醫藥工程自動化系統本質安全儀表回路計算

李宗耀

（成都市排水有限責任公司，四川成都610039）

0 引言

在藥廠生產過程中，可能會使用到易燃、易爆物質，從而使該區域成為爆炸危險區域，故必須對該區域采取相應的防爆措施。其中，自控儀表設備采取的防爆措施類型包括本質安全型、增安型、隔爆型、正壓型、澆封型等。對于自控儀表設備而言，本質安全型和隔爆型為其主要的防爆措施類型。與隔爆技術不同的是，本質安全防爆技術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，國外業主發現，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[1]。目前，本安儀表回路廣泛應用于石化裝置中，隨著我國企業安全管理意識的日益提高，國內與國際逐漸接軌，國內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見，使用本安防爆技術的醫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IEC 60079-14規定，其在國內對應的標準為GB/T 3836.15—2017《爆炸性環境第15部分：電氣裝置的設計、選型和安裝》。

1 本安儀表回路計算

1.1 本安防爆技術及本安儀表回路

本安防爆技術作為一種以低功率為原則的設計技術，其基本原理是通過抑制點火源能量達到防爆的目的。本安防爆技術的顯著特征是現場儀表及其連接電纜釋放出的熱能與電火花不能點燃環境中的爆炸性混合物[2]。

本安儀表防爆系統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）現場本安儀表：是指在故障及正常狀態下，所產生的熱能及電火花不能點燃規定的爆炸性氣體混合物的儀表設備。

（2）本安電纜：連接電纜存在一定數量的分布電容和分布電感，分布電容和分布電感是儲能的，當電纜發生故障時，將釋放能量，從而影響回路的本質安全性。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：能抑制由安全區非本安儀表回路傳遞到爆炸危險區本安儀表的能量，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[2]

目前，國際上各檢驗機構對本安防爆儀表系統的檢驗、認證方法包括系統認可（System Approvals）和參量認可（Parametric Approvals）。

系統認可也稱“聯合取證”，是指將接受檢驗的本安儀表與接受檢驗的關聯設備（安全柵、本安電纜）進行組合，對其構成的系統進行認可。一經認可，系統中的本安儀表或安全柵、本安電纜就不能被其他型號、規格的產品替代。除非經替換后新組成的系統已經通過系統認可。

參量認可又稱為“整體認可”，是指將系統中的本安儀表或關聯設備（安全柵、本安電纜）分別進行檢驗，并得出一組相應的本安參數。只要構成系統的本安儀表與關聯設備參數匹配，即意味著它們可以連接使用。

由于系統認可需對本安儀表、安全柵、本安電纜進行聯合認證，而上述設備型號眾多，故靈活性較差，因此，參量認可方法更加適用[3]。整體參數定義如表1所示。

采用參量認可方法驗證本安儀表回路，其本安儀表、電纜、安全柵的參數需滿足如下關系，如表2所示。

2 本安儀表回路設計及計算工程實例

2.1 本安儀表回路設計

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計與計算。該車間為甲類防爆區，依據《GB 50058爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》，其爆炸性危險區域確定為2區。合成車間內的反應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以4～20mA標準信號通過計算機軟電纜傳送至控制系統。變送器采用本質安全型，其防爆等級選用ExiaⅡC T4～T6。在控制系統側配置隔離安全柵，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#反應釜控制系統的本安儀表回路設計如表3所示。

表2 本安儀表回路參量認可的五個判別式

以本安儀表回路PIAS-1101和TIAS-1102為例，其結構分別如圖2、圖3所示。

2.2 本安儀表回路計算

構成上述本安儀表回路的現場儀表、安全柵及本安電纜的本安參數分別如表4、表5、表6所示。

將上述回路PIAS-1101和TISA-1102的參數分別代入表2中的5個判別式進行計算驗證，計算結果分別如表7、表8所示。

2.3 計算結果分析

表7、表8的計算結果表明：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，意味著其本安參數固定，且當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：

表3 1#反應釜控制系統的本安儀表回路設計

圖2 本安儀表回路PIAS-1101結構

圖3 本安儀表回路TIAS-1102結構

表4 現場儀表的本安參數

表5 安全柵的本安參數

表6 本安電纜的本安參數

表7 本安回路PIAS-1101的計算結果

表8 本安回路TIAS-1102的計算結果

以本安儀表回路PIAS-1101為例，經計算，Lmax=m in（922，7 650），應取最小值922，故電纜的最大長度為922m。當電纜長度超過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。

若現場本安儀表由分支電纜經接線箱匯成主電纜至控制系統時，應首先由分支電纜長度計算出分布參數（∑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，因此應選用“分屏+對絞+總屏”型計算機電纜。本安電纜的敷設應遵循設計規范，與強電線纜保持規定的距離，防止因產生感應電流而破壞電纜的本安性能[4]。

3 結語

本文結合工程實例，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域的爆炸性危險區域劃分等級。

（2）在本安儀表回路設計時，應盡量將回路設計成簡單、典型的本安回路，避免使用復雜回路。

（3）復雜回路結構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：一個安全柵串入兩個回路，或者兩個安全柵連接到一個回路。對于采用復雜結構的本安回路，需按規定進行火花實驗或者嚴格計算。而該計算的參數難以得到，計算方法比較復雜[1]。

（4）本文介紹的本安儀表回路計算方法不適用于由總線式儀表構成的本安回路。

（5）對于由熱電阻、熱電偶、開關等組成的本安回路，可不進行本安回路計算[5]。