使安全栅成为整个网段安全性上的一个瓶颈;其次,同一个网段不允许Entity认证的现场仪表和FISCO认证的现场仪表的简单混用,即Entity现场仪表必须挂在Entity电源上,FISCO现场仪表必须挂在FISCO电源上;第三,虽然FISCO网段可挂的仪表比Entity网段多,但也只能是6台,网段的增加使得投资成本很高。


b)增安型主干和本安型分支,用于防爆1区。这一方案是基于现场安全栅(Fieldbarrier,EEx me[ia]IICT4)技术的发展而确立的, 其思路是将起到限能作用的安全栅从主干线的起始端移到各分支处,即鸡爪接线盒内,分别对于每个现场仪表进行能量限制,从而兼容FISCO和Entity仪表,使二者可以在一个网段中混用。这种总线的本安计算只需从现场安全栅到现场仪表按照参量认证的方法即可。这种方法是目前比较实用,也越来越为更多的用户所接受。


近年来,伴随着中国全面加入IECEx体系,中国在防爆电气产品试验与认证技术方面也基本实现了国际接轨。随着本安防爆技术在中国石油、化工等危险产业中的广泛应用,本安防爆系统也越来越得到普遍重视。本安防爆系统的设计也有着更严格的规范可依据,本安计算将成为工程设计中不可缺少的工作,从而为中国快速发展的石油、化工、煤炭等爆炸危险行业的安全生产提供了更可靠的安全保障。
作者:王珍

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