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淺析如何改進石油化工中的差壓液（yè）位變送器設計
點擊次數：2435 發（fā）布（bù）時間：2021-02-09 07:42:34
摘要: 石油（yóu）化工裝置大多處於爆炸危險區域，本質安全防爆法是*廣泛應用（yòng）的防爆方法。本文介紹（shào）了本質安全回路係統的構成（chéng）以及本質安全認證的方法，結（jié）合工程實（shí）際，給出了工程設計中常用的參量認證方法的計算過程，並通過應用實例介（jiè）紹了參量認證方法的應用;推導出本質安全回路中電纜的允許*大長度計算公式，並給出了不能滿足本質安全要求係統的改進措施。在工程設計中具有較高的參考價值。
1 引言
在石油化工裝置中，可能出（chū）現潛在的可燃有毒氣體，存在爆炸危險環境，在（zài）工程項目中的現場儀表設備必（bì）須具有相應的防爆措（cuò）施。近年來，隨（suí）著工業現場自動化程度的不斷提高，普遍適用（yòng）於石化行業爆炸危險（xiǎn）區域的本安型電氣被（bèi）廣泛應用。本安（ān）防爆技術主要用於限製（zhì）現場儀表的能量（liàng），在儀表回路正常或故障情況下，磁性液（yè）位計能可靠地將回路中的能量限製在一個允（yǔn）許的範圍（wéi）內，以保證電氣設備（bèi）在發生（shēng）短（duǎn）路、故障等情況下，不會引起周圍（wéi）爆炸危險形體氣體發生爆炸爆（bào）炸。
在國內（nèi）很多石油化工設計院在選用本安（ān）防爆方案時，大多僅僅是選用了本安型的儀表，未對本安電纜和安全柵進行計算驗證，然而由於電（diàn）纜（lǎn）分布電感與分布電容的存在，可能會產生（shēng）能引起火花的能量，如（rú）果沒有經過嚴格的磁性液位計認證的計算，將有回路存（cún）在安全隱（yǐn）患，為（wéi）了保證本安係統在爆炸危險環境中（zhōng）可靠的應（yīng）用，本文介（jiè）紹主要介（jiè）紹本安係統的組成、磁性液位計的計算方法及電（diàn）纜允許*大（dà）長度的計算公（gōng）式，以及在係統不能滿足本質安全要求情況下可（kě）以（yǐ）采取的（de）措施。
2 本質安全回（huí）路係統的組成
本質安（ān）全回路係統由現場（chǎng）本安設備( 如差壓液位變送器) 、本安電纜和關聯設備( 如安全柵) 三部分組成，磁性液位計的組成如圖1 所示（shì）。
2．1 現場本安（ān）設備（bèi）
現場本安設備主要分為簡（jiǎn）單設備和本質安全型設備。
2．1．1 簡單設備
按照（zhào）規範（fàn）IEC60079－14規定，簡單設（shè）備（bèi）是指電氣參數符合電路本質安（ān）全性能要求的元件或結構簡單元（yuán）件的組合。例如（rú）開關器（qì）件、接線箱（xiāng）等，都是簡單設備; 對於（yú）熱電偶、熱電阻等能產生能量的有源器件，也可視為簡單設（shè）備。簡單設備無需防爆認證，可以自由地配置在磁（cí）性液位計中。
2．1．2 本質安（ān）全型設備
本質安全型設備具有儲（chǔ）能元件（jiàn），是經過權威的防爆認證，內部所有電路都是本質安全（quán）電路（lù）的設備，例如閥門定位器、差壓液位變送器等。
2．2 本安電纜
本安電（diàn）纜為現場（chǎng）本安儀表設備和（hé）機櫃（guì）室安全柵之間的連接電纜。本安電纜存在一定數量（liàng）的分布電容和分布電感，其參數超（chāo）過*大允許值時，回路會儲存過（guò）多的能（néng）量，從而產生安（ān）全隱患，需要綜合考慮電纜的分布（bù）參數（shù）和限製電纜的長度（dù）。
2．3 關聯設備
安全柵是（shì）本質（zhì）安全回路（lù）中*廣（guǎng）泛應用的關聯設備，其作用（yòng）是限製輸出至現場儀（yí）表的電流和電壓（yā），以確保本質安全電路（lù）的安全性能。隔離式安全柵無需係統接地回路，且能接受熱電偶、熱電阻及頻率等信（xìn）號，因此在工（gōng）程中得到廣泛應用。
3 磁性液（yè）位計的認證及電纜*大（dà）允許長度的計算
3．1 磁性液位計的認證
根據以（yǐ）往的項目經（jīng）驗，如果（guǒ）不進行（háng）本安計算，即使在回路中每個設備都（dōu）選擇（zé）了本安設備，組合的回（huí）路仍有 30 % 不能滿（mǎn）足本安要求。為降低風險，工程設計中，均需對磁性液（yè）位（wèi）計中的相關儀表和安全柵進行本安認證（zhèng），選擇安全參數相匹（pǐ）配的儀表設備。本文以工程中常（cháng）用的參量認可方法為例介紹磁性（xìng）液位計的認證方法。
用參量認可方法計算磁性液位計時，回路（lù）中（zhōng）本（běn）安儀表、本（běn）安電纜和關聯設備的安全參數需要匹配，其安全參數要滿足以下五（wǔ）個不等式:
Uo≤Ui (1)
Io≤Ii (2)
Po≤Pi (3)
Co≥Ci + Cc (4)
Lo≥Li + Lc (5)
式中: Uo---關聯設備的開路電壓，即在故障狀態下，其（qí）傳輸至爆炸危險區域的*大電壓;
Io---關聯設備的短路電流，即在（zài）故障狀態下，其（qí）傳輸至爆炸危險區域的*大電流;
Co---關聯（lián）設備允許外（wài）接的*大電容（róng）;
Lo---關（guān）聯設備允（yǔn）許外接的*大電感;
Ui---在故障條件下，本安設備*大可接受的電壓;
Ii---在故障條件下，本安設備*大可接受的電流;
Ci---本安設備的（de）內部電容;
Li---本安設備的內部電感;
Lc---本安電纜（lǎn）的分布電感;
Cc---本安電纜的分布電容。
本安設備、本（běn）安電纜以及安全柵單位長度的安全參數通常可從相關產品手冊中獲取，下麵以普通壓力（lì）檢測（cè）單回路（lù）為例說明磁性液位計的認證方（fāng）法，本安設（shè）備( 差壓（yā）液位（wèi）變送器) 選用羅斯蒙特 3051係列產品，關聯設備（bèi）( 安全（quán）柵) 選用 P + F 產品（pǐn），本（běn）安電纜選用（yòng）安徽新亞特電纜，其回路（lù）圖及安全參數示意圖如圖 2 所示。
通過計算可知，本回路（lù）的安全參數均滿足不等式（shì）(1) ～ (5) ，因此本回路能通過本（běn）安回路計算，可以直接用於防爆區。
4．2 本安回路電（diàn）纜*大允許長度的計算
在工程設計過程中，本安設備的安全參數和儀表的安全防爆等級有關，一般情況下儀表防爆等級是根據電氣專業爆炸（zhà）危險區域劃分圖（tú）確定，因此，本安設備的安全參數是確定的。關聯設備的安全參數是通（tōng）過產品測試（shì）出來的，型號確定後其安全參數也（yě）是確定的。因此本安（ān）回路的計算主要取決於（yú）電纜的參數，即電（diàn）纜的（de）長度，其計算公式如下:
式中: L1---按允許（xǔ）電感計算的（de）電纜*大允許長度（dù），單（dān）位 km;
L2---按允許電（diàn）容計算的電纜*大允許長度，單位 km;
β1---單位長度電纜的電感，單位 mH/km;
β1---單位長度電纜的電容（róng），單位 μF/km;
Lmax---回路電纜*大允許長度。
以（yǐ） 4．1 節普通單回路為（wéi）例，其電纜*大允許長度計算如下:
因此回路電纜必須小於 0．61km，才能滿足本質安全要求，否則回路有（yǒu）安全隱患。
5 不能滿足本質安（ān）全認證回路的改（gǎi）進措施
當回路安全（quán）參數不滿足式(1) ～ (5) 任一公式時，回路不能（néng）通過本質安全認證，不能直（zhí）接在爆（bào）炸危險區域使用，需要采取一定（dìng）的措施，使回路滿足本（běn）質安全認證。由式(1) ～ (5) 可知，可以從以下三方麵進行改進:
(1) 現場本質安全設備按電氣專（zhuān）業爆炸危險環境劃分圖（tú）準確的確定儀表設備的防爆等（děng）級，盡量不要提高防爆等級，例如IaIIBT4 的允許分布電容和電感是 IaIICT4 的 3 倍。
(2) 本安電纜，*先要考慮盡（jìn）量縮短電纜的長度，由於儀表位置是管道設計專業確定的，儀表專業要和管道設計專業充分溝通，協商能否將儀表（biǎo）布置在距離機櫃室近（jìn）的位置，同時在施工過程中遵循電纜路徑*短（duǎn）原則，*大程度減少電纜長度（dù）。其次可以從電纜本身入手，選用介（jiè）電常數低的絕（jué）緣材料，增（zēng）大電纜導體直徑，都（dōu）可以降低電纜的分布電容和分布電（diàn）感，本安電纜應選用銅芯絞線，其*小截（jié）麵積不得小於 0．5mm2。
(3) 選擇允許外接*大電容和*大電感較大（dà）的關聯設備。
6 結束語
隨著石油（yóu）化工自動化、智能化的發展以及人們對安全生產工作的重視（shì），本安（ān）防爆係（xì）統的設計以及本安計算將（jiāng）成為工程設計（jì）中不可（kě）缺（quē）少的工作。在石油、化工工程設計（jì）過程中，在本安防爆係統（tǒng）設計（jì）時（shí），*先要確定設計的（de）裝置（zhì）處於哪類防（fáng）爆場所（suǒ），有哪些危險氣體，要全麵考慮整（zhěng）個回路中（zhōng）的本安（ān）參數，從差壓液位變送器、本安（ān）電纜到安全柵，均（jun1）要核（hé）實計算其是否滿足磁性液位（wèi）計要求。本文介紹了儀表回路安全認證的（de）方法，及回路不能通過（guò）本質安全認證時的解決措施，在工程設計過程中具有較高的參（cān）考價值。
1 引言
在石油化工裝置中，可能出（chū）現潛在的可燃有毒氣體，存在爆炸危險環境，在（zài）工程項目中的現場儀表設備必（bì）須具有相應的防爆措（cuò）施。近年來，隨（suí）著工業現場自動化程度的不斷提高，普遍適用（yòng）於石化行業爆炸危險（xiǎn）區域的本安型電氣被（bèi）廣泛應用。本安（ān）防爆技術主要用於限製（zhì）現場儀表的能量（liàng），在儀表回路正常或故障情況下，磁性液（yè）位計能可靠地將回路中的能量限製在一個允（yǔn）許的範圍（wéi）內，以保證電氣設備（bèi）在發生（shēng）短（duǎn）路、故障等情況下，不會引起周圍（wéi）爆炸危險形體氣體發生爆炸爆（bào）炸。
在國內（nèi）很多石油化工設計院在選用本安（ān）防爆方案時，大多僅僅是選用了本安型的儀表，未對本安電纜和安全柵進行計算驗證，然而由於電（diàn）纜（lǎn）分布電感與分布電容的存在，可能會產生（shēng）能引起火花的能量，如（rú）果沒有經過嚴格的磁性液位計認證的計算，將有回路存（cún）在安全隱（yǐn）患，為（wéi）了保證本安係統在爆炸危險環境中（zhōng）可靠的應（yīng）用，本文介（jiè）紹主要介（jiè）紹本安係統的組成、磁性液位計的計算方法及電（diàn）纜允許*大（dà）長度的計算公（gōng）式，以及在係統不能滿足本質安全要求情況下可（kě）以（yǐ）采取的（de）措施。
2 本質安全回（huí）路係統的組成
本質安（ān）全回路係統由現場（chǎng）本安設備( 如差壓液位變送器) 、本安電纜和關聯設備( 如安全柵) 三部分組成，磁性液位計的組成如圖1 所示（shì）。
2．1 現場本安（ān）設備（bèi）
現場本安設備主要分為簡（jiǎn）單設備和本質安全型設備。
2．1．1 簡單設備
按照（zhào）規範（fàn）IEC60079－14規定，簡單設（shè）備（bèi）是指電氣參數符合電路本質安（ān）全性能要求的元件或結構簡單元（yuán）件的組合。例如（rú）開關器（qì）件、接線箱（xiāng）等，都是簡單設備; 對於（yú）熱電偶、熱電阻等能產生能量的有源器件，也可視為簡單設（shè）備。簡單設備無需防爆認證，可以自由地配置在磁（cí）性液位計中。
2．1．2 本質安（ān）全型設備
本質安全型設備具有儲（chǔ）能元件（jiàn），是經過權威的防爆認證，內部所有電路都是本質安全（quán）電路（lù）的設備，例如閥門定位器、差壓液位變送器等。
2．2 本安電纜
本安電（diàn）纜為現場（chǎng）本安儀表設備和（hé）機櫃（guì）室安全柵之間的連接電纜。本安電纜存在一定數量（liàng）的分布電容和分布電感，其參數超（chāo）過*大允許值時，回路會儲存過（guò）多的能（néng）量，從而產生安（ān）全隱患，需要綜合考慮電纜的分布（bù）參數（shù）和限製電纜的長度（dù）。
2．3 關聯設備
安全柵是（shì）本質（zhì）安全回路（lù）中*廣（guǎng）泛應用的關聯設備，其作用（yòng）是限製輸出至現場儀（yí）表的電流和電壓（yā），以確保本質安全電路（lù）的安全性能。隔離式安全柵無需係統接地回路，且能接受熱電偶、熱電阻及頻率等信（xìn）號，因此在工（gōng）程中得到廣泛應用。
3 磁性液（yè）位計的認證及電纜*大（dà）允許長度的計算
3．1 磁性液位計的認證
根據以（yǐ）往的項目經（jīng）驗，如果（guǒ）不進行（háng）本安計算，即使在回路中每個設備都（dōu）選擇（zé）了本安設備，組合的回（huí）路仍有 30 % 不能滿（mǎn）足本安要求。為降低風險，工程設計中，均需對磁性液（yè）位（wèi）計中的相關儀表和安全柵進行本安認證（zhèng），選擇安全參數相匹（pǐ）配的儀表設備。本文以工程中常（cháng）用的參量認可方法為例介紹磁性（xìng）液位計的認證方法。
用參量認可方法計算磁性液位計時，回路（lù）中（zhōng）本（běn）安儀表、本（běn）安電纜和關聯設備的安全參數需要匹配，其安全參數要滿足以下五（wǔ）個不等式:
Uo≤Ui (1)
Io≤Ii (2)
Po≤Pi (3)
Co≥Ci + Cc (4)
Lo≥Li + Lc (5)
式中: Uo---關聯設備的開路電壓，即在故障狀態下，其（qí）傳輸至爆炸危險區域的*大電壓;
Io---關聯設備的短路電流，即在（zài）故障狀態下，其（qí）傳輸至爆炸危險區域的*大電流;
Co---關聯（lián）設備允許外（wài）接的*大電容（róng）;
Lo---關（guān）聯設備允（yǔn）許外接的*大電感;
Ui---在故障條件下，本安設備*大可接受的電壓;
Ii---在故障條件下，本安設備*大可接受的電流;
Ci---本安設備的（de）內部電容;
Li---本安設備的內部電感;
Lc---本安電纜（lǎn）的分布電感;
Cc---本安電纜的分布電容。
本安設備、本（běn）安電纜以及安全柵單位長度的安全參數通常可從相關產品手冊中獲取，下麵以普通壓力（lì）檢測（cè）單回路（lù）為例說明磁性液位計的認證方（fāng）法，本安設（shè）備( 差壓（yā）液位（wèi）變送器) 選用羅斯蒙特 3051係列產品，關聯設備（bèi）( 安全（quán）柵) 選用 P + F 產品（pǐn），本（běn）安電纜選用（yòng）安徽新亞特電纜，其回路（lù）圖及安全參數示意圖如圖 2 所示。
通過計算可知，本回路（lù）的安全參數均滿足不等式（shì）(1) ～ (5) ，因此本回路能通過本（běn）安回路計算，可以直接用於防爆區。
4．2 本安回路電（diàn）纜*大允許長度的計算
在工程設計過程中，本安設備的安全參數和儀表的安全防爆等級有關，一般情況下儀表防爆等級是根據電氣專業爆炸（zhà）危險區域劃分圖（tú）確定，因此，本安設備的安全參數是確定的。關聯設備的安全參數是通（tōng）過產品測試（shì）出來的，型號確定後其安全參數也（yě）是確定的。因此本安（ān）回路的計算主要取決於（yú）電纜的參數，即電（diàn）纜的（de）長度，其計算公式如下:
式中: L1---按允許（xǔ）電感計算的（de）電纜*大允許長度（dù），單（dān）位 km;
L2---按允許電（diàn）容計算的電纜*大允許長度，單位 km;
β1---單位長度電纜的電感，單位 mH/km;
β1---單位長度電纜的電容（róng），單位 μF/km;
Lmax---回路電纜*大允許長度。
以（yǐ） 4．1 節普通單回路為（wéi）例，其電纜*大允許長度計算如下:
因此回路電纜必須小於 0．61km，才能滿足本質安全要求，否則回路有（yǒu）安全隱患。
5 不能滿足本質安（ān）全認證回路的改（gǎi）進措施
當回路安全（quán）參數不滿足式(1) ～ (5) 任一公式時，回路不能（néng）通過本質安全認證，不能直（zhí）接在爆（bào）炸危險區域使用，需要采取一定（dìng）的措施，使回路滿足本（běn）質安全認證。由式(1) ～ (5) 可知，可以從以下三方麵進行改進:
(1) 現場本質安全設備按電氣專（zhuān）業爆炸危險環境劃分圖（tú）準確的確定儀表設備的防爆等（děng）級，盡量不要提高防爆等級，例如IaIIBT4 的允許分布電容和電感是 IaIICT4 的 3 倍。
(2) 本安電纜，*先要考慮盡（jìn）量縮短電纜的長度，由於儀表位置是管道設計專業確定的，儀表專業要和管道設計專業充分溝通，協商能否將儀表（biǎo）布置在距離機櫃室近（jìn）的位置，同時在施工過程中遵循電纜路徑*短（duǎn）原則，*大程度減少電纜長度（dù）。其次可以從電纜本身入手，選用介（jiè）電常數低的絕（jué）緣材料，增（zēng）大電纜導體直徑，都（dōu）可以降低電纜的分布電容和分布電（diàn）感，本安電纜應選用銅芯絞線，其*小截（jié）麵積不得小於 0．5mm2。
(3) 選擇允許外接*大電容和*大電感較大（dà）的關聯設備。
6 結束語
隨著石油（yóu）化工自動化、智能化的發展以及人們對安全生產工作的重視（shì），本安（ān）防爆係（xì）統的設計以及本安計算將（jiāng）成為工程設計（jì）中不可（kě）缺（quē）少的工作。在石油、化工工程設計（jì）過程中，在本安防爆係統（tǒng）設計（jì）時（shí），*先要確定設計的（de）裝置（zhì）處於哪類防（fáng）爆場所（suǒ），有哪些危險氣體，要全麵考慮整（zhěng）個回路中（zhōng）的本安（ān）參數，從差壓液位變送器、本安（ān）電纜到安全柵，均（jun1）要核（hé）實計算其是否滿足磁性液位（wèi）計要求。本文介紹了儀表回路安全認證的（de）方法，及回路不能通過（guò）本質安全認證時的解決措施，在工程設計過程中具有較高的參（cān）考價值。