醫(yī)藥工程自動化系統(tǒng)本質(zhì)安全儀表回路計算

摘

要：介紹了本安儀表回路及其計算方法，以某制藥廠合成藥車間為例，對其本安儀表回路進行設(shè)計與計算，同時對計算結(jié)果進行了分析，并簡要總結(jié)了本安儀表回路計算的注意事項。關(guān)鍵詞：本安儀表回路；本安計算；醫(yī)藥工程；自動化

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引言在藥廠生產(chǎn)過程中，可能會使用到易燃、易爆物質(zhì)，從而使該區(qū)域成為爆炸危險區(qū)域，故必須對該區(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型包括本質(zhì)安全型、增安型、隔爆型、正壓型、澆封型等。對于自控儀表設(shè)備而言，本質(zhì)安全型和隔爆型為其主要的防爆措施類型。與隔爆技術(shù)不同的是，本質(zhì)安全防爆技術(shù)是通過對點火源的能量進行抑制，從而達到防爆的目的。由于本質(zhì)安全儀表（以下簡稱為本安儀表）具有輕便、小巧、可在通電情況下更換與維護、適用范圍廣、可靠度高等特點，在各行業(yè)中得到了廣泛運用。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。國際工程項目通常要求進行本安儀表回路計算，國外業(yè)主發(fā)現(xiàn)，如未對本安儀表回路進行嚴格計算，則有30%左右的回路存有安全隱患。目前，本安儀表回路廣泛應(yīng)用于石化裝置中，隨著我國企業(yè)安全管理意識的日益提高，國內(nèi)與國際逐漸接軌，國內(nèi)石化工程項目也逐漸開始對本安儀表回路進行計算?？梢灶A(yù)見，使用本安防爆技術(shù)的醫(yī)藥工程項目也將逐漸開展本安儀表回路計算。本安儀表回路計算方法由國際電工委員會IEC60079-14規(guī)定，其在國內(nèi)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3836.15—2017《爆炸性環(huán)境

第15部分：電氣裝置的設(shè)計、選型和安裝》。

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本安儀表回路計算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)計技術(shù)，其基本原理是通過抑制點火源能量達到防爆的目的。本安防爆技術(shù)的顯著特征是現(xiàn)場儀表及其連接電纜釋放出的熱能與電火花不能點燃環(huán)境中的爆炸性混合物。本安儀表防爆系統(tǒng)簡稱為本安儀表回路，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能的，當(dāng)電纜發(fā)生故障時，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區(qū)本安儀表的能量，使其不超過爆炸性氣體混合物的最小點燃能量。1.2

本安儀表回路計算方法目前，國際上各檢驗機構(gòu)對本安防爆儀表系統(tǒng)的檢驗、認證方法包括系統(tǒng)認可（SystemApprovals）和參量認可（Parametric

Approvals）。系統(tǒng)認可也稱“聯(lián)合取證”，是指將接受檢驗的本安儀表與接受檢驗的關(guān)聯(lián)設(shè)備（安全柵、本安電纜）進行組合，對其構(gòu)成的系統(tǒng)進行認可。一經(jīng)認可，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、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)通過系統(tǒng)認可。參量認可又稱為“整體認可”，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）分別進行檢驗，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)認可需對本安儀表、安全柵、本安電纜進行聯(lián)合認證，而上述設(shè)備型號眾多，故靈活性較差，因此，參量認可方法更加適用。整體參數(shù)定義如表1所示。表1

整體參數(shù)定義

采用參量認可方法驗證本安儀表回路，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。表2

本安儀表回路參量認可的五個判別式

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本安儀表回路設(shè)計及計算工程實例2.1

本安儀表回路設(shè)計本文以上海某制藥廠合成藥車間為例，對其本安儀表回路進行設(shè)計與計算。該車間為甲類防爆區(qū)，依據(jù)《GB50058爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》，其爆炸性危險區(qū)域確定為2區(qū)。合成車間內(nèi)的反應(yīng)釜需安裝壓力變送器及溫度變送器，變送器將檢測到的工藝參數(shù)以4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號通過計算機軟電纜傳送至控制系統(tǒng)。變送器采用本質(zhì)安全型，其防爆等級選用ExiaⅡCT4～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算機軟電纜。1#反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的本安儀表回路設(shè)計如表3所示。表3

1#反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的本安儀表回路設(shè)計以本安儀表回路PIAS-1101和TIAS-1102為例，其結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示。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)2.2

本安儀表回路計算構(gòu)成上述本安儀表回路的現(xiàn)場儀表、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。表4

現(xiàn)場儀表的本安參數(shù)表5

安全柵的本安參數(shù)表6

本安電纜的本安參數(shù)將上述回路PIAS-1101和TISA-1102的參數(shù)分別代入表2中的5個判別式進行計算驗證，計算結(jié)果分別如表7、表8所示。表7

本安回路PIAS-1101的計算結(jié)果表8

本安回路TIAS-1102的計算結(jié)果2.3

計算結(jié)果分析表7、表8的計算結(jié)果表明：本安儀表回路PIAS-1101和TIAS-1102，每個回路的5個參量均匹配，本安儀表回路通過計算驗證。同時，由表6可知，電纜的分布電感（∑Lc）=每米分布電感（Lc）×電纜長度，電纜的分布電容（∑Cc）=每米分布電容（Cc）×電纜長度。當(dāng)本安儀表回路中的儀表、安全柵和電纜的型號確定時，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，本安儀表回路是否通過計算驗證，僅由本安電纜的長度決定。本安電纜的最大長度為：以本安儀表回路PIAS-1101為例，經(jīng)計算，Lmax=min（922，7650），應(yīng)取最小值922，故電纜的最大長度為922m。當(dāng)電纜長度超過922m時，本安儀表回路不能通過計算驗證。此時，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計算驗證為止。同時可以看出，電纜分布電容對回路本安性能的影響遠大于分布電感。若現(xiàn)場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，應(yīng)首先由分支電纜長度計算出分布參數(shù)（∑Cbc、∑Lbc）后，再確定主電纜的最大長度：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+對絞+總屏”型計算機電纜。本安電纜的敷設(shè)應(yīng)遵循設(shè)計規(guī)范，與強電線纜保持規(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。

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結(jié)語本文結(jié)合工程實例，對簡單的本安儀表回路進行了計算，并通過驗證，簡要總結(jié)出了以下注意事項：（1）所選用的本安儀表的防爆等級必須等于或高于本安儀表所在區(qū)域的爆炸性危險區(qū)域劃分等級。（2）在本安儀表回路設(shè)計時，應(yīng)盡量將回路設(shè)計成簡單、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及兩個以上的安全柵，或者兩個及兩個以上的本安回路連接起來。例如：一個