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淺析如何改進石油化工中的差壓液位變送器設計
點擊次數(shù)：3065 發(fā)布時間：2021-02-09 07:42:34
摘要: 石油化工裝置大多處于爆炸危險區(qū)域，本質安全防爆法是*廣泛應用的防爆方法。本文介紹了本質安全回路系統(tǒng)的構成以及本質安全認證的方法，結合工程實際，給出了工程設計中常用的參量認證方法的計算過程，并通過應用實例介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，并給出了不能滿足本質安全要求系統(tǒng)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，可能出現(xiàn)潛在的可燃有毒氣體，存在爆炸危險環(huán)境，在工程項目中的現(xiàn)場儀表設備必須具有相應的防爆措施。近年來，隨著工業(yè)現(xiàn)場自動化程度的不斷提高，普遍適用于石化行業(yè)爆炸危險區(qū)域的本安型電氣被廣泛應用。本安防爆技術主要用于限制現(xiàn)場儀表的能量，在儀表回路正常或故障情況下，磁性液位計能可靠地將回路中的能量限制在一個允許的范圍內，以保證電氣設備在發(fā)生短路、故障等情況下，不會引起周圍爆炸危險形體氣體發(fā)生爆炸爆炸。
在國內很多石油化工設計院在選用本安防爆方案時，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，然而由于電纜分布電感與分布電容的存在，可能會產(chǎn)生能引起火花的能量，如果沒有經(jīng)過嚴格的磁性液位計認證的計算，將有回路存在安全隱患，為了保證本安系統(tǒng)在爆炸危險環(huán)境中可靠的應用，本文介紹主要介紹本安系統(tǒng)的組成、磁性液位計的計算方法及電纜允許*大長度的計算公式，以及在系統(tǒng)不能滿足本質安全要求情況下可以采取的措施。
2 本質安全回路系統(tǒng)的組成
本質安全回路系統(tǒng)由現(xiàn)場本安設備( 如差壓液位變送器) 、本安電纜和關聯(lián)設備( 如安全柵) 三部分組成，磁性液位計的組成如圖1 所示。
2．1 現(xiàn)場本安設備
現(xiàn)場本安設備主要分為簡單設備和本質安全型設備。
2．1．1 簡單設備
按照規(guī)范IEC60079－14規(guī)定，簡單設備是指電氣參數(shù)符合電路本質安全性能要求的元件或結構簡單元件的組合。例如開關器件、接線箱等，都是簡單設備; 對于熱電偶、熱電阻等能產(chǎn)生能量的有源器件，也可視為簡單設備。簡單設備無需防爆認證，可以自由地配置在磁性液位計中。
2．1．2 本質安全型設備
本質安全型設備具有儲能元件，是經(jīng)過權威的防爆認證，內部所有電路都是本質安全電路的設備，例如閥門定位器、差壓液位變送器等。
2．2 本安電纜
本安電纜為現(xiàn)場本安儀表設備和機柜室安全柵之間的連接電纜。本安電纜存在一定數(shù)量的分布電容和分布電感，其參數(shù)超過*大允許值時，回路會儲存過多的能量，從而產(chǎn)生安全隱患，需要綜合考慮電纜的分布參數(shù)和限制電纜的長度。
2．3 關聯(lián)設備
安全柵是本質安全回路中*廣泛應用的關聯(lián)設備，其作用是限制輸出至現(xiàn)場儀表的電流和電壓，以確保本質安全電路的安全性能。隔離式安全柵無需系統(tǒng)接地回路，且能接受熱電偶、熱電阻及頻率等信號，因此在工程中得到廣泛應用。
3 磁性液位計的認證及電纜*大允許長度的計算
3．1 磁性液位計的認證
根據(jù)以往的項目經(jīng)驗，如果不進行本安計算，即使在回路中每個設備都選擇了本安設備，組合的回路仍有 30 % 不能滿足本安要求。為降低風險，工程設計中，均需對磁性液位計中的相關儀表和安全柵進行本安認證，選擇安全參數(shù)相匹配的儀表設備。本文以工程中常用的參量認可方法為例介紹磁性液位計的認證方法。
用參量認可方法計算磁性液位計時，回路中本安儀表、本安電纜和關聯(lián)設備的安全參數(shù)需要匹配，其安全參數(shù)要滿足以下五個不等式:
Uo≤Ui (1)
Io≤Ii (2)
Po≤Pi (3)
Co≥Ci + Cc (4)
Lo≥Li + Lc (5)
式中: Uo---關聯(lián)設備的開路電壓，即在故障狀態(tài)下，其傳輸至爆炸危險區(qū)域的*大電壓;
Io---關聯(lián)設備的短路電流，即在故障狀態(tài)下，其傳輸至爆炸危險區(qū)域的*大電流;
Co---關聯(lián)設備允許外接的*大電容;
Lo---關聯(lián)設備允許外接的*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---本安設備的內部電容;
Li---本安設備的內部電感;
Lc---本安電纜的分布電感;
Cc---本安電纜的分布電容。
本安設備、本安電纜以及安全柵單位長度的安全參數(shù)通常可從相關產(chǎn)品手冊中獲取，下面以普通壓力檢測單回路為例說明磁性液位計的認證方法，本安設備( 差壓液位變送器) 選用羅斯蒙特 3051系列產(chǎn)品，關聯(lián)設備( 安全柵) 選用 P + F 產(chǎn)品，本安電纜選用安徽新亞特電纜，其回路圖及安全參數(shù)示意圖如圖 2 所示。
通過計算可知，本回路的安全參數(shù)均滿足不等式(1) ～ (5) ，因此本回路能通過本安回路計算，可以直接用于防爆區(qū)。
4．2 本安回路電纜*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(shù)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(jù)電氣專業(yè)爆炸危險區(qū)域劃分圖確定，因此，本安設備的安全參數(shù)是確定的。關聯(lián)設備的安全參數(shù)是通過產(chǎn)品測試出來的，型號確定后其安全參數(shù)也是確定的。因此本安回路的計算主要取決于電纜的參數(shù)，即電纜的長度，其計算公式如下:
式中: L1---按允許電感計算的電纜*大允許長度，單位 km;
L2---按允許電容計算的電纜*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，單位 μF/km;
Lmax---回路電纜*大允許長度。
以 4．1 節(jié)普通單回路為例，其電纜*大允許長度計算如下:
因此回路電纜必須小于 0．61km，才能滿足本質安全要求，否則回路有安全隱患。
5 不能滿足本質安全認證回路的改進措施
當回路安全參數(shù)不滿足式(1) ～ (5) 任一公式時，回路不能通過本質安全認證，不能直接在爆炸危險區(qū)域使用，需要采取一定的措施，使回路滿足本質安全認證。由式(1) ～ (5) 可知，可以從以下三方面進行改進:
(1) 現(xiàn)場本質安全設備按電氣專業(yè)爆炸危險環(huán)境劃分圖準確的確定儀表設備的防爆等級，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，*先要考慮盡量縮短電纜的長度，由于儀表位置是管道設計專業(yè)確定的，儀表專業(yè)要和管道設計專業(yè)充分溝通，協(xié)商能否將儀表布置在距離機柜室近的位置，同時在施工過程中遵循電纜路徑*短原則，*大程度減少電纜長度。其次可以從電纜本身入手，選用介電常數(shù)低的絕緣材料，增大電纜導體直徑，都可以降低電纜的分布電容和分布電感，本安電纜應選用銅芯絞線，其*小截面積不得小于 0．5mm2。
(3) 選擇允許外接*大電容和*大電感較大的關聯(lián)設備。
6 結束語
隨著石油化工自動化、智能化的發(fā)展以及人們對安全生產(chǎn)工作的重視，本安防爆系統(tǒng)的設計以及本安計算將成為工程設計中不可缺少的工作。在石油、化工工程設計過程中，在本安防爆系統(tǒng)設計時，*先要確定設計的裝置處于哪類防爆場所，有哪些危險氣體，要全面考慮整個回路中的本安參數(shù)，從差壓液位變送器、本安電纜到安全柵，均要核實計算其是否滿足磁性液位計要求。本文介紹了儀表回路安全認證的方法，及回路不能通過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考價值。
1 引言
在石油化工裝置中，可能出現(xiàn)潛在的可燃有毒氣體，存在爆炸危險環(huán)境，在工程項目中的現(xiàn)場儀表設備必須具有相應的防爆措施。近年來，隨著工業(yè)現(xiàn)場自動化程度的不斷提高，普遍適用于石化行業(yè)爆炸危險區(qū)域的本安型電氣被廣泛應用。本安防爆技術主要用于限制現(xiàn)場儀表的能量，在儀表回路正常或故障情況下，磁性液位計能可靠地將回路中的能量限制在一個允許的范圍內，以保證電氣設備在發(fā)生短路、故障等情況下，不會引起周圍爆炸危險形體氣體發(fā)生爆炸爆炸。
在國內很多石油化工設計院在選用本安防爆方案時，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，然而由于電纜分布電感與分布電容的存在，可能會產(chǎn)生能引起火花的能量，如果沒有經(jīng)過嚴格的磁性液位計認證的計算，將有回路存在安全隱患，為了保證本安系統(tǒng)在爆炸危險環(huán)境中可靠的應用，本文介紹主要介紹本安系統(tǒng)的組成、磁性液位計的計算方法及電纜允許*大長度的計算公式，以及在系統(tǒng)不能滿足本質安全要求情況下可以采取的措施。
2 本質安全回路系統(tǒng)的組成
本質安全回路系統(tǒng)由現(xiàn)場本安設備( 如差壓液位變送器) 、本安電纜和關聯(lián)設備( 如安全柵) 三部分組成，磁性液位計的組成如圖1 所示。
2．1 現(xiàn)場本安設備
現(xiàn)場本安設備主要分為簡單設備和本質安全型設備。
2．1．1 簡單設備
按照規(guī)范IEC60079－14規(guī)定，簡單設備是指電氣參數(shù)符合電路本質安全性能要求的元件或結構簡單元件的組合。例如開關器件、接線箱等，都是簡單設備; 對于熱電偶、熱電阻等能產(chǎn)生能量的有源器件，也可視為簡單設備。簡單設備無需防爆認證，可以自由地配置在磁性液位計中。
2．1．2 本質安全型設備
本質安全型設備具有儲能元件，是經(jīng)過權威的防爆認證，內部所有電路都是本質安全電路的設備，例如閥門定位器、差壓液位變送器等。
2．2 本安電纜
本安電纜為現(xiàn)場本安儀表設備和機柜室安全柵之間的連接電纜。本安電纜存在一定數(shù)量的分布電容和分布電感，其參數(shù)超過*大允許值時，回路會儲存過多的能量，從而產(chǎn)生安全隱患，需要綜合考慮電纜的分布參數(shù)和限制電纜的長度。
2．3 關聯(lián)設備
安全柵是本質安全回路中*廣泛應用的關聯(lián)設備，其作用是限制輸出至現(xiàn)場儀表的電流和電壓，以確保本質安全電路的安全性能。隔離式安全柵無需系統(tǒng)接地回路，且能接受熱電偶、熱電阻及頻率等信號，因此在工程中得到廣泛應用。
3 磁性液位計的認證及電纜*大允許長度的計算
3．1 磁性液位計的認證
根據(jù)以往的項目經(jīng)驗，如果不進行本安計算，即使在回路中每個設備都選擇了本安設備，組合的回路仍有 30 % 不能滿足本安要求。為降低風險，工程設計中，均需對磁性液位計中的相關儀表和安全柵進行本安認證，選擇安全參數(shù)相匹配的儀表設備。本文以工程中常用的參量認可方法為例介紹磁性液位計的認證方法。
用參量認可方法計算磁性液位計時，回路中本安儀表、本安電纜和關聯(lián)設備的安全參數(shù)需要匹配，其安全參數(shù)要滿足以下五個不等式:
Uo≤Ui (1)
Io≤Ii (2)
Po≤Pi (3)
Co≥Ci + Cc (4)
Lo≥Li + Lc (5)
式中: Uo---關聯(lián)設備的開路電壓，即在故障狀態(tài)下，其傳輸至爆炸危險區(qū)域的*大電壓;
Io---關聯(lián)設備的短路電流，即在故障狀態(tài)下，其傳輸至爆炸危險區(qū)域的*大電流;
Co---關聯(lián)設備允許外接的*大電容;
Lo---關聯(lián)設備允許外接的*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---本安設備的內部電容;
Li---本安設備的內部電感;
Lc---本安電纜的分布電感;
Cc---本安電纜的分布電容。
本安設備、本安電纜以及安全柵單位長度的安全參數(shù)通常可從相關產(chǎn)品手冊中獲取，下面以普通壓力檢測單回路為例說明磁性液位計的認證方法，本安設備( 差壓液位變送器) 選用羅斯蒙特 3051系列產(chǎn)品，關聯(lián)設備( 安全柵) 選用 P + F 產(chǎn)品，本安電纜選用安徽新亞特電纜，其回路圖及安全參數(shù)示意圖如圖 2 所示。
通過計算可知，本回路的安全參數(shù)均滿足不等式(1) ～ (5) ，因此本回路能通過本安回路計算，可以直接用于防爆區(qū)。
4．2 本安回路電纜*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(shù)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(jù)電氣專業(yè)爆炸危險區(qū)域劃分圖確定，因此，本安設備的安全參數(shù)是確定的。關聯(lián)設備的安全參數(shù)是通過產(chǎn)品測試出來的，型號確定后其安全參數(shù)也是確定的。因此本安回路的計算主要取決于電纜的參數(shù)，即電纜的長度，其計算公式如下:
式中: L1---按允許電感計算的電纜*大允許長度，單位 km;
L2---按允許電容計算的電纜*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，單位 μF/km;
Lmax---回路電纜*大允許長度。
以 4．1 節(jié)普通單回路為例，其電纜*大允許長度計算如下:
因此回路電纜必須小于 0．61km，才能滿足本質安全要求，否則回路有安全隱患。
5 不能滿足本質安全認證回路的改進措施
當回路安全參數(shù)不滿足式(1) ～ (5) 任一公式時，回路不能通過本質安全認證，不能直接在爆炸危險區(qū)域使用，需要采取一定的措施，使回路滿足本質安全認證。由式(1) ～ (5) 可知，可以從以下三方面進行改進:
(1) 現(xiàn)場本質安全設備按電氣專業(yè)爆炸危險環(huán)境劃分圖準確的確定儀表設備的防爆等級，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，*先要考慮盡量縮短電纜的長度，由于儀表位置是管道設計專業(yè)確定的，儀表專業(yè)要和管道設計專業(yè)充分溝通，協(xié)商能否將儀表布置在距離機柜室近的位置，同時在施工過程中遵循電纜路徑*短原則，*大程度減少電纜長度。其次可以從電纜本身入手，選用介電常數(shù)低的絕緣材料，增大電纜導體直徑，都可以降低電纜的分布電容和分布電感，本安電纜應選用銅芯絞線，其*小截面積不得小于 0．5mm2。
(3) 選擇允許外接*大電容和*大電感較大的關聯(lián)設備。
6 結束語
隨著石油化工自動化、智能化的發(fā)展以及人們對安全生產(chǎn)工作的重視，本安防爆系統(tǒng)的設計以及本安計算將成為工程設計中不可缺少的工作。在石油、化工工程設計過程中，在本安防爆系統(tǒng)設計時，*先要確定設計的裝置處于哪類防爆場所，有哪些危險氣體，要全面考慮整個回路中的本安參數(shù)，從差壓液位變送器、本安電纜到安全柵，均要核實計算其是否滿足磁性液位計要求。本文介紹了儀表回路安全認證的方法，及回路不能通過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考價值。