馮省利
(北京石油化工工程有限公司西安分公司,西安710075)
工業(yè)生產(chǎn)中,尤其是石油化工工業(yè),大量使用易燃易爆物質(zhì),防爆問題是關(guān)系到安全生產(chǎn)的重大問題。因此,合理地選用適當(dāng)?shù)姆辣姎庠O(shè)備是自控工程設(shè)計中的關(guān)鍵問題。目前,中國接受的電氣設(shè)備防爆型式主要有:隔爆型(Ex d)、增安型(Ex e)、本質(zhì)安全型(Ex i)、正壓型(Ex p)、澆封型(Ex m)和“n”型(Ex n)等。每一種技術(shù)措施都有各自的特點(diǎn)和適用范圍。其中,“n”型是一種專門適合于爆炸性氣體危險場所2區(qū)使用的電氣設(shè)備防爆型式,該類電氣設(shè)備,在正常運(yùn)行時和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一些異常條件下,不能點(diǎn)燃周圍環(huán)境中的爆炸性氣體。“n”型防爆技術(shù)分為5種不同的類型,分別是無火花型設(shè)備(Ex nA)、限制呼吸外殼(Ex nR)、限制能量設(shè)備(Ex nL)、具有簡單正壓(Ex nZ)和有火花型設(shè)備(Ex nC)。其中,“nL”能量限制技術(shù)由于采用和本質(zhì)安全防爆技術(shù)一樣的限能原理,不僅具有質(zhì)量輕、體積小、成本低的特點(diǎn),而且還可實(shí)現(xiàn)帶電維護(hù)操作。因此,這種防爆技術(shù)已被越來越多的防爆儀器儀表制造商和用戶所選用。
“nL”能量限制防爆技術(shù),簡稱限能技術(shù),是一種應(yīng)用于危險2區(qū)的防爆技術(shù)。其定義為采用能量限制技術(shù),電氣設(shè)備在正常工作情況下,電路或操作電弧和火花中所儲存的能量不足以引起其周圍可能存在的危險氣體的爆炸。限能技術(shù)是以本質(zhì)安全原理為依據(jù)的應(yīng)用于爆炸性危險場所2區(qū)的防爆技術(shù)。由于2區(qū)場所相對比較安全,設(shè)計時只考慮正常工作,不需考慮故障狀態(tài)。
與IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一樣,GB3836.14—2000和GB50058—92均根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境出現(xiàn)的頻率和持續(xù)時間,把爆炸性氣體危險場所分為0區(qū),1區(qū),2區(qū)三個區(qū)域(zone)。2區(qū)是指在正常運(yùn)行時,不可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境。如果出現(xiàn),也是偶爾發(fā)生并且僅是短時間內(nèi)存在的場所。據(jù)資料顯示,典型的爆炸性危險場所被劃分為Zone 0,Zone 1,Zone 2的百分比分別約為2%,28%和70%;而按北美被劃分為Division 1和Division 2的百分比分別約為5%和95%[1]。并且,GB3836.14—2000特別指出應(yīng)通過設(shè)計或適當(dāng)?shù)牟僮鞣椒ǎ瑢?區(qū)或1區(qū)場所在數(shù)量或范圍上減至最小。換句話說,工廠和其設(shè)備安裝場所的大部分應(yīng)該為2區(qū)或非危險場所[2]。因此,以“nL”能量限制技術(shù)為代表的2區(qū)防爆技術(shù)越來越受到重視。
“nL”能量限制防爆系統(tǒng)簡稱“限能回路”,由限能設(shè)備、電纜及關(guān)聯(lián)限能設(shè)備組成。系統(tǒng)回路以關(guān)聯(lián)限能設(shè)備為界,分為限制能量電路和非限制能量電路。從關(guān)聯(lián)限能設(shè)備通過電纜連接到現(xiàn)場限能設(shè)備所構(gòu)成的電路為限制能量回路;從關(guān)聯(lián)限能設(shè)備到DCS控制器及到供電電源的電路為非限制能量回路,其基本配置如圖1所示。
圖1 典型限能回路基本配置
1.2.1 限能設(shè)備
從現(xiàn)場設(shè)備的儲能元件角度考慮,對處于氣體爆炸危險2區(qū)中的現(xiàn)場設(shè)備按照限制能量設(shè)備要求設(shè)計,對其中包含的電感和電容等儲能元件回路采取相應(yīng)措施,并使其盡可能減少的同時,考慮回路元件的功耗及溫升問題,以保證該設(shè)備正常工作時不會產(chǎn)生由火花和熱源引起的點(diǎn)燃。限能設(shè)備的外殼材料、機(jī)械強(qiáng)度、外殼防護(hù)等級、電氣間隙、爬電距離和電纜引入等制造和試驗(yàn)必須符合GB3836的要求。限能性能的主要參數(shù)是在正常狀態(tài)下的最高輸入電壓(Ui)、最大輸入電流(Ii)、最大輸入功率(Pi)及限能設(shè)備的最大內(nèi)部等效電容(Ci)和等效電感(Li)。
1.2.2 連接電纜
由于連接電纜存在分布電容和分布電感,連接電纜成為儲能元件。一旦當(dāng)線路出現(xiàn)開路或短路時,這些儲能就會以電火花或熱效應(yīng)的形式釋放出來,影響系統(tǒng)的防爆性能。特別是在距離較遠(yuǎn)情況下,需要考慮電纜分布參數(shù)和限制配線長度。表征連接電纜限能性能的基本參數(shù)是電纜最大允許分布電容(Cc)和電感(Lc),其關(guān)系如下:
式中:Ck——電纜的單位長度分布電容;Lk——電纜的單位長度分布電感;L——實(shí)際配線長度。
1.2.3 關(guān)聯(lián)限能設(shè)備
關(guān)聯(lián)限能設(shè)備一般安裝在安全區(qū),連接在限能電路與非限能電路之間,其作用是在系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)下,能夠?qū)陌踩珗鏊姆窍弈芑芈穫鞯轿kU場所的限能設(shè)備的能量抑制在點(diǎn)火極限(最小點(diǎn)燃能量)以下。表征關(guān)聯(lián)限能設(shè)備限能的基本參數(shù)有:最高輸出電壓(Uo)、最大輸出電流(Io)、最大輸出功率(Po)、允許的最大外部電容(Co)、允許的最大外部電感(Lo)。最典型的關(guān)聯(lián)限能設(shè)備就是安全柵。目前,有些DCS廠商的I/O卡件已經(jīng)獲得“Ex nL”認(rèn)證,即I/O卡件擔(dān)當(dāng)關(guān)聯(lián)限能設(shè)備的功能,回路無需另外設(shè)置安全柵,大大節(jié)省了成本。
類似于本質(zhì)安全防爆系統(tǒng),限能防爆系統(tǒng)也是系統(tǒng)概念,需要對由限能設(shè)備、電纜及關(guān)聯(lián)限能設(shè)備組成的回路進(jìn)行評定。根據(jù)現(xiàn)行GB3836.8—2003《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第8部分:“n”型電氣設(shè)備》規(guī)定,能量限制技術(shù)是以本質(zhì)安全原理為依據(jù)的,其評定和試驗(yàn)方法都采用本安防爆標(biāo)準(zhǔn)GB3836.4中的相關(guān)規(guī)定[3]。GB3836.4標(biāo)準(zhǔn)在2000版之后已采納“參量認(rèn)可”評定方式。同理,采用限能回路“參量認(rèn)可”評定方法時,使用者只需比較限能設(shè)備、關(guān)聯(lián)限能設(shè)備和電纜的安全參數(shù)匹配。當(dāng)它們滿足表1中的5個不等式時,就可構(gòu)成限能回路。
表1 限能回路評定計算的5個不等式
a)它是僅限于應(yīng)用在爆炸性氣體危險場所2區(qū)的電氣設(shè)備防爆型式。
b)電路與結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的限能措施,如限制電壓、限制電流、限制能量(含電容和電感儲能元件)、結(jié)構(gòu)及電路的分隔措施、合理選擇元器件額定參數(shù)和載流導(dǎo)線截面等。
c)基于本質(zhì)安全防爆原理,本質(zhì)安全最小點(diǎn)燃曲線是電路設(shè)計和評定的主要依據(jù)。但僅在設(shè)備正常運(yùn)行情況下對電路進(jìn)行火花點(diǎn)燃試驗(yàn)和評定,并且施加1.0倍安全系數(shù)。
d)設(shè)備的溫度組別由電路、元器件,甚至導(dǎo)線的表面溫度確定。
e)“nL”型限能設(shè)備是Ⅱ類電氣設(shè)備,根據(jù)使用場所的可燃性氣體不同,按最大試驗(yàn)安全間隙和最小點(diǎn)燃電流比分成ⅡA,ⅡB,ⅡC三級。電氣設(shè)備的最高表面溫度分組相同于可燃性氣體的自然溫度分組(分成T1~T6,共6組)。
a)限能技術(shù)是一種低功率設(shè)計技術(shù),它能很好地適合于工業(yè)自動化儀表。
b)可靠性高,已被歐洲多年實(shí)踐證明安全的2區(qū)防爆技術(shù),在國內(nèi)一些大型石化項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用。
c)應(yīng)用區(qū)域廣泛。除了通風(fēng)不良的區(qū)域,化工裝置的爆炸危險區(qū)域大部分被定義為2區(qū),并且比例仍呈增長趨勢。
d)經(jīng)濟(jì)性好。設(shè)備制造工藝簡單、體積小、質(zhì)量輕、造價低,并可避免2區(qū)用設(shè)備高選的問題。
e)可帶電操作與維護(hù),可有效避免人員觸電傷亡事故發(fā)生。
f)應(yīng)用成本低,使用具有(Ex nL)認(rèn)證的DCS輸入輸出卡件可省去安全柵,機(jī)柜數(shù)量亦可大幅減少。
a)只要安全參數(shù)匹配,本安設(shè)備可直接作為限能設(shè)備,用于“nL”回路。但要求設(shè)備外殼具有IP54的外殼防護(hù)等級和承受7J的機(jī)械沖擊的能力。
b)限制能量回路僅能保證設(shè)備在正常情況下的安全性能,在故障條件下設(shè)備可能受到不利于設(shè)備原有限能性能保持的高電壓和/或大電流的沖擊。因此,被用于限制能量回路的本安設(shè)備,應(yīng)賦予適當(dāng)標(biāo)識,以明示其實(shí)際用途,且本安設(shè)備一旦用于限制能量回路,嚴(yán)禁再用于本質(zhì)安全回路,這對業(yè)主的防爆管理水平有較高要求。
c)限制能量電路和其他電路之間(包括本安回路)應(yīng)相互分開走線。建議限制能量電路使用灰色電纜,并在相關(guān)的用戶文件中予以說明。
限能技術(shù)和本安防爆技術(shù)的原理是相同的,都是以抑制點(diǎn)火源能量為防爆手段的安全技術(shù);回路的基本配置和認(rèn)證方法相同。但在產(chǎn)品應(yīng)用和制造標(biāo)準(zhǔn)上存在很多差異,主要體現(xiàn)在:
a)應(yīng)用區(qū)域不同?!皀L”限能技術(shù)僅應(yīng)用在爆炸性氣體危險場所2區(qū)的技術(shù);本安防爆技術(shù)“ib”保護(hù)等級可應(yīng)用于2區(qū)和1區(qū)危險場所,“ia”保護(hù)等級可應(yīng)用于2區(qū)、1區(qū)和0區(qū)危險場所。
b)安全級別不同?!癷a”是指在正常工作和1個計數(shù)故障及2個計數(shù)故障情況下均不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物。“ib”是指在正常工作和1個計數(shù)故障情況下不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物。而“nL”能量限制技術(shù)只需滿足電路在正常工作情況下可能產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性混合物即可。
c)安全系數(shù)不同。安全系數(shù)是指最小點(diǎn)燃電流(或電壓、能量)與本安電路的電流(或電壓、能量)相比的倍數(shù)。通常,安全系數(shù)施加在電路的電流或電壓上。不同保護(hù)等級對安全系數(shù)的要求見表2所列。
表2 安全系數(shù)要求
d)設(shè)備的電氣間隙、爬電距離和間距等制造要求不同?!癷a”和“ib”保護(hù)等級的要求比“nL”保護(hù)等級高。
e)設(shè)備外殼防護(hù)等級要求不同?!癷a”和“ib”保護(hù)等級要求外殼防護(hù)等級不低于IP20;“nL”保護(hù)等級要求外殼防護(hù)等級不低于IP54。
f)電纜顏色不同?!癷a”和“ib”保護(hù)等級使用天藍(lán)色電纜;“nL”保護(hù)等級建議用灰色電纜,不僅要與其他非本安電路分開布線,而且也應(yīng)與本安電路分開布線。
g)同類型的設(shè)備,限能型和本安型的防爆認(rèn)證參數(shù)不同。和本安型設(shè)備相比,現(xiàn)場限能設(shè)備允許接受的能量高于本安型設(shè)備。具體防爆認(rèn)證參數(shù)見表3所列。
表3 限能型和本安型現(xiàn)場設(shè)備防爆認(rèn)證參數(shù)比較
現(xiàn)場總線系統(tǒng)防爆認(rèn)證以“參量認(rèn)可”為基礎(chǔ),并發(fā)展為現(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念,即FISCO(Fieldbus Intrinsically Safe Concept)。伴隨著“nL”能量限制防爆技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的日趨完善和在2區(qū)的推廣應(yīng)用,使之開始在現(xiàn)場總線產(chǎn)品及其系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。特別是2008年經(jīng)修訂后推出的IEC 60079-27《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第27部分:現(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念(FISCO)》標(biāo)準(zhǔn),在其原有的FISCO概念基礎(chǔ)上,增加了適用于能量限制技術(shù)“nL”的FNICO(Fieldbus Non-Incendive Concept)概念,并系統(tǒng)描述了FNICO概念的系統(tǒng)配置和安全參數(shù)設(shè)計要求。
本安現(xiàn)場總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)本安系統(tǒng)的最大區(qū)別:本安現(xiàn)場總線系統(tǒng)中具有多臺本安現(xiàn)場總線設(shè)備,即具有“多負(fù)載”特征,并要求滿足“可互換性”和“可互操作性”的要求。2區(qū)“nL”型限能防爆技術(shù)基于本安防爆原理,并且只需考慮正常工作情況,“nL”供電電源允許有更大的輸出參數(shù),相應(yīng)的允許掛接的負(fù)載數(shù)更多。因此,基于限能技術(shù)的FNICO概念將允許FNICO現(xiàn)場總線系統(tǒng)具有更大的安全參數(shù),這一點(diǎn)更加體現(xiàn)出現(xiàn)場總線系統(tǒng)“多負(fù)載”的特征。
FNICO的系統(tǒng)配置要求及其安全評定準(zhǔn)則與FISCO概念基本一致。原則上,構(gòu)成FNICO系統(tǒng)的所有設(shè)備(包括供電電源、現(xiàn)場設(shè)備、終端器和電纜)均應(yīng)滿足上述規(guī)定要求,并取得防爆檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。并且,雖未經(jīng)FNICO認(rèn)證,但被認(rèn)證為符合FISCO系統(tǒng)要求的設(shè)備,或被認(rèn)證為符合GB 3836.4的本安設(shè)備,或被認(rèn)證為符合GB 3836.8的“nL”限能型現(xiàn)場設(shè)備,只要其認(rèn)證的安全參數(shù)滿足Ui≥17.5V,Li≤20μH和Ci≤5nF的要求,都可用于FNICO系統(tǒng)。這一點(diǎn)最大程度地體現(xiàn)了“可互換性”和“可互操作性”的要求,但要特別注意確保這些被用于FNICO系統(tǒng)的本安設(shè)備不再應(yīng)用于本安系統(tǒng)。并且,F(xiàn)NICO系統(tǒng)不僅要與其他非本安電路分開布線,而且也應(yīng)與本安電路分開布線,并建議采用灰色電纜或灰色套管。
GB 3836《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》系列標(biāo)準(zhǔn)直接等同采用IEC 60079系列標(biāo)準(zhǔn)。近年來,IEC 60079系列標(biāo)準(zhǔn)更新很快,尤其在本安防爆領(lǐng)域,引入了很多新概念。2010年8月,中國根據(jù)IEC 60079系列標(biāo)準(zhǔn)的最新變化發(fā)布了2010版GB 3836系列標(biāo)準(zhǔn),并于2011年8月開始實(shí)施。和GB 3836 2000版標(biāo)準(zhǔn)相比,該次修訂在限能和本安防爆領(lǐng)域的主要變化有:
a)GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境第1部分:設(shè)備 通用要求》中,標(biāo)準(zhǔn)名稱將“爆炸性氣體環(huán)境”修改為“爆炸性環(huán)境”;將爆炸性粉塵環(huán)境的要求并入該部分;設(shè)備分類增加了Ⅲ類(爆炸性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備);增加了設(shè)備保護(hù)級別(EPL);將“n”型電氣設(shè)備納入通用要求,即首先要符合通用要求的規(guī)定[4]。
b)GB 3836.4—2010《爆炸性環(huán)境第4部分:由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》的顯著變化是增加了“ic”保護(hù)等級(即“n”型中的“nL”)?!癷c”保護(hù)等級僅用于2區(qū)場所[5]。
c)GB 3836.19—2010《爆炸性環(huán)境第19部分現(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念(FISCO)》中,該部分與IEC 60079-27:2008相比,用“ic”等級FISCO系統(tǒng)的要求取代了FNICO的要求?!癷c”等級FISCO系統(tǒng)用于2區(qū)場所。IEC 60079-27:2005標(biāo)準(zhǔn)引入了FNICO概念,涉及在2區(qū)用“nL”限能型概念的現(xiàn)場總線概念。GB 3836.19—2010標(biāo)準(zhǔn)用“ic”概念代替了限能概念,但允許繼續(xù)使用FNICO和“nL”設(shè)備[6]。
從以上標(biāo)準(zhǔn)變化可以看出,GB 3836標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)都已經(jīng)正式將“nL”型限能防爆技術(shù)定義為第三種本安防爆保護(hù)類型,即“ic”保護(hù)等級,并且技術(shù)要求等同于“nL”型設(shè)備。同時,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許繼續(xù)使用“nL”和FNICO設(shè)備??梢钥闯?,在今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi),“ic”型和“nL”型設(shè)備會同時存在。但從長遠(yuǎn)來看,最終“nL”型會被“ic”型取代。
“十五”期間,數(shù)個中外合資的年產(chǎn)百萬噸級的超大型一體化聯(lián)合石化裝置陸續(xù)引進(jìn)中國,揚(yáng)子石化-巴斯夫有限責(zé)任公司的IPS項(xiàng)目就是其中有代表性的項(xiàng)目。在此項(xiàng)目中,2區(qū)應(yīng)用了“nL”能量限制防爆技術(shù),這也是限能防爆技術(shù)首次在國內(nèi)大型石化項(xiàng)目的成功應(yīng)用。此后,德國巴斯夫集團(tuán)在上海投資的IIP項(xiàng)目同樣采用“nL”能量限制防爆技術(shù)。這兩個項(xiàng)目DCS都采用Emerson公司的DeltaV系統(tǒng),其DI,AI和AO卡件都取得“nL”認(rèn)證,可直接連接現(xiàn)場限能儀表,應(yīng)用于2區(qū),省去大量的安全柵和機(jī)柜,經(jīng)濟(jì)效益顯著。揚(yáng)巴公司自2005年投入商業(yè)運(yùn)行以來,從未發(fā)生爆炸安全事故,再次驗(yàn)證了在2區(qū)使用“nL”能量限制防爆技術(shù)是安全可靠的。
在實(shí)際應(yīng)用中也遇到些問題,主要體現(xiàn)在:
a)防爆認(rèn)證問題。目前國外主流儀表廠商(如E+H,Emerson等)的現(xiàn)場儀表都已取得Ex nL認(rèn)證,但國內(nèi)儀表廠商對“nL”限能技術(shù)認(rèn)知程度低,取證較少。雖然,本安儀表如通過回路評估可應(yīng)用于“nL”回路,但同時又帶來防爆管理方面的問題。“nL”限能技術(shù)有待進(jìn)一步推廣。
b)“nL”回路電纜采用灰色電纜,并且需要與本安電纜和其他非本安電纜分開布線,給工程應(yīng)用帶來不便。此問題在“ic”保護(hù)等級回路中有望得到解決。
隨著歐洲和國內(nèi)對2區(qū)防爆技術(shù)的長期探索和實(shí)踐,“nL”型限能防爆技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。其具有可靠性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等多方面的優(yōu)勢,值得在工程界推廣應(yīng)用。
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