医药工程自动化系统本质安全仪表回路计算

李宗耀

（成都市排水有限责任公司，四川成都610039）

0 引言

在药厂生产过程中，可能会使用到易燃、易爆物质，从而使该区域成为爆炸危险区域，故必须对该区域采取相应的防爆措施。其中，自控仪表设备采取的防爆措施类型包括本质安全型、增安型、隔爆型、正压型、浇封型等。对于自控仪表设备而言，本质安全型和隔爆型为其主要的防爆措施类型。与隔爆技术不同的是，本质安全防爆技术是通过对点火源的能量进行抑制，从而达到防爆的目的。由于本质安全仪表（以下简称为本安仪表）具有轻便、小巧、可在通电情况下更换与维护、适用范围广、可靠度高等特点，在各行业中得到了广泛运用。

本安仪表需要与安全栅、本安电缆配套使用，构成本安仪表回路。国际工程项目通常要求进行本安仪表回路计算，国外业主发现，如未对本安仪表回路进行严格计算，则有30%左右的回路存有安全隐患[1]。目前，本安仪表回路广泛应用于石化装置中，随着我国企业安全管理意识的日益提高，国内与国际逐渐接轨，国内石化工程项目也逐渐开始对本安仪表回路进行计算。可以预见，使用本安防爆技术的医药工程项目也将逐渐开展本安仪表回路计算。

本安仪表回路计算方法由国际电工委员会IEC 60079-14规定，其在国内对应的标准为GB/T 3836.15—2017《爆炸性环境第15部分：电气装置的设计、选型和安装》。

1 本安仪表回路计算

1.1 本安防爆技术及本安仪表回路

本安防爆技术作为一种以低功率为原则的设计技术，其基本原理是通过抑制点火源能量达到防爆的目的。本安防爆技术的显著特征是现场仪表及其连接电缆释放出的热能与电火花不能点燃环境中的爆炸性混合物[2]。

本安仪表防爆系统简称为本安仪表回路，由本安仪表、本安电缆和安全栅组成。典型的本安仪表回路如图1所示。

图1 典型的本安仪表回路

（1）现场本安仪表：是指在故障及正常状态下，所产生的热能及电火花不能点燃规定的爆炸性气体混合物的仪表设备。

（2）本安电缆：连接电缆存在一定数量的分布电容和分布电感，分布电容和分布电感是储能的，当电缆发生故障时，将释放能量，从而影响回路的本质安全性。相比于普通电缆，本安电缆的分布电感与分布电容更小。

（3）安全栅：能抑制由安全区非本安仪表回路传递到爆炸危险区本安仪表的能量，使其不超过爆炸性气体混合物的最小点燃能量。

1.2 本安仪表回路计算方法[2]

目前，国际上各检验机构对本安防爆仪表系统的检验、认证方法包括系统认可（System Approvals）和参量认可（Parametric Approvals）。

系统认可也称“联合取证”，是指将接受检验的本安仪表与接受检验的关联设备（安全栅、本安电缆）进行组合，对其构成的系统进行认可。一经认可，系统中的本安仪表或安全栅、本安电缆就不能被其他型号、规格的产品替代。除非经替换后新组成的系统已经通过系统认可。

参量认可又称为“整体认可”，是指将系统中的本安仪表或关联设备（安全栅、本安电缆）分别进行检验，并得出一组相应的本安参数。只要构成系统的本安仪表与关联设备参数匹配，即意味着它们可以连接使用。

由于系统认可需对本安仪表、安全栅、本安电缆进行联合认证，而上述设备型号众多，故灵活性较差，因此，参量认可方法更加适用[3]。整体参数定义如表1所示。

采用参量认可方法验证本安仪表回路，其本安仪表、电缆、安全栅的参数需满足如下关系，如表2所示。

2 本安仪表回路设计及计算工程实例

2.1 本安仪表回路设计

本文以上海某制药厂合成药车间为例，对其本安仪表回路进行设计与计算。该车间为甲类防爆区，依据《GB 50058爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》，其爆炸性危险区域确定为2区。合成车间内的反应釜需安装压力变送器及温度变送器，变送器将检测到的工艺参数以4～20mA标准信号通过计算机软电缆传送至控制系统。变送器采用本质安全型，其防爆等级选用ExiaⅡC T4～T6。在控制系统侧配置隔离安全栅，本安型变送器与安全栅之间的电缆选用本安型计算机软电缆。1#反应釜控制系统的本安仪表回路设计如表3所示。

表2 本安仪表回路参量认可的五个判别式

以本安仪表回路PIAS-1101和TIAS-1102为例，其结构分别如图2、图3所示。

2.2 本安仪表回路计算

构成上述本安仪表回路的现场仪表、安全栅及本安电缆的本安参数分别如表4、表5、表6所示。

将上述回路PIAS-1101和TISA-1102的参数分别代入表2中的5个判别式进行计算验证，计算结果分别如表7、表8所示。

2.3 计算结果分析

表7、表8的计算结果表明：本安仪表回路PIAS-1101和TIAS-1102，每个回路的5个参量均匹配，本安仪表回路通过计算验证。

同时，由表6可知，电缆的分布电感（∑Lc）=每米分布电感（Lc）×电缆长度，电缆的分布电容（∑Cc）=每米分布电容（Cc）×电缆长度。当本安仪表回路中的仪表、安全栅和电缆的型号确定时，意味着其本安参数固定，且当本安仪表与安全栅的电压、电流、功率匹配（Ui≥Uo、Ii≥Io、Pi≥Po）时，本安仪表回路是否通过计算验证，仅由本安电缆的长度决定。本安电缆的最大长度为：

表3 1#反应釜控制系统的本安仪表回路设计

图2 本安仪表回路PIAS-1101结构

图3 本安仪表回路TIAS-1102结构

表4 现场仪表的本安参数

表5 安全栅的本安参数

表6 本安电缆的本安参数

表7 本安回路PIAS-1101的计算结果

表8 本安回路TIAS-1102的计算结果

以本安仪表回路PIAS-1101为例，经计算，Lmax=m in（922，7 650），应取最小值922，故电缆的最大长度为922m。当电缆长度超过922m时，本安仪表回路不能通过计算验证。此时，必须采用更低分布参数的本安电缆，直到本安仪表回路通过计算验证为止。同时可以看出，电缆分布电容对回路本安性能的影响远大于分布电感。

若现场本安仪表由分支电缆经接线箱汇成主电缆至控制系统时，应首先由分支电缆长度计算出分布参数（∑Cbc、∑Lbc）后，再确定主电缆的最大长度：

因主电缆多芯线间的电容及电感易叠加，因此应选用“分屏+对绞+总屏”型计算机电缆。本安电缆的敷设应遵循设计规范，与强电线缆保持规定的距离，防止因产生感应电流而破坏电缆的本安性能[4]。

3 结语

本文结合工程实例，对简单的本安仪表回路进行了计算，并通过验证，简要总结出了以下注意事项：

（1）所选用的本安仪表的防爆等级必须等于或高于本安仪表所在区域的爆炸性危险区域划分等级。

（2）在本安仪表回路设计时，应尽量将回路设计成简单、典型的本安回路，避免使用复杂回路。

（3）复杂回路结构是指本安回路中包括两个及两个以上的安全栅，或者两个及两个以上的本安回路连接起来。例如：一个安全栅串入两个回路，或者两个安全栅连接到一个回路。对于采用复杂结构的本安回路，需按规定进行火花实验或者严格计算。而该计算的参数难以得到，计算方法比较复杂[1]。

（4）本文介绍的本安仪表回路计算方法不适用于由总线式仪表构成的本安回路。

（5）对于由热电阻、热电偶、开关等组成的本安回路，可不进行本安回路计算[5]。