在石油、石化等過(guò)程行業(yè)中，可能出現(xiàn)潛在的爆炸性環(huán)境，在實(shí)踐中必須對(duì)系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)設(shè)備采取相應(yīng)的防爆措施。自控儀表設(shè)備采用的防爆技術(shù)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(shù)中，本安防爆技術(shù)作為一種以抑制點(diǎn)火源能量為防爆手段的安全技術(shù)，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕，可帶電維護(hù)、標(biāo)定和更換零件等優(yōu)點(diǎn)，目前在各個(gè)行業(yè)的工程項(xiàng)目中已得到了廣泛應(yīng)用。

在某化工項(xiàng)目中業(yè)主提出：根據(jù)以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，如果沒有對(duì)本安回路進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，在生產(chǎn)過(guò)程中仍然會(huì)有30%左右的回路存在安全隱患。即使目前國(guó)內(nèi)對(duì)本安計(jì)算無(wú)特殊要求，業(yè)主仍要求在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)每條本安回路進(jìn)行嚴(yán)格的本安回路計(jì)算，本安回路計(jì)算的依據(jù)是國(guó)際電工委員會(huì)IEC 60079-14:2007的相關(guān)規(guī)定。

本安回路設(shè)計(jì)基本要求：通過(guò)控制電路的電參數(shù)(如減小電感和電容等儲(chǔ)能元件參數(shù))，或降低電路電流和電壓，使電路達(dá)到本安防爆要求；電路中元器件要有足夠的功率，連接導(dǎo)線應(yīng)具有足夠截面，以使電路在各種故障條件下可能產(chǎn)生的高電壓和大電流不會(huì)破壞元件性能，通過(guò)元件的可靠性來(lái)保證電路的可靠性。這就要求對(duì)本安回路中相應(yīng)的電氣元件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即本安回路計(jì)算，以達(dá)到相關(guān)安全規(guī)范的要求，使安全生產(chǎn)更有保證。

1、本安防爆技術(shù)簡(jiǎn)介
本安防爆技術(shù)的基本原理是以限制能量的原則達(dá)到防爆的目的，本安技術(shù)在回路正常或異常情況下，可靠地將電路中的能量限制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，以保證電氣設(shè)備發(fā)生短路、元器件損壞等情況下，不至于引起其周圍可能存在的危險(xiǎn)氣體的爆炸。

本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)簡(jiǎn)稱本安回路系統(tǒng)，由三部分組成：現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備、本安電纜及關(guān)聯(lián)設(shè)備，如圖1所示。系統(tǒng)回路以安全柵為界分為本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路。從安全柵通過(guò)本安電纜連接到現(xiàn)場(chǎng)儀表所構(gòu)成的電路為本安電路；從安全柵到DCS以及到供電電源的電路為非本安回路。

 

圖1 典型本安回路示意

①現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備
◆簡(jiǎn)單設(shè)備
按照規(guī)范 IEC60079-14[ 3.5.2]規(guī)定，無(wú)源元器件，例如開關(guān)、接線箱、電阻以及簡(jiǎn)單半導(dǎo)體元器件可視為簡(jiǎn)單設(shè)備；對(duì)于儲(chǔ)能有源元器件例如電容、電感，當(dāng)其設(shè)計(jì)參數(shù)能保證系統(tǒng)的全面安全時(shí)可被視為簡(jiǎn)單設(shè)備；對(duì)于產(chǎn)生能量的有源元器件，例如熱電偶、光電池，當(dāng)其產(chǎn)生的能量電壓不超過(guò)1.5V，電流不超過(guò)100mA，且功率不超過(guò)25mW的電氣設(shè)備，這樣的電氣設(shè)備可視為簡(jiǎn)單設(shè)備。它們無(wú)需防爆認(rèn)證，可以自由地配置在本安回路中。

◆本安設(shè)備
具有儲(chǔ)能元件，需要防爆認(rèn)證的本安電氣設(shè)備，如變送器、接近開關(guān)等。

②本安電纜
儀表與控制室之間的連接電纜存在一定數(shù)量的分布電容和分布電感，特別是距離較遠(yuǎn)或儀表的設(shè)計(jì)參數(shù)接近本質(zhì)安全所容許的最大值情況下，就需要考慮分布參數(shù)和限制配線長(zhǎng)度。這是因?yàn)榉植茧姼泻头植茧娙荻际莾?chǔ)能的，在電纜發(fā)生故障時(shí)，這些儲(chǔ)能就會(huì)以電火花或熱效應(yīng)的形式釋放出來(lái)，不同程度上有增加點(diǎn)燃的危險(xiǎn)性，影響系統(tǒng)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(zhǎng)度分布電容；Lk為電纜單位長(zhǎng)度分布電感；L為實(shí)際配線長(zhǎng)度。

③關(guān)聯(lián)設(shè)備(安全柵)
安全柵是本質(zhì)安全防爆儀表系統(tǒng)中最常用的 關(guān)聯(lián)設(shè)備, 它連接在本安電路與非本安電路之間, 其作用是限制電流和電壓, 不使危險(xiǎn)能量竄入到本安電路中去，以確保本質(zhì)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，目前齊納式安全柵已逐步被隔離式安全柵替代。

2、本質(zhì)安全型防爆儀表系統(tǒng)的認(rèn)證方法
目前，國(guó)際上各檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)本質(zhì)安全型防爆儀表系統(tǒng)的檢驗(yàn)認(rèn)證方法有3種：系統(tǒng)認(rèn)可、參量認(rèn)可和FISCO(fieldbus intrinsically safe concept)認(rèn)可。

①系統(tǒng)認(rèn)可
系統(tǒng)認(rèn)可也稱“ 聯(lián)合取證”，是指把被檢驗(yàn)的指定本安儀表和被檢驗(yàn)的指定關(guān)聯(lián)設(shè)備相組合所構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)可。一經(jīng)認(rèn)可后，系統(tǒng)中任一設(shè)備不能用未經(jīng)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)按這種組合方式檢驗(yàn)認(rèn)可過(guò)的任何其他型號(hào)、規(guī)格的本安設(shè)備(儀表)或關(guān)聯(lián)設(shè)備代用。
目前中國(guó)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可的方法主要是系統(tǒng)認(rèn)可，但是這種認(rèn)證方法在本安儀表和安全柵種類較多的情況下，認(rèn)證程序較為繁瑣，已經(jīng)不太適用于現(xiàn)在的工業(yè)設(shè)計(jì)。

②參量認(rèn)可
在國(guó)外的項(xiàng)目中較多使用的是參量認(rèn)證。參量認(rèn)可是指對(duì)單臺(tái)設(shè)備(本安儀表或關(guān)聯(lián)設(shè)備)進(jìn)行的檢驗(yàn)認(rèn)可，并給出一組相應(yīng)的安全參數(shù)。通常，采用這種方法認(rèn)可的本安設(shè)備可以與具有相兼容的安全參數(shù)的關(guān)聯(lián)設(shè)備連接使用。美國(guó)FM(工廠聯(lián)研會(huì))把這種認(rèn)可方法稱為“ 整體認(rèn)可”， 把相應(yīng)的安全參數(shù)稱為“ 整體參數(shù)”。這些參數(shù)包括以下內(nèi)容：

◆本安設(shè)備的整體參數(shù)
Ui為在故障條件下，本安設(shè)備最大可接受的電壓；Ii為在故障條件下，本安設(shè)備最大可接受的電流；Ci為本安設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電容；Li為本安設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電感。

◆關(guān)聯(lián)設(shè)備的整體參數(shù) :
Uo—為開路電壓，即在故障條件下，可能傳送到危險(xiǎn)場(chǎng)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(xiǎn)場(chǎng)所的最大電流；Co—關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接最大電容；Lo—為關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接最大電感。
采用參量認(rèn)可，用戶在進(jìn)行本安系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只需比較關(guān)聯(lián)設(shè)備和本安設(shè)備的整體參數(shù)。當(dāng)它們滿足下列關(guān)系式時(shí)，不必經(jīng)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可，就可構(gòu)成本安系統(tǒng)。

安全柵、本安儀表、電纜的安全參數(shù)匹配，要滿足表1中的5個(gè)不等式：

表1 簡(jiǎn)單本安回路計(jì)算的5個(gè)不等式

注:∑Lc和∑Cc—為連接電纜分布電容和分布電感。

參量認(rèn)可是目前國(guó)外項(xiàng)目使用較廣泛的認(rèn)證方法，也已經(jīng)被中國(guó)國(guó)家級(jí)儀器儀表安全監(jiān)督站所認(rèn)可，表1的5個(gè)不等式是核算本安回路是否符合規(guī)范要求的關(guān)鍵。

③FISCO認(rèn)可
FISCO即所謂的現(xiàn)場(chǎng)總線本質(zhì)安全概念，該模型是由德國(guó)PTB(Physikalisch Technische Bundesanstalt)開發(fā)的，F(xiàn)ISCO使得Profibus-PA以本質(zhì)安全防爆方式安裝，應(yīng)用在Ex區(qū)中成為可能。FISCO適用于EEx ia IIC和EEx ib IIC/IIB本安防爆方式。研究表明，掛接于Profibus-PA分段上的現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)量只受段耦合器電力特性的限制，每段可掛接的現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)量達(dá)到了最大值，分段可以在FISCO的限制內(nèi)擴(kuò)充，但無(wú)須重新進(jìn)行本安核算。不同生產(chǎn)廠家的現(xiàn)場(chǎng)儀表可以互換，無(wú)須再進(jìn)行本安核算，但替換的儀表必須是經(jīng)過(guò)FISCO認(rèn)證的。尤其重要的一點(diǎn)是無(wú)須系統(tǒng)認(rèn)證，只需對(duì)一些主要參數(shù)的匹配進(jìn)行驗(yàn)證即可。

FISCO認(rèn)證受以下條件的限制。
a)每段只允許一個(gè)供電電源。
b)所有站必須符合FISCO模型并經(jīng)驗(yàn)證合格。
c)電纜長(zhǎng)度不得超過(guò)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(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的所有組合必須確保, 在故障情況下, 任何現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可允許的輸入變量(Ui，Ii和Pi)必須超過(guò)相關(guān)供電裝置的最大可能和認(rèn)可的輸出變量(Uo，Io，Po；在美國(guó)為：Vmax，I max，Pmax)。

3、本安回路計(jì)算
IEC 60079-14:2007中12.2.5：“除非個(gè)本安回路得到了認(rèn)證以外，所有的本安回路都應(yīng)依據(jù)該規(guī)范進(jìn)行本安計(jì)算”。項(xiàng)目業(yè)主根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，如果不進(jìn)行本安計(jì)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(huì)有30%的回路存在著安全隱患。為降低風(fēng)險(xiǎn)，項(xiàng)目中所采用的本安回路均需提供相關(guān)儀表和安全柵的本安認(rèn)證證書以及本安回路計(jì)算書。

①一臺(tái)關(guān)聯(lián)設(shè)備的本安回路計(jì)算
◆簡(jiǎn)單本安回路
簡(jiǎn)單本安回路如圖2所示。



圖2 簡(jiǎn)單本安回路

以回路LIA+S+100.01為例計(jì)算，見表2所列。

表2  回路LIA+S+100.01的參數(shù)



對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行核算, 滿足表 1 所列 5 個(gè)不等式的要求, 故該回路通過(guò)了本安計(jì)算, 可以應(yīng)用于防爆區(qū)。

◆混合本安回路
在設(shè)計(jì)中，差壓液位變送器LT100.01安裝在罐頂上，為了方便讀取數(shù)據(jù)，在地面上增加1臺(tái)就地指示儀表LI100.01，串聯(lián)在上一個(gè)回路里，如圖3所示。



圖3  混合回路LIA+S+100.01

IEC 60079-14:2007中12.2.5.2：“如果總分布電感和總分布電容同時(shí)大于1%Lo和1%Co，則計(jì)算時(shí)Lo和Co均應(yīng)除以2”。這種混合回路有以下幾種情況，如圖4所示。



圖4 混合回路本安回路計(jì)算邏輯(圖注：Li=Li1+Li2；Ci=Ci1+Ci2)

a)如果回路僅包括電纜的Lc和Cc，現(xiàn)場(chǎng)儀表的電感之和Li或電容之和Ci兩項(xiàng)均為0或其中一項(xiàng)為0 , 本安計(jì)算按表1中的5個(gè)不等式計(jì)算。 
b)如果Ci≤1Co或者Li≤1Lo，本安計(jì)算按表1中的5個(gè)不等式計(jì)算。
c)如果同時(shí)滿足Ci＞1Co和Li＞1Lo，將不再按照表1中的電感、電容不等式計(jì)算，此時(shí)安全柵的電感、電容參數(shù)除以2參與計(jì)算，見表3所列。

表3 混合本安回路計(jì)算的5個(gè)不等式

 
圖5 將混合本安回路拆分成簡(jiǎn)單本安回路

圖7 一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)2臺(tái)安全柵的本安回路

圖8 本安型主干和分支

FF現(xiàn)場(chǎng)總線也采用了FISCO模型，簡(jiǎn)單說(shuō)就是在傳統(tǒng)的本安儀表認(rèn)證的基礎(chǔ)上，增加一些適合現(xiàn)場(chǎng)總線需要的額外要求，這使得只要嚴(yán)格按照這些限制去設(shè)計(jì)每個(gè)網(wǎng)段，即便是增加或修改現(xiàn)場(chǎng)儀表，也不用進(jìn)行復(fù)雜安全性的計(jì)算。