本安回路验证在石化装置中的应用

　　

本安回路验证在石化装置中的应用

李钦柯*

（中石化广州工程有限公司，广东广州510620）

摘要：本质安全是防爆技术的一种有效形式，为石化装置的安全运行提供了可靠保障。本质安全仪表回路的设计理念在石化装置中具有广泛的应用，但目前国内对本安回路进行验证的工程却比较少。介绍了本安回路的原理及构成，介绍了国际上常用的本安回路计算和验证方法，给出了工程设计中常见仪表和安全栅的本安参数；以简单回路为例进行了本安回路验证，并给出了本安系统中电缆最大允许长度的计算方法，为石化工程设计过程中快速验证本安回路提供参考。

关键词：安全栅；本安回路；参量认可；本安系统；本安回路计算

中图分类号：TQ0159; TE927

Application of Intrinsically Safe Loop Calculation in petrochemical plant

Li Qinke *

( Guangzhou Petrochemical Engineering Corporation /Sinopec，Guangzhou 510620，China)

Abstract: ：Intrinsically safe design is an effective explosion protection technology to provide reliable guarantee for petrochemical safe production. The design concept of intrinsically safe (IS) loop has been widely used in petrochemical plants，but there are few of projects at home to validate the intrinsically safe loop for now. The concept, composition and calculation methods of IS loop are introduced. The calculation of simple IS loop and the maximum cable length is conducted according to the commonly seen brands of instruments, barriers and IS verification parameters. It can be used as a reference for IS loop calculation in petrochemical engineering.

Key words: safety barrier; intrinsically safe loop; parametric approvals; intrinsically safe system； intrinsically safe calculation

引 言

在现代化石化装置中，大部分区域都属于爆炸危险区域，在装置的存储、生产、处理过程中，不可避免的会存在爆炸性危险物质，这些爆炸性危险物质一旦发生泄漏与空气混合，极易形成易燃、易爆的混合物。另一方面，随着技术的发展，生产装置的大型化、智能化和自动化程度越来越高，自动化电气设备也越来越多，这些布置在爆炸危险区域内的自动化电气设备一旦发生故障，极易引燃或引爆周围的爆炸性危险气体，从而引发安全生产事故。因此，防爆安全技术就显得尤为重要。^[1]

自动化仪表防爆形式主要有增安型、隔爆型、本质安全型三种形式。增安型、隔爆型和本质安全型都可满足防爆要求，但本质安全型还有结构简单、易于操作和维护、适用范围广等显著特点，因此仪表本安回路在石油化工领域的具有广泛的应用。目前大部分海外石化建设项目对本安回路的计算及验证有着严格要求，而国内大部分项目一般依据经验进行设计，并未根据相关标准进行严格的计算和验证。随着国内石化相关标准与国际逐渐接轨，国内的安全管理意识逐渐提高，以及国内工程公司逐渐走向国际化，承接越来越多的海外业务，本安回路的计算和验证将成为石化设计工作中的重要组成部分。

1 本安回路的原理及构成

1.1 本安回路的基本原理

本质安全防爆系统简称本安回路系统，其基本原理是通过将本安回路系统的能量限制在可接受的范围内。爆炸的三要素包括点燃源、易燃物质和空气，本质安全防爆技术通过限制点燃源的能量，抑制本安回路系统产生的热效应和电火花，从而实现防爆的目标。在回路正常或异常的情况下，本安回路系统中的能量都被限制在一定范围内，以保证任何情况下电气设备发生故障，本安回路系统所产生的电火花和热效应都不会引爆其周围可能存在的爆炸性危险气体。

1.2 本安回路的基本构成

本安回路系统由三部分构成：现场本安设备、连接电缆、关联设备（安全栅），如图1所示。

图1 典型本安回路系统示意图

Fig.1 Intrinsically safe loop circuit

（1）现场本安设备：在电气设备正常工作或者发生特定故障的情况下，其产生的热效应和电火花都不会引爆规定的爆炸性气体，由这样的电路构成的电气设备叫做本安设备。但是，如果加在本安设备的能量（电压、电流或功率）超过其允许的最大值时，本安设备的安全性能将可能被破坏。

根据IEC60079-14（2013）的规定，简单设备是指产生和存储的能量电压≤1.2V，电流≤0.1A，功率≤2.5mW的电气设备，主要包括端子、电缆引入装置（电缆密封接头）、触点、热电偶、热电阻等简单元件，这类设备可以用在爆炸危险场所，不需要再进行验证。^[2]

（2）连接电缆：电缆的导线之间、导线与屏蔽层之间，都会存在一定的电容，叫分布电容；当导线接通时，如果电流发生变化，在导线周围会产生变化的磁场，变化的磁场又会反过来在导线中产生感应电势，叫分布电感。分布电容和分布电感可以储存能量，在一定条件下，这些能量会以电火花或热效应的形式释放出来影响系统的本安性能。本安回路系统一般要选用本安电缆，这是因为单位长度的本安电缆的分布电容和分布电感较小，对本安回路系统的性能影响更小。

（3）安全栅：安全栅位于现场设备与控制室（DCS）之间，其作用是限制到达危险场所中的本安设备的能量，达到消除引爆源的目的。

2.3本质安全防爆技术的特点

1. 本质安全防爆仪表的标定、维护等工作，可在带电的情况下进行。

2. 本质安全防爆技术的安全性、可靠性更高。

3. 本质安全防爆仪表适用范围更广，适用于0区、1区、2区。

4. 本质安全防爆仪表体积小、结构简单、成本低、易于操作维护。

2 本安回路的验证方法

目前，国际上常用的本安回路系统的认证方法归纳起来有两种，即系统认可（System Approvals）和参量认可（Parametric Approvals）。

系统认可，我国也称之为“联合取证”，它是指把特定型号的本安仪表、关联设备作为一个系统，进行整体检验认证。系统一经认可后，该系统中任何一台设备不能用其他品牌或型号的产品进行替换或代用。

参量认可，是指对要认可的本安设备或关联设备，由专门的机构对单台设备进行检验，并给出该设备的安全参数。在满足一定要求的前提下，通过检验认可的本安设备可与相应的关联设备组合使用。参量认可的方法也被称作“整体认可”，安全参数也称为“整体参数”。这些参数包括：

（1）本安设备整体参数

U_i—本安仪表最大可接收的电压，V；

I_i —本安仪表最大可接收的电流，mA；

P_i—本安仪表最大可接收的功率，W；

C_i—本安仪表内部总等效电容，μF；

L_i—本安仪表内部总等效电感，mH；

（2）关联设备整体参数

U_o—安全栅可输出的最大电压，V；

I_o —安全栅可输出的最大电流，mA；

P_o—安全栅可输出的最大功率，W；

C_o—安全栅允许外接的最大电容，μF；

L_o—安全栅允许外接的最大电感，mH；

（3）连接电缆分布电容和分布电感

ΣC_c—本安电缆分布电容，μF；

ΣL_c—本安电缆分布电感，mH。

本安回路参量认可方式中，本安设备、连接电缆、安全栅必须同时满足以下5个公式，才能构成本安回路系统^[6]:

上述本安设备整体参数、关联设备整体参数可以从设备的防爆认证证书上查询得到，当它们满足上列关系式时，就可以构成本安系统。

由于系统认可需对现场设备、连接电缆、安全栅进行整体认证，实用性和灵活性不高；在实际工程项目中，通常会采用多种品牌和型号的仪表，而系统认可的认证方式极大的制约了此种认可方式的使用。而参量认可只需计算本安设备和关联设备的“整体参数”，不必经过检验机构认可，就可构成本安系统。因此，参量认可的方式更为灵活，在国外项目中使用也较广泛。

3 常见本安回路的计算

“整体参数”可以从防爆认证证书上获取，电缆分布参数值可以从电缆产品样本中获得，也可参考有关国外标准资料进行估算，美国NFPA（美国国家防火协会）在《用于1区环境的本安设备》中提出，在电缆厂家未提供电缆分布参数的情况下，以本安系统的连接电缆的最大分布电容C和分布电感L值作为参考^[3]，即

C≤197 pF/m

L≤0.66 μH/m

3.1常见本安回路验证

本文选取工程设计中常见的仪表本安回路为例，采用石化行业常用的品牌和型号进行本安回路计算和验证，所选防爆等级为ExiaIICT4。本安设备和关联设备的本安参数均可在IECEx网站上查找，验证时需根据最新的参数进行计算。石化行业部分常见品牌和型号的现场仪表整体参数如下表1。

表1 部分常见现场仪表本安参数

Tab. 1 Intrinsically safe paremeters of field instruments

型号	制造商	整体参数
		Ui/V	Ii/mA	Pi/W	Li/mH	Ci/ nF
2051压力变送器	EMERSON	30	200	1	0	12
3051压力变送器	EMERSON	30	200	0.9	0	12
3144P温度变送器	EMERSON	30	300	1	0	5
5301雷达液位计	EMERSON	30	130	1	0	7.26
DLC3000浮筒液位计	Fisher	30	226	1.4	0.40	5.50
8800D涡街流量计	EMERSON	30	185	1	0.97	0
DVC6200 阀门定位器	Fisher	30	130	1	0	7.26
SJ 3,5-S1N限位开关	Pepperl+Fuchs	30	147	0.8	0	0
GDM密度分析仪	EMERSON	30	484	2.05	0	0
ASCO WSLI本安电磁阀	ASCO	32	500	1.5	0	0

部分常见型号的安全栅本安参数如下表2。

表2 MTL安全栅本安参数

Tab.2 Intrinsically safe parameters of safety barriers

型号	制造商	整体参数
		Uo/V	Io/mA	Po/W	Co/nF	Lo/mH
MTL4541S AI安全栅	MTL ltd	28	93	0.65	4.2	83
MTL4546Y AO安全栅	MTL ltd	28	93	0.65	4.2	83
MTL4514B DI安全栅	MTL ltd	10.5	14	0.037	175	2410
MTL4521 DO安全栅	MTL ltd	25	147	0.92	0	0
P+F　AI安全栅	Pepperl+Fuchs	25.4	86.8	0.551	93	4.6

以中东某炼厂所用电缆为例，其本安参数如下表3。需要注意的是，由于各电缆供应商参数并不一样，在本安计算中需以实际所使用电缆的本安参数进行计算。

表3仪表电缆的典型本安参数

Tab.3 Intrinsically safe parameters of safety barriers of cables

电缆类型	电缆规格 （mm2）	分布参数
		CC(nF/Km)	LC(mH/Km)	R(Ω/km )
本安仪表分支电缆	1.5	100	1	12.10
本安仪表主电缆	1.0	100	1	18.5

以Emerson 3051压力变送器，与MTL 4541S安全栅配套使用的情况为例进行计算，所用的单芯电缆(1.5mm2；铜芯；电阻R=12.1 Ω/km；C_C=100 nF/km；L_C=1 mH/ km)，所用的多芯电缆(1.0mm2；铜芯；电阻R=18.5 Ω/km；C_C=100 nF/km；L_C=1mH/km)，输入现场仪表的本安参数、安全栅的本安参数和电缆的分布电容、分布电感及长度，计算结果如下表4所示。

表4 本安回路计算结果

Tab.4 Intrinsically Safe Loop Calculation

本安仪表符号	本安参数计算结果	运算结果	关联设备符号	本安参数计算结果
Ui (V)	30.00	≥	Uo (V)	28.00
Ii (mA)	200.00	≥	Io (mA)	93.00
Pi (W)	0.9	≥	Po (W)	0.650
Ci+ΣCC (mH)	0.43	≤	Co (mH)	4.20
Li+ΣLC (nF)	55.20	≤	Lo (nF)	83.00

通过上图2的计算结果表明，该回路完全满足公式（1）中5个不等式的要求，满足本安回路系统的要求，通过了本安回路的计算和验证。可以看出Emerson 3051压力变送器和MTL 4541S可以构成本安回路，因此可用于此防爆区，工程中其他简单本安回路的计算和验证方法与此类似。

需要注意的是，IEC 60079-14中规定：当本安回路系统的现场有多个本安设备时，U_i为现场所有本安设备的电容之和，L_i为所有本安设备的电感之和；当ΣU_i＞1% Uo并且ΣL_i＞1% Lo时，安全栅的Uo和Lo应分别除以2，再代入上述计算式（1）中进行计算和验证^[4]。

如果本安回路包含多个关联设备，或者是多个本安回路连接在一起，此时本安回路系统应经过严格的理论计算，或者需进行IEC标准中的火花试验^[4]。此情况下，本安回路的计算和验证方法非常复杂，工程设计中应尽量避免使用这种复杂回路^[4]。

4 仪表电缆长度的选择

根据本安回路的防爆要求，根据本安回路参数的要求，可以计算本安系统中仪表信号的最大传输距离，对电缆长度的选择提供依据。

当现场接线采用中间接线箱的方案时，应首先确定分支电缆的长度，再根据主电缆及分支电缆的C_C、L_C计算主电缆的长度。

仍以4.1章节中的Emerson 3051压力变送器、MTL 4541S及电缆构成的简单回路为例，根据公式（1）中第4、第5个不等式，分别计算出的满足本安回路要求的本安电缆最大长度为：

(2)

(3)

S_C为满足回路电容要求的最大电缆长度，S_L为满为足回路电感要求的最大电缆长度，S_C和S_L的较小值即为满足该本安回路系统要求的最大电缆长度。

取单芯电缆长度为50m，可求得多芯电缆长度S_C≤660m和S_L≤4150m，取二者较小值660m即为满足本安回路系统要求的最大电缆长度，在该产品组合下，如果主电缆长度超过660m则不满足本安回路系统的要求。当然，仪表电缆长度的选择不仅要受仪表本安防爆的约束，还要满足仪表最小工作电压、仪表信号类型、电缆类型等方面的要求，综合考虑，最终确定电缆允许的最大长度^[5]。

在工程设计中，大多数情况下本安回路计算和验证是可以通过的，但需注意以下情况：^[4]

1. 当现场设备到机柜室的距离超过500m时，宜对本安回路进行计算和验证。

2. 实际操作时，每类设备仅需选择电缆长度最长的情况进行验证，如果验证通过，则此类仪表设备组成的回路均满足本安回路的要求。

3. 如果一台安全栅接入两个本安回路，或者一个检测回路涉及两台安全栅，此类本安回路的计算和验证方法比较复杂，工程设计中应避免使用此类复杂回路， ^[7]

4. 本安回路和非本安回路不得共用一根主电缆；采用保护管敷设时，不得共用一根保护管敷设，采用槽盒敷设时，中间应有金属隔板隔开。^[8]

5. 电缆敷设应与电气强电电缆保持一定距离，避免感应电流破坏本安回路的安全型。

6. 简单元件如触点、热电偶、热电阻等，不需要进行本安回路验证，就可以用在爆炸危险场所。

7. 本安电缆屏蔽层应在安全侧接地，严禁两侧同时接地。^[8]

5 结语

随着我国一带一路的实施，以及我国全面加入IECEx体系，对本安回路的计算及验证要求越来越严格，也必将成为工程设计中不可缺少一个环节。但在笔者参与的中东某大型石化设计项目中，业主要求每种类型的本安回路都要进行计算和验证，以验证是否符合本安认证要求，并需提供本安计算书作为交付物。工程实践中，虽然大部分情况下本安回路的计算和验证都可以通过，但不能存在侥幸心理，必须对每种类型的本安回路进行逐一计算和验证，尤其是涉及到长距离信号传输时，本安回路的计算及验证能为石化装置的安全运行提供更可靠的保障。

参考文献：

[1]李昕泽.本安回路计算及在工程实际应用中的意义[J].化工设计通讯,2018,44(09):23-25+66.

[2]王世聪.本质安全仪表回路设计构成及验算[J].化工设计,2018,28(05):45-48+2.

[3]陆德民.《石油化工自动控制设计手册》北京: 化学工业出版社.

[4]朱东利.本安回路参数匹配验证[J].自动化仪表,2017,38(06):86-88.

[5]皮宇.仪表信号远距离传输的解决方案[J].石油化工自动化,2010,46(01):20-22+30.

[6]李胜利.本安防爆系统设计中安全栅的选用[J].石油化工自动化,2000(01):8-9.

[7]王珍.本质安全仪表回路设计方法探讨[J].石油化工自动化,2009,45(04):65-70.

[8]何林.浅谈本安仪表系统的设计[J].化工设计通讯,2008(03):42-46+64.

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收稿日期：2022-06-06

作者简介：李钦柯（1988—），男，研究生学历，硕士学位，中石化广州工程有限公司仪电室自控设计工程师，主要从事仪表自控设计工作。

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