淺談化工裝置中儀表線路的工程設計

李國運，尚彥娜

（浙江省天正設計工程有限公司，杭州 310000）

在自動控制系統中，傳感器相當于人的眼睛，控制系統是大腦，執行機構是手，那么電纜就如同神經。通過電纜，使得系統中的各個部分得以連接，信息和能量得以輸送和傳遞。然而化工裝置的環境十分惡劣，往往存在腐蝕、高溫、潮濕、電磁干擾等影響，甚至是有爆炸和火災危險。為確保“神經系統”長期穩定的工作，應要求工程設計人員重視電纜的線路設計，采取一定的防護措施，增加其抗干擾能力，延長其使用壽命。

1 儀表電纜

1.1 儀表電纜的分類及結構

儀表電纜即是將傳感器輸出信號傳輸到其相應測量儀器的多芯電纜。由于儀表的種類繁多以及控制系統對信號的需求不同，導致儀表信號類型有所區別。不同的儀表信號傳輸需要選擇不同的儀表電纜，儀表電纜主要分為模擬量信號（4 mA～20mA）傳輸電纜、數字量信號傳輸電纜、熱電阻（RTD）信號傳輸電纜、熱電偶補償導線、24VDC供電電纜、220VAC供電電纜，以及本安回路信號電纜等。在化工裝置這種惡劣的環境中，儀表電纜需要具有一定的機械強度，并能抑制外界的電磁干擾產生的噪聲和干擾信號。儀表的基本結構如圖1。

圖1 電纜結構Fig.1 Cable structure

1.2 儀表電纜的選型

1）導體

傳輸電流和信號的介質。而銅具有優良的電氣特性，規范中明確要求儀表電纜應選用銅導體。

2）絕緣和護套

絕緣層可以保障電纜導體之間的絕緣，護套則是保護電纜不受環境溫度、濕度、腐蝕等影象。其材質的選擇與周圍環境條件（溫度、濕度），腐蝕程度，耐火阻燃要求等有關。在化工裝置中，絕緣和護套常用聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、交聯聚乙烯（XLPE）等材料[3]。不同材質的電纜長期允許工作溫度、最低允許敷設溫度不同，耐腐蝕狀況也不同，需要根據現場實際情況進行選擇。常用絕緣材料溫度等級見表1，常用護套材料溫度等級見表2。

表1 絕緣材料溫度等級Table 1 Insulation material temperature class

表2 護套材料溫度等級Table 2 Sheath material temperature class

3）屏蔽層

化工裝置環境復雜，儀表電纜傳輸弱點信號，容易受外界的強電磁干擾，產生畸變，而屏蔽層的目的是降低這種干擾。一般屏蔽層有總屏蔽和分屏蔽，總屏蔽是指對整個電纜的屏蔽，分屏蔽是指對線對的屏蔽。在化工裝置中，一般建議數字量信號、模擬量信號選用總屏蔽，熱電偶、熱電阻、脈沖信號等選用分屏蔽加總屏蔽的電纜。

4）電纜雙絞

電纜線對之間相互絞合，不僅可以增加電纜的彎曲性能，更可以減少電纜組間的電磁耦合，大幅提高對電磁干擾的抑制效果。絞扭的越緊，絞合節距越短，對電磁干擾的屏蔽效果越好。所以在化工裝置中，通常對儀表模擬信號的電纜采用雙絞線芯。而數字量信號并不容易收到干擾，考慮到成本因素可以選擇非雙絞電纜。但是一般工程設計中，由于施工和采購等因素，會盡量減少電纜的類型。這就需要設計人員全面考慮，最終由使用方進行確定。

5）鎧裝層

鎧裝層的作用就是增強電纜的機械強度，提高其抗拉、抗壓性能，同時可以提高抗電磁干擾性能，延長電纜的使用壽命。但增加鎧裝層，使得電纜更難彎曲，重量提高，費用增加，所以在化工裝置中，要根據實際情況來選擇是否使用鎧裝電纜。

6）儀表電纜截面積選擇

儀表電纜截面積的選擇不同于電力電纜，后者是根據導線上的允許壓降和絕緣材料的允許溫升來進行計算選擇的，而前者則是傳輸控制信號即弱點信號，并不需要考慮溫升和壓降。儀表電纜需要考慮施工對電纜的機械強度要求和控制回路對信號傳輸、線路阻抗匹配的要求。規范和手冊對電纜截面積給予了經驗數值參考。一般化工裝置屬于爆炸危險環境，多數為2區（在正常運行時不太可能出現爆炸性氣體混合物的環境）。在此區域內穿保護鋼管敷設的現場儀表到機柜室或現場接線箱的儀表信號電纜截面積一般為1.5㎡；現場接線箱到機柜室的多芯電纜最小截面可以選擇1.0㎡。儀表供電電纜，包括電磁閥控制電纜的電纜截面積選擇一般不小于2.5㎡；熱電阻的信號電纜一般為1.5㎡，由于要求外線路電阻一般為5Ω，需要根據敷設距離對熱電阻線路做電阻驗算，如果線路電阻過大，則需要加大截面積。

1.3 特殊類型的儀表電纜

1）本安電纜

化工裝置一般均為爆炸危險區，而儀表防爆形式主要有兩種：一種采用隔爆型儀表，即將儀表本體與爆炸環境隔離開，排除爆炸三要素（點燃源、易燃物、氧氣）中的一個或多個要素；另一種是采用本質安全防爆（簡稱本安）。這種防爆原理是采用低功率、低能量設計技術，即將儀表和與其相連接的電纜在正常工作和故障狀態下可能產生的電火花和熱效應控制在一個允許的范圍內，使其不至于引起周圍可燃氣體的燃燒和爆炸。工程設計時，這兩種防爆均可能涉及，對于本安回路設計則需要注意電纜作為回路中重要的組成部分。在傳輸能量的過程中，電纜中的電容和電感的儲能可能會以電火花或者熱能的形式釋放，產生爆炸的危險。這就要求儀表電纜在本安回路設計中采用專用的本安電纜，使其釋放的能量控制在允許范圍內。

2）阻燃電纜

化工裝置容易發生火災等危險。當火災等事故發生時，電纜本身要求被點燃后不能沿著電纜本身燃燒擴大火災，或者產生煙氣毒氣妨害人員撤離。這就要求電纜要具有阻燃的性能即電纜燃燒后能使火焰僅在一定的范圍內蔓延，撤去火焰能在一定時間內自行熄滅，同時對煙氣密度和煙氣毒性均有所要求。通常在化工裝置敷設的電纜均選擇阻燃型電纜。

3）耐火電纜

有些重要的儀表，如可燃有毒氣體檢測器；有些重要的場所，比如罐區等在火災等事故發生時，盡可能地延緩控制信號的中斷，保障安全系統發揮作用。儀表閥門等執行機構需要及時動作，切斷危險物料輸送或隔離危險源。這就要求電纜要具有耐火性能即電纜在火焰中燃燒一定時間內仍然能保持正常運行，同時也對煙氣密度和煙氣毒性有所要求。在一些比較重要的場合或者與消防相關的地方選擇耐火型電纜。

2 電纜接頭

2.1 防爆電纜密封接頭

化工裝置現場基本為爆炸危險環境，電纜在接頭處容易產生電火花，有爆炸危險。為了防止爆炸危險，需要電纜在進出儀表或接線箱使用防爆電纜密封接頭，俗稱格蘭頭。

2.2 撓性連接管

穿線管與現場儀表間常采用撓性連接管做過度保護，撓性管是具有耐燃、耐腐蝕、耐水的柔性管路。撓性管可以根據業主和設計習慣選擇是否安裝，規范中明確撓性管的安裝與否均可，并沒有強制要求，因為起防爆作用的是和儀表連接的防爆密封接頭，而非撓性管，撓性管僅是做防護作用。所以在腐蝕、暴曬等惡劣環境下，加裝撓性管以增加防護，其他情況可以不用，可以節省投資和施工采購工作量。

3 現場儀表接線箱

在化工裝置儀表布置時，有很多儀表布置比較集中，現場儀表接線箱的使用就比較方便。多個儀表的控制電纜接入一個接線箱，再從接線箱引出一根多芯電纜接至端子柜。這樣不僅可以節省投資和施工成本，也有利于日后的維護和升級改造。但是接線箱的布置需要注意，不同的儀表信號（如4mA～20mA模擬信號、接點信號、熱電偶信號、熱電阻信號、電磁閥、本安信號等）[1]，需要設置不同的接線箱。同時，如果是在爆炸危險區域，接線箱本身也要考慮防爆。

4 電纜的敷設方式

化工裝置根據實際地形，電纜數量、類型，總圖布置等因素，電纜的敷設方式并不相同。電纜敷設方式主要分為架空敷設和埋地敷設兩大類。架空敷設又可以采用電纜槽敷設和穿線管敷設兩種；埋地敷設則可以采用穿線管直埋敷設、鎧裝電纜直埋敷設、電纜溝敷設、排管敷設、電纜隧道敷設等。下面就化工裝置中常用的儀表電纜敷設方式進行簡單的介紹。

4.1 電纜槽敷設

電纜槽是敷設和保護電線電纜的槽型制成品，包括槽體、蓋板和各種組成件[2]。其材質一般為鍍鋅碳鋼、鋁合金、玻璃鋼或不銹鋼等，結構一般有槽式、托盤式、梯架式等。

4.2 穿線管敷設

現場儀表到接線箱或電纜槽的電纜，通常采用穿線管敷設方式。如此可以避免機械損傷，減少日照、腐蝕等環境對電纜壽命的影響，也可以降低電磁干擾。穿線管一般為鍍鋅鋼管或者是輕型硬聚氯乙烯管。

4.3 電纜溝敷設

電纜溝敷設，就是在自然地面開挖溝槽，電纜敷設在溝槽中，溝槽頂部蓋上水泥蓋板。為防止溝底積水浸泡電纜，還需要在溝壁上安裝支架，電纜敷設在電纜支架上，同時在電纜溝各段標高最低處設置集水坑。如果溝內不設置支架，電纜直接敷設在溝底，敷設完成后電纜溝需要填砂，這樣不僅可以減少積水，也可以防止可燃氣體在溝底積聚。

4.4 直埋敷設

直埋敷設就是將電纜直接敷設在直埋溝中，在溝底鋪設篩過的土或砂，然后放置電纜，再覆蓋上土或砂，沿全長加磚或水泥板遮蓋，最后用土填滿[1]。這樣的方式電纜一般選擇鎧裝電纜，或者用普通電纜穿管后直接敷設在直埋溝中，這樣防護性能和屏蔽性能更好，不過這樣會增加材料及施工費用。

4.5 敷設方式比較

通過設計、施工、成本、維護等綜合比較不同的敷設方式，架空敷設，即采用電纜槽，配合穿線管的方式優點比較明顯，也為現在多數的化工裝置所采用。

1）電纜直埋

雖然土建成本較低，但是由于現在自動化程度越來越高，儀表電纜也越來越多，動輒數百根電纜，敷設數百米。這樣不僅占地面積大，如果出現電纜故障，很難進行檢測和維修。后續進行升級改造，需要將地坪挖開，重新敷設。

2）電纜溝敷設

雖然對比電纜直埋有更加靈活，但是在化工裝置環境中存在易燃易爆氣體，有可能集聚而產生火災或爆炸隱患。同時土建成本和維護成本也很高，容易與地下管網交叉相撞。

3）電纜槽與穿線管相結合的架空敷設優點則比較明顯

①電纜架空敷設可以方便后期的升級改造，將新增電纜放入電纜槽備用位置。

②石化裝置中一般均設置有綜合管架，電纜槽可以與工藝管道共架敷設，節省空間[4]。

③電纜架空敷設，可以方便排水，提高散熱，防止鼠害。

④可以通過工程設計中的三維軟件，將電纜槽、管道、設備等進行建模，檢查是否碰撞，在設計階段進行優化，節省材料，減少返工。

5 儀表線路典型設計

通過以上對儀表線路組成的逐項闡述和分析，根據規范要求并按照化工裝置的實際情況，可以采用以下儀表線路設計方案。

5.1 配現場接線箱

儀表信號電纜一般選擇阻燃型銅芯雙絞分屏加總屏計算機軟電纜，采用軟電纜敷設是為了方便施工，防止電纜在外力下折斷。儀表接口處加裝防爆電纜密封接頭，電纜出防爆電纜密封接頭后穿撓性管再連接保護管進接線箱。接線箱放置在儀表比較集中的地方，這樣節省分支電纜和保護管。同時日后升級改造若要增加儀表，可以就近將分支電纜接入接線箱。多個儀表信號電纜在接線箱匯總后，接多芯電纜，接防爆電纜密封接頭，穿保護管，最后通過電纜槽進入控制室內儀表柜，如圖2。

圖2 穿線管保護進接線箱Fig.2 Threading pipe protection into the junction box

或者，儀表信號分支電纜選擇鎧裝型電纜。這種電纜的機械強度較高，同時更具有抗干擾能力。這種分支電纜可以不用穿保護管，直接敷設或進小電纜槽敷設至接線箱。接線箱放置在裝置電纜線路的進出口位置，這樣接線箱集中布置，現場比較美觀，施工比較方便，同時可以將小電纜槽敷設至接線箱處，方便接線如圖3。

圖3 小電纜槽保護進接線箱Fig.3 Small cable trough protection into the junction box

5.2 不配現場接線箱

如果儀表布置比較分散，數量比較少，沒有必要采用現場儀表接線箱，則可以直接將儀表電纜穿鍍鋅鋼管接至儀表電纜槽，最終沿電纜槽接入機柜室端子柜。這種方式適用于儀表數量較少或比較分散的情況，可以減少接線箱的投資和施工成本，也減少現場的一個潛在危險點。缺點是將來裝置進行升級改造，則需要將新增的儀表電纜重新敷設至機柜室，大大增加了施工周期和成本如圖4。

圖4 電纜槽保護直拉至控制室Fig.4 Cable duct protection pulled straight to the control room

5.3 儀表線路工程設計注意事項

1）保護管引入接線箱時，宜從底部進入，可以從側邊進入但不允許從頂部進入，防止進水。保護管管口低于儀表或接線箱，在接線箱進口處同樣需要安裝防爆密封接頭。

2）在鍍鋅鋼管與電纜槽的連接處，通常用鎖緊螺母進行固定和保護。

3）現場接線箱的配置要根據信號的種類區分，避免模擬量信號、開關量信號、電源之間共用接線箱；本安信號和非本安信號也要分開。

4）同樣地，為了避免信號干擾，不同類型的信號電纜，本安、非本安信號電纜要采用不同的電纜槽。如果必須共用電纜槽，則需要用接地的金屬隔板隔離。

6 結語

通過上述闡述和分析，可以看到化工裝置儀表線路的工程設計方案有多種選擇。最終的目的是降低化工裝置中腐蝕、爆炸環境、電磁干擾等不利影響，減少安全隱患，同時降低施工和采購成本，也盡可能為化工裝置未來的生產管理、升級改造提供方便。不同的現場環境、不同的業主管理理念甚至是其他專業的設計要求，都會對儀表線路設計造成影響。這就要求工程設計人員熟悉并了解規范，在此基礎上理解儀表線路設計的要點和注意事項，為工程的順利完成打下堅實的基礎。