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怎樣進行工控儀表本安回路計算?

日期:2019-11-03 15:37
在石油、石化等過程行業中,可能出現潛在的爆炸性環境,在實踐中必須對係統中的現場相關設備采取相應的防爆措施。自控儀表設備采用的防爆技術主要有:本安(Ex i)、隔爆(Ex d)、增安(Ex e)、正壓(Ex p)、澆封(Ex m)等各類型。在眾多的防爆技術中,本安防爆技術作為一種以抑製點火源能量為防爆手段的安全技術,以其結構簡單、體積小、質量輕,可帶電維護、標定和更換零件等優點,目前在各個行業的工程項目中已得到了廣泛應用。
 
在某化工項目中業主提出:根據以往的項目經驗,如果沒有對本安回路進行嚴格的計算,在生產過程中仍然會有30%左右的回路存在安全隱患。即使目前國內對本安計算無特殊要求,業主仍要求在項目設計過程中對每條本安回路進行嚴格的本安回路計算,本安回路計算的依據是國際電工委員會IEC 60079-14:2007的相關規定。
本安回路計算。
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本安回路設計基本要求:通過控製電路的電參數(如減小電感和電容等儲能元件參數),或降低電路電流和電壓,使電路達到本安防爆要求;電路中元器件要有足夠的功率,連接導線應具有足夠截麵,以使電路在各種故障條件下可能產生的高電壓和大電流不會破壞元件性能,通過元件的可靠性來保證電路的可靠性。這就要求對本安回路中相應的電氣元件參數進行計算,即本安回路計算,以達到相關安全規範的要求,使安全生產更有保證。
 
1、本安防爆技術簡介
本安防爆技術的基本原理是以限製能量的原則達到防爆的目的,本安技術在回路正常或異常情況下,可靠地將電路中的能量限製在一個允許的範圍內,以保證電氣設備發生短路、元器件損壞等情況下,不至於引起其周圍可能存在的危險氣體的爆炸。
①現場本安設備
◆簡單設備
按照規範 IEC60079-14[ 3.5.2]規定,無源元器件,例如開關、接線箱、電阻以及簡單半導體元器件可視為簡單設備;對於儲能有源元器件例如電容、電感,當其設計參數能保證係統的全麵安全時可被視為簡單設備;對於產生能量的有源元器件,例如熱電偶、光電池,當其產生的能量電壓不超過1.5V,電流不超過100mA,且功率不超過25mW的電氣設備,這樣的電氣設備可視為簡單設備。它們無需防爆認證,可以自由地配置在本安回路中。
◆本安設備
具有儲能元件,需要防爆認證的本安電氣設備,如變送器、接近開關等。
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②本安電纜
儀表與控製室之間的連接電纜存在一定數量的分布電容和分布電感,特別是距離較遠或儀表的設計參數接近本質安全所容許的最大值情況下,就需要考慮分布參數和限製配線長度。這是因為分布電感和分布電容都是儲能的,在電纜發生故障時,這些儲能就會以電火花或熱效應的形式釋放出來,不同程度上有增加點燃的危險性,影響係統的本安性能。
電纜最大允許分布電容:Cc=Ck×L
電纜最大允許分布電感:Lc=Lk×L
式中Ck為電纜單位長度分布電容;Lk為電纜單位長度分布電感;L為實際配線長度。
 
③關聯設備(安全柵)
安全柵是本質安全防爆儀表係統中最常用的 關聯設備, 它連接在本安電路與非本安電路之間, 其作用是限製電流和電壓, 不使危險能量竄入到本安電路中去,以確保本質安全電路的安全性能。安全柵主要有齊納式安全柵和隔離式安全柵兩大類,目前齊納式安全柵逐步被隔離式安全柵替代。
 
2、本質安全型防爆儀表係統的認證方法
目前,國際上各檢驗機構對本質安全型防爆儀表係統的檢驗認證方法有3種:係統認可、參量認可和FISCO(fieldbus intrinsically safe concept)認可。
①係統認可
係統認可也稱“ 聯合取證”,是指把被檢驗的指定本安儀表和被檢驗的指定關聯設備相組合所構成的係統進行認可。一經認可後,係統中任一設備不能用未經檢驗機構按這種組合方式檢驗認可過的任何其他型號、規格的本安設備(儀表)或關聯設備代用。
目前中國檢驗機構認可的方法主要是係統認可,但是這種認證方法在本安儀表和安全柵種類較多的情況下,認證程序較為繁瑣,已經不太適用於現在的工業設計。
 
②參量認可
在國外的項目中較多使用的是參量認證。參量認可是指對單台設備(本安儀表或關聯設備)進行的檢驗認可,並給出一組相應的安全參數。通常,采用這種方法認可的本安設備可以與具有相兼容的安全參數的關聯設備連接使用。美國FM(工廠聯研會)把這種認可方法稱為“ 整體認可”, 把相應的安全參數稱為“ 整體參數”。這些參數包括以下內容:
◆本安設備的整體參數
Ui為在故障條件下,本安設備最大可接受的電壓;Ii為在故障條件下,本安設備最大可接受的電流;Ci為本安設備內部未被保護的電容;Li為本安設備內部未被保護的電感。
◆關聯設備的整體參數 :
Uo—為開路電壓,即在故障條件下,可能傳送到危險場所的最大電壓,Io—為短路電流,即在故障條件下,可能傳送到危險場所的最大電流;Co—關聯設備允許外接最大電容;Lo—為關聯設備允許外接最大電感。
采用參量認可,用戶在進行本安係統設計時,隻需比較關聯設備和本安設備的整體參數。當它們滿足下列關係式時,不必經檢驗機構認可,就可構成本安係統。
安全柵、本安儀表、電纜的安全參數匹配,要滿足表1中的5個不等式:
表1 簡單本安回路計算的5個不等式 。
③FISCO認可
FISCO即所謂的現場總線本質安全概念,該模型是由德國PTB(Physikalisch Technische Bundesanstalt)開發的,FISCO使得Profibus-PA以本質安全防爆方式安裝,應用在Ex區中成為可能。FISCO適用於EEx ia IIC和EEx ib IIC/IIB本安防爆方式。研究表明,掛接於Profibus-PA分段上的現場儀表數量隻受段耦合器電力特性的限製,每段可掛接的現場儀表數量達到了最大值,分段可以在FISCO的限製內擴充,但無須重新進行本安核算。不同生產廠家的現場儀表可以互換,無須再進行本安核算,但替換的儀表必須是經過FISCO認證的。尤其重要的一點是無須係統認證,隻需對一些主要參數的匹配進行驗證即可。
FISCO認證受以下條件的限製。
a)每段隻允許一個供電電源。
b)所有站必須符合FISCO模型並經驗證合格。
c)電纜長度不得超過1000m(防爆類型ia)/1900m(防爆類型ib)。
d)電纜參教必須滿足以下值:R′=15~150Ω/km,L′=0.4~1mH/km,C′=80~200nF/km 。
e)供電裝置和現場設備的所有組合必須確保, 在故障情況下, 任何現場設備可允許的輸入變量(Ui,Ii和Pi)必須超過相關供電裝置的最大可能和認可的輸出變量(Uo,Io,Po;在美國為:Vmax,I max,Pmax)。
 
3、本安回路計算
IEC 60079-14:2007中12.2.5:“除非個本安回路得到了認證以外,所有的本安回路都應依據該規範進行本安計算”。項目業主根據以往的經驗,如果不進行本安計算,即便是選擇了本安儀表,本安電纜和與之相匹配的安全柵,仍然會有30%的回路存在著安全隱患。為降低風險,項目中所采用的本安回路均需提供相關儀表和安全柵的本安認證證書以及本安回路計算書。
 
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