正壓防爆技術(shù)在自控設(shè)備中的應(yīng)用

朱國英

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院，上海 200233)

0 引言

隨著IT技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更加廣泛。石化、煤礦、醫(yī)藥、海上鉆油平臺(tái)等高危產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也依賴自控系統(tǒng)的安全投入。

在石油化工等危險(xiǎn)場合的自控系統(tǒng)設(shè)備中，為更好地發(fā)揮整個(gè)控制系統(tǒng)的安全性、高效性和經(jīng)濟(jì)性，選擇適用的防爆型式非常重要。正壓防爆技術(shù)可適用于石化等危險(xiǎn)行業(yè)。在含有爆炸性氣體的環(huán)境下，自動(dòng)化控制應(yīng)用較多的是防爆控制盤(臺(tái)、柜)等大容積設(shè)備。

1 防爆技術(shù)原理

在爆炸性環(huán)境中，點(diǎn)火源、可燃物質(zhì)和助燃劑(空氣)是燃燒爆炸的三要素。當(dāng)這三個(gè)要素同時(shí)存在，且在爆炸性物質(zhì)與空氣的混合濃度處于爆炸極限范圍內(nèi)時(shí)，就不可避免地發(fā)生爆炸。

電氣設(shè)備的防爆技術(shù)措施是設(shè)法排除爆炸三要素中的一個(gè)或多個(gè)要素，使產(chǎn)生爆炸的三要素不同時(shí)存在，將危險(xiǎn)降到最小的可控程度。根據(jù)這個(gè)原理并參照國際化的防爆標(biāo)準(zhǔn)文本，我國的爆炸性氣體環(huán)境下的防爆型式已形成隔爆型d、增安型e、本質(zhì)安全型ia或ib、正壓型p、充油型o、充沙型q、無火花型n和澆封型m八大類，它們有各自的防爆特點(diǎn)和適用場合。

對(duì)于易燃物質(zhì)，首先將其所處危險(xiǎn)環(huán)境即爆炸性粉塵環(huán)境(I類環(huán)境)與爆炸性氣體環(huán)境(II類環(huán)境)區(qū)分開來。這兩類環(huán)境又分別分成三個(gè)區(qū)［1－2］，具體介紹如下。

①就爆炸性氣體環(huán)境來說，其危險(xiǎn)區(qū)域分成的三個(gè)區(qū)為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。在爆炸性氣體環(huán)境中，將易燃爆炸氣體的混合物的級(jí)別分為兩類:I類為煤礦井下甲烷，II類為工廠用氣體、蒸汽、薄霧(細(xì)分成IIA、IIB、IIC 三級(jí))。溫度組別分為 T1～T6六組［3］。依據(jù)易燃物質(zhì)的特性和各防爆型式的特點(diǎn)，以及防爆電氣設(shè)備的安全可行性、環(huán)境適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)合理性和可維護(hù)性的選型原則，工程人員選擇適用的防爆電氣設(shè)備，通過正確安裝、使用、維護(hù)來滿足危險(xiǎn)工況的生產(chǎn)需要。

②對(duì)于爆炸性粉塵環(huán)境而言，由于炸藥類粉塵爆炸威力很大，電氣設(shè)備必須具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度才不致被破壞。因此，該環(huán)境下選用的電氣設(shè)備以及設(shè)計(jì)需要符合GB 12476.1-2000粉塵防爆電氣設(shè)備國家標(biāo)準(zhǔn)。

2 正壓型防爆的設(shè)計(jì)

正壓型防爆是將危險(xiǎn)物質(zhì)與點(diǎn)火源隔開的一種防爆方法，適用于1區(qū)與2區(qū)的危險(xiǎn)場所，多用于內(nèi)部元件易維修的設(shè)備或大型電氣設(shè)備，或用于自燃點(diǎn)為T4、T5溫度組別對(duì)象且很難制成其他防爆結(jié)構(gòu)型式的電氣設(shè)備。

正壓型電氣設(shè)備的防爆原理是保證內(nèi)部保護(hù)氣體的壓力高于周圍，以免爆炸性混合物進(jìn)入外殼，或避免足量的保護(hù)氣體通過外殼使內(nèi)部爆炸性混合物的濃度降至爆炸下限以下［4］。外殼內(nèi)部的爆炸環(huán)境通過換氣變?yōu)椤鞍踩珔^(qū)域”并保持內(nèi)部正壓，這樣普通電氣設(shè)備就可安裝在外殼內(nèi)，待正壓建立并成為正壓防爆設(shè)備后實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備的各項(xiàng)預(yù)定功能。

2.1 正壓防爆的型式

設(shè)備內(nèi)的正壓分為三種不同形式，即在系統(tǒng)內(nèi)部具有稀釋氣流正壓(連續(xù)通風(fēng)型正壓)、泄漏補(bǔ)償正壓和靜態(tài)正壓，它們都以限制可燃性混合物進(jìn)入外殼內(nèi)部為目的。

這三種正壓形式都需要在設(shè)備啟動(dòng)前用保護(hù)氣體對(duì)外殼進(jìn)行沖洗，帶走設(shè)備內(nèi)部非正壓狀態(tài)時(shí)進(jìn)入外殼內(nèi)的可燃性氣體，防止在外殼內(nèi)形成可燃性混合物。同時(shí)，這三種形式必須具有監(jiān)測系統(tǒng)，并進(jìn)行定時(shí)換氣，以保證系統(tǒng)的可靠性。正壓腔體換氣時(shí)的保護(hù)氣體必須排放到安全場所，如果排放在危險(xiǎn)場所，必須放置阻擋火花或熾熱顆粒的阻火器。

連續(xù)通風(fēng)型正壓防爆對(duì)殼內(nèi)存有發(fā)熱元器件或大功率發(fā)熱部件比較合適，但它的耗氣量是同樣規(guī)格的補(bǔ)償式正壓防爆的幾十倍甚至百倍。

補(bǔ)償式正壓防爆在自控設(shè)備中應(yīng)用較為廣泛，在一般情況下，它的電氣設(shè)備內(nèi)部不能有影響安全的通風(fēng)死角。在正常運(yùn)行時(shí)，出風(fēng)口的風(fēng)壓或充氣氣壓不得低于一定的數(shù)值，否則將立刻發(fā)出報(bào)警或切斷電源。

目前，正壓保護(hù)的防爆型式細(xì)分為三種型式，即Px、Py 和 Pz［5］。依據(jù) Px、Py 和 Pz三種防爆型式及安全裝置等的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，可細(xì)化正壓型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.2 正壓防爆設(shè)備的構(gòu)成

正壓防爆設(shè)備由殼體和正壓保護(hù)系統(tǒng)兩部分組成。殼體分主副兩腔。主腔的密封結(jié)構(gòu)按技術(shù)要求須大于防護(hù)等級(jí)IP40，用于安裝非防爆儀表和器件等;副腔為非密封結(jié)構(gòu)，用于安裝正壓控制單元及監(jiān)測元件。主副腔在自控設(shè)備的防爆盤(臺(tái)、柜)中有著較為廣泛的應(yīng)用。

2.2.1 正壓型控制盤(柜、臺(tái))的形式

正壓型控制柜的形式有主副分體型、主副一體型和副箱側(cè)掛型三類，正壓型控制臺(tái)的形式有主副一體型和副箱側(cè)掛型兩類，其示意圖如圖1、圖2所示。

主副分體正壓型控制盤(柜)用于控制電氣元器件較多的場合;而主副一體正壓型控制盤(柜、臺(tái))可用于控制電氣元器件相對(duì)較少的場合，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊;副箱側(cè)掛型的正壓控制盤(柜、臺(tái))兼有主副分體式的特點(diǎn)且占有空間少，有利于用戶按現(xiàn)場情況選用。按三種防爆型式設(shè)計(jì)要求，可選“Px”或“Py”型應(yīng)用于爆炸性氣體混合物的1區(qū)危險(xiǎn)場所;對(duì)于爆炸性氣體混合物的2區(qū)危險(xiǎn)場所，可選用“Pz”型。主副分體正壓型控制盤(柜)與主副一體正壓型控制盤(柜、臺(tái))，其主副腔之間所有電氣信號(hào)必須依據(jù)電纜規(guī)格及數(shù)量，通過板上安裝的大小適宜的防護(hù)等級(jí)為IP65的防護(hù)電纜接頭接入。

2.2.2 正壓控制盤(柜、臺(tái))的密封處理

正壓主腔的密封技術(shù)是補(bǔ)償型正壓控制設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)之一。由于盤(柜、臺(tái))主腔內(nèi)部需用空氣或惰性氣體換氣并最終保持一定的壓力，對(duì)主腔殼體的防護(hù)要求≥IP55。這樣有利于正壓控制，同時(shí)，可以降低設(shè)備的運(yùn)行成本，兼顧設(shè)備放置戶外的防塵、防潮和防水要求。

基于上述要求，需解決正壓腔的密封可靠性問題，開啟是否符合安全設(shè)計(jì)要求，并考慮密封條在腐蝕性環(huán)境及惡劣氣候條件下的防腐、老化等問題，以提高防爆自控設(shè)備在危險(xiǎn)環(huán)境和惡劣氣侯條件下的使用性能。由于采用了M型硅橡膠密封條及發(fā)泡海綿二合一的密封方法，因此，在門的非鉸鏈側(cè)配上門鎖和專用鎖緊螺釘組，較好地解決了正壓殼體的密封問題。在正壓主腔失壓斷電后，打開門鎖和專用鎖緊的螺釘組的過程有利于泄壓，符合正壓防爆盤(臺(tái)、柜)的安全設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)正壓主腔內(nèi)安裝的發(fā)熱元器件需散熱時(shí)，可采用以壓縮空氣為能量制冷的專用屏柜制冷器。使用過程中，按腔體的容積選用需要的制冷量，通過排出熱空氣來解決元器件的散熱，并且須在標(biāo)牌上注明在斷電后等待的時(shí)間，以確保打開門時(shí)主腔內(nèi)發(fā)熱電氣部件溫度降至正壓柜允許最高表面溫度所需的時(shí)間。

對(duì)于要設(shè)置觀察窗口的主腔，須滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求并能承受標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的沖擊試驗(yàn)。如果盤面上有臨時(shí)需要操作的儀表或記錄儀，應(yīng)在盤面上增加該表計(jì)的防護(hù)窗，其防護(hù)等級(jí)不低于IP54。

2.2.3 正壓保護(hù)單元

正壓保護(hù)單元是實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備(主腔內(nèi))正壓的關(guān)鍵，它有電氣型控制和氣動(dòng)型控制兩大類。

電氣型控制應(yīng)在危險(xiǎn)場合下關(guān)、合，容易產(chǎn)生火花，須將電氣型正壓保護(hù)單元的電控部分做成隔爆型的防爆腔體，并按隔爆型的防爆標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)、制造和安裝。其電氣性能按所需控制要求設(shè)計(jì)。

氣動(dòng)型控制的正壓單元由延時(shí)計(jì)時(shí)器、過濾減壓閥、氣缸、精密減壓閥、換向閥、壓力表、放大器、節(jié)流閥和單氣控閥等氣動(dòng)元件以及防爆主令控制器組成。

通過氣動(dòng)控制回路的設(shè)計(jì)，使正壓控制系統(tǒng)具有以下功能:①在主腔內(nèi)自動(dòng)換氣結(jié)束后，當(dāng)殼內(nèi)壓力高于設(shè)計(jì)規(guī)定值50 Pa時(shí)，主腔殼內(nèi)部電氣設(shè)備自動(dòng)通電，直至殼內(nèi)氣壓＞200 Pa時(shí)停止供氣，壓力保持在(200±30)Pa，成為安全環(huán)境;② 當(dāng)殼內(nèi)壓力＜100 Pa時(shí)，正壓控制單元又啟動(dòng)供氣，使殼內(nèi)正壓保持在安全環(huán)境下;③當(dāng)殼內(nèi)壓力＜50 Pa時(shí)，因主電源與壓力控制器已互鎖聯(lián)動(dòng)，其自動(dòng)斷電，確保該工況防爆設(shè)備的使用安全。

由于2區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域約占整個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域的70%，并且鑒于“失壓斷電”的缺點(diǎn)，根據(jù)IEC正制定只適用2區(qū)危險(xiǎn)場所的簡易正壓防爆標(biāo)準(zhǔn)的要求，簡易正壓防爆盤(柜、臺(tái))在殼內(nèi)沒有安裝大功率器件的情況下，其正壓保護(hù)電氣件可與其他電氣設(shè)備分(合)安裝在一個(gè)腔體，從而實(shí)現(xiàn)低壓聲光報(bào)警而不必?cái)嚯姷暮喴渍龎罕Ｗo(hù)控制。

基于上述正壓型防爆設(shè)備的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，它在石化、天燃?xì)狻⑨t(yī)藥等危險(xiǎn)場合的自控設(shè)備中有著較為廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐證明，正壓型防爆技術(shù)非常適合滿足大容積的自控設(shè)備在危險(xiǎn)工況中對(duì)安全性生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)性方面的需求。

3 正壓技術(shù)和本安防爆

隨著IT的發(fā)展，危險(xiǎn)場合中的自控系統(tǒng)控制盤(臺(tái))不僅須選用正壓防爆，同時(shí)對(duì)操作鍵盤的選用和安裝都有嚴(yán)格的要求，實(shí)際應(yīng)用中有如下要求。

3.1 本安要求

在控制系統(tǒng)中，若操作鍵盤放在非正壓腔內(nèi)，為滿足現(xiàn)場工作需要，須選用本安防爆鍵盤。在石化企業(yè)中，正壓防爆操作臺(tái)采用了本安的防爆操作鍵盤，其型號(hào)為TA-9702，防爆等級(jí)為Ex iaⅡ CT6，關(guān)聯(lián)設(shè)備的型號(hào)為EI-9702，防爆等級(jí)為Ex iaⅡ C。選用本安設(shè)備必須按本安防爆技術(shù)的連接要求進(jìn)行［6］。

3.2 關(guān)聯(lián)設(shè)備的安裝

根據(jù)本安防爆技術(shù)要求，關(guān)聯(lián)設(shè)備須安裝在安全區(qū)域即正壓腔(主腔)內(nèi)方可使用。關(guān)聯(lián)設(shè)備只能用于連接檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可的本安防爆鍵盤。

3.3 本安防爆鍵盤的安裝

本安防爆鍵盤通過關(guān)聯(lián)設(shè)備與PC機(jī)連接方可投入使用，它們之間的電氣連接有嚴(yán)格要求。本安防爆鍵盤的連接如圖3所示。

圖3 本安防爆鍵盤連接示意圖Fig.3 Connection of intrinsically safe keyboard

3.4 關(guān)聯(lián)設(shè)備的接地

關(guān)聯(lián)設(shè)備必須結(jié)合爆炸危險(xiǎn)場所的地電位平衡系統(tǒng)方可使用［7－8］。端子(綠色)提供用于與地電位平衡系統(tǒng)的導(dǎo)線連接，其導(dǎo)線截面積不得小于1.5 mm2。設(shè)備連接后必須確保不同的平衡系統(tǒng)間的平衡電流不互串。為防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，可采取以下兩種實(shí)施方法:①現(xiàn)場已建立地電位平衡系統(tǒng)的，可直接將關(guān)聯(lián)設(shè)備的接地點(diǎn)連接到外殼接地位置;②現(xiàn)場若沒有建立地電位平衡系統(tǒng)的，則應(yīng)將關(guān)聯(lián)設(shè)備的接地點(diǎn)連接到安全場所的地電位上。

應(yīng)注意的是，當(dāng)鍵盤和關(guān)聯(lián)設(shè)備損壞需要更換時(shí)，更換后的鍵盤和關(guān)聯(lián)設(shè)備必須與使用的型號(hào)、防爆標(biāo)志一致。

由于各防爆型式在適用性方面的差異，實(shí)際應(yīng)用中可采用不同的防爆型式組成復(fù)合防爆型式，此時(shí)需要根據(jù)其各自的技術(shù)規(guī)范要求做好接口的銜接，才能確保防爆控制設(shè)備的安全適用性。

當(dāng)然，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，產(chǎn)品的種類也在不斷地細(xì)化，目前已有防護(hù)等級(jí)IP65的金屬鍵盤。若選用該類型的鍵盤，并處理好與正壓主腔體的密封問題，使之成為正壓腔的一部分，則其適用性和經(jīng)濟(jì)性就會(huì)有很大的提高。

4 防爆產(chǎn)品取證

防爆產(chǎn)品取證是新的防爆產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)、制造、裝配、試驗(yàn)完成后的不可或缺的一個(gè)步驟。因此，設(shè)計(jì)人員必須事先明確做何產(chǎn)品、依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)、功能實(shí)現(xiàn)的方法，并設(shè)計(jì)完善圖紙和編制取證文本。這些環(huán)節(jié)都關(guān)系到防爆產(chǎn)品能否順利取得具有認(rèn)定資質(zhì)的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。

4.1 取證產(chǎn)品的資料整理

4.1.1 文本整理

文本主要用于介紹產(chǎn)品的引用標(biāo)準(zhǔn)、適用場合及產(chǎn)品的特性等。對(duì)防爆產(chǎn)品而言，防爆產(chǎn)品技術(shù)條件和防爆產(chǎn)品使用說明書應(yīng)比較全面地反映產(chǎn)品的性能，它們需要包含的內(nèi)容如下。

①防爆產(chǎn)品技術(shù)條件:它包括主題內(nèi)容與使用范圍、引用標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品型號(hào)、主要技術(shù)指標(biāo)、技術(shù)要求和防爆試驗(yàn)(包括出廠檢驗(yàn)、型式檢驗(yàn))等。

②防爆產(chǎn)品使用說明書:它包括產(chǎn)品的概述、適用標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品的防爆標(biāo)志、產(chǎn)品的防爆合格證號(hào)、產(chǎn)品的型號(hào)規(guī)格、主要技術(shù)指標(biāo)、主要功能、工作原理、操作步驟、故障排除以及注意事項(xiàng)等。

4.1.2 圖紙整理

圖紙反映了設(shè)計(jì)的思想，它是產(chǎn)品生產(chǎn)的依據(jù)。在整改過程中，需要規(guī)范地表述，理清防爆產(chǎn)品的明細(xì)表和圖樣目錄，這有助于保證防爆產(chǎn)品取證的順利進(jìn)行。

①明細(xì)表由序號(hào)、代號(hào)、名稱及規(guī)格、材料、數(shù)量、備注等組成。內(nèi)容首先包含防爆產(chǎn)品技術(shù)條件和防爆產(chǎn)品使用說明書，然后根據(jù)產(chǎn)品總裝配圖中編號(hào)的零部件、固定標(biāo)準(zhǔn)件、內(nèi)裝的電氣元器件、按防爆規(guī)范要求制作的標(biāo)志件、進(jìn)線、進(jìn)氣的連接件等，按要求的表格形式進(jìn)行詳細(xì)羅列。

②圖樣目錄包括總裝配圖、完整的結(jié)構(gòu)零部件圖、符合防爆電(氣)控制特性的原理圖、按防爆規(guī)范要求的產(chǎn)品銘牌圖、警告牌圖、防爆標(biāo)志圖、接地標(biāo)牌圖和生產(chǎn)單位銘牌圖等，并按圖樣目錄序列附上對(duì)應(yīng)圖紙，裝于明細(xì)表后。

4.2 產(chǎn)品和資料的送檢

產(chǎn)品和資料的送檢按步驟進(jìn)行，通過最終審核可取得具有認(rèn)證資格的防爆檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)頒發(fā)的防爆產(chǎn)品合格證書。

5 結(jié)束語

綜上所述，在危險(xiǎn)場所的自控設(shè)備中，正壓防爆技術(shù)有著較為廣泛的應(yīng)用。防爆產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)須依據(jù)防爆標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并根據(jù)市場的需求，不斷細(xì)化產(chǎn)品，以提高產(chǎn)品的性價(jià)比，從而更好地滿足危險(xiǎn)行業(yè)安全生產(chǎn)發(fā)展的需求。

［1］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB 3836.14－2000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第14部分:危險(xiǎn)場所分類［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005:461.

［2］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB 12476.1－2000粉塵防爆電氣設(shè)備［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［3］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB 3836.1－2000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第1部分:通用要求［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005:4－5.

［4］電氣防爆技術(shù)結(jié)構(gòu)與原理概述［DB/OL］.［2010－04－14］.http://www.examda.com/aq/jishu/html.

［5］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB 3836.5－2004爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第5部分:正壓型“P”［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005:3－4.

［6］徐建平.儀表本安防爆技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:57－63.

［7］劉建侯.儀表可靠性工程和環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:239－245.

［8］溫熙森，陳循，張春華，等.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)理論與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2007:4－6.