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浅析如何改进石油化工中的差压液位变送器设计
点击次数：1891 发布时间：2021-02-09 07:42:34
摘要: 石油化工装置大多处于爆炸危险区域，本质安全防爆法是最广泛应用的防爆方法。本文介绍了本质安全回路系统的构成以及本质安全认证的方法，结合工程实际，给出了工程设计中常用的参量认证方法的计算过程，并通过应用实例介绍了参量认证方法的应用;推导出本质安全回路中电缆的允许最大长度计算公式，并给出了不能满足本质安全要求系统的改进措施。在工程设计中具有较高的参考价值。
1 引言
在石油化工装置中，可能出现潜在的可燃有毒气体，存在爆炸危险环境，在工程项目中的现场仪表设备必须具有相应的防爆措施。近年来，随着工业现场自动化程度的不断提高，普遍适用于石化行业爆炸危险区域的本安型电气被广泛应用。本安防爆技术主要用于限制现场仪表的能量，在仪表回路正常或故障情况下，磁性液位计能可靠地将回路中的能量限制在一个允许的范围内，以保证电气设备在发生短路、故障等情况下，不会引起周围爆炸危险形体气体发生爆炸爆炸。
在国内很多石油化工设计院在选用本安防爆方案时，大多仅仅是选用了本安型的仪表，未对本安电缆和安全栅进行计算验证，然而由于电缆分布电感与分布电容的存在，可能会产生能引起火花的能量，如果没有经过严格的磁性液位计认证的计算，将有回路存在安全隐患，为了保证本安系统在爆炸危险环境中可靠的应用，本文介绍主要介绍本安系统的组成、磁性液位计的计算方法及电缆允许最大长度的计算公式，以及在系统不能满足本质安全要求情况下可以采取的措施。
2 本质安全回路系统的组成
本质安全回路系统由现场本安设备( 如差压液位变送器) 、本安电缆和关联设备( 如安全栅) 三部分组成，磁性液位计的组成如图1 所示。
2．1 现场本安设备
现场本安设备主要分为简单设备和本质安全型设备。
2．1．1 简单设备
按照规范IEC60079－14规定，简单设备是指电气参数符合电路本质安全性能要求的元件或结构简单元件的组合。例如开关器件、接线箱等，都是简单设备; 对于热电偶、热电阻等能产生能量的有源器件，也可视为简单设备。简单设备无需防爆认证，可以自由地配置在磁性液位计中。
2．1．2 本质安全型设备
本质安全型设备具有储能元件，是经过权威的防爆认证，内部所有电路都是本质安全电路的设备，例如阀门定位器、差压液位变送器等。
2．2 本安电缆
本安电缆为现场本安仪表设备和机柜室安全栅之间的连接电缆。本安电缆存在一定数量的分布电容和分布电感，其参数超过最大允许值时，回路会储存过多的能量，从而产生安全隐患，需要综合考虑电缆的分布参数和限制电缆的长度。
2．3 关联设备
安全栅是本质安全回路中最广泛应用的关联设备，其作用是限制输出至现场仪表的电流和电压，以确保本质安全电路的安全性能。隔离式安全栅无需系统接地回路，且能接受热电偶、热电阻及频率等信号，因此在工程中得到广泛应用。
3 磁性液位计的认证及电缆最大允许长度的计算
3．1 磁性液位计的认证
根据以往的项目经验，如果不进行本安计算，即使在回路中每个设备都选择了本安设备，组合的回路仍有 30 % 不能满足本安要求。为降低风险，工程设计中，均需对磁性液位计中的相关仪表和安全栅进行本安认证，选择安全参数相匹配的仪表设备。本文以工程中常用的参量认可方法为例介绍磁性液位计的认证方法。
用参量认可方法计算磁性液位计时，回路中本安仪表、本安电缆和关联设备的安全参数需要匹配，其安全参数要满足以下五个不等式:
Uo≤Ui (1)
Io≤Ii (2)
Po≤Pi (3)
Co≥Ci + Cc (4)
Lo≥Li + Lc (5)
式中: Uo---关联设备的开路电压，即在故障状态下，其传输至爆炸危险区域的最大电压;
Io---关联设备的短路电流，即在故障状态下，其传输至爆炸危险区域的最大电流;
Co---关联设备允许外接的最大电容;
Lo---关联设备允许外接的最大电感;
Ui---在故障条件下，本安设备最大可接受的电压;
Ii---在故障条件下，本安设备最大可接受的电流;
Ci---本安设备的内部电容;
Li---本安设备的内部电感;
Lc---本安电缆的分布电感;
Cc---本安电缆的分布电容。
本安设备、本安电缆以及安全栅单位长度的安全参数通常可从相关产品手册中获取，下面以普通压力检测单回路为例说明磁性液位计的认证方法，本安设备( 差压液位变送器) 选用罗斯蒙特 3051系列产品，关联设备( 安全栅) 选用 P + F 产品，本安电缆选用安徽新亚特电缆，其回路图及安全参数示意图如图 2 所示。
通过计算可知，本回路的安全参数均满足不等式(1) ～ (5) ，因此本回路能通过本安回路计算，可以直接用于防爆区。
4．2 本安回路电缆最大允许长度的计算
在工程设计过程中，本安设备的安全参数和仪表的安全防爆等级有关，一般情况下仪表防爆等级是根据电气专业爆炸危险区域划分图确定，因此，本安设备的安全参数是确定的。关联设备的安全参数是通过产品测试出来的，型号确定后其安全参数也是确定的。因此本安回路的计算主要取决于电缆的参数，即电缆的长度，其计算公式如下:
式中: L1---按允许电感计算的电缆最大允许长度，单位 km;
L2---按允许电容计算的电缆最大允许长度，单位 km;
β1---单位长度电缆的电感，单位 mH/km;
β1---单位长度电缆的电容，单位 μF/km;
Lmax---回路电缆最大允许长度。
以 4．1 节普通单回路为例，其电缆最大允许长度计算如下:
因此回路电缆必须小于 0．61km，才能满足本质安全要求，否则回路有安全隐患。
5 不能满足本质安全认证回路的改进措施
当回路安全参数不满足式(1) ～ (5) 任一公式时，回路不能通过本质安全认证，不能直接在爆炸危险区域使用，需要采取一定的措施，使回路满足本质安全认证。由式(1) ～ (5) 可知，可以从以下三方面进行改进:
(1) 现场本质安全设备按电气专业爆炸危险环境划分图准确的确定仪表设备的防爆等级，尽量不要提高防爆等级，例如IaIIBT4 的允许分布电容和电感是 IaIICT4 的 3 倍。
(2) 本安电缆，首先要考虑尽量缩短电缆的长度，由于仪表位置是管道设计专业确定的，仪表专业要和管道设计专业充分沟通，协商能否将仪表布置在距离机柜室近的位置，同时在施工过程中遵循电缆路径最短原则，最大程度减少电缆长度。其次可以从电缆本身入手，选用介电常数低的绝缘材料，增大电缆导体直径，都可以降低电缆的分布电容和分布电感，本安电缆应选用铜芯绞线，其最小截面积不得小于 0．5mm2。
(3) 选择允许外接最大电容和最大电感较大的关联设备。
6 结束语
随着石油化工自动化、智能化的发展以及人们对安全生产工作的重视，本安防爆系统的设计以及本安计算将成为工程设计中不可缺少的工作。在石油、化工工程设计过程中，在本安防爆系统设计时，首先要确定设计的装置处于哪类防爆场所，有哪些危险气体，要全面考虑整个回路中的本安参数，从差压液位变送器、本安电缆到安全栅，均要核实计算其是否满足磁性液位计要求。本文介绍了仪表回路安全认证的方法，及回路不能通过本质安全认证时的解决措施，在工程设计过程中具有较高的参考价值。
1 引言
在石油化工装置中，可能出现潜在的可燃有毒气体，存在爆炸危险环境，在工程项目中的现场仪表设备必须具有相应的防爆措施。近年来，随着工业现场自动化程度的不断提高，普遍适用于石化行业爆炸危险区域的本安型电气被广泛应用。本安防爆技术主要用于限制现场仪表的能量，在仪表回路正常或故障情况下，磁性液位计能可靠地将回路中的能量限制在一个允许的范围内，以保证电气设备在发生短路、故障等情况下，不会引起周围爆炸危险形体气体发生爆炸爆炸。
在国内很多石油化工设计院在选用本安防爆方案时，大多仅仅是选用了本安型的仪表，未对本安电缆和安全栅进行计算验证，然而由于电缆分布电感与分布电容的存在，可能会产生能引起火花的能量，如果没有经过严格的磁性液位计认证的计算，将有回路存在安全隐患，为了保证本安系统在爆炸危险环境中可靠的应用，本文介绍主要介绍本安系统的组成、磁性液位计的计算方法及电缆允许最大长度的计算公式，以及在系统不能满足本质安全要求情况下可以采取的措施。
2 本质安全回路系统的组成
本质安全回路系统由现场本安设备( 如差压液位变送器) 、本安电缆和关联设备( 如安全栅) 三部分组成，磁性液位计的组成如图1 所示。
2．1 现场本安设备
现场本安设备主要分为简单设备和本质安全型设备。
2．1．1 简单设备
按照规范IEC60079－14规定，简单设备是指电气参数符合电路本质安全性能要求的元件或结构简单元件的组合。例如开关器件、接线箱等，都是简单设备; 对于热电偶、热电阻等能产生能量的有源器件，也可视为简单设备。简单设备无需防爆认证，可以自由地配置在磁性液位计中。
2．1．2 本质安全型设备
本质安全型设备具有储能元件，是经过权威的防爆认证，内部所有电路都是本质安全电路的设备，例如阀门定位器、差压液位变送器等。
2．2 本安电缆
本安电缆为现场本安仪表设备和机柜室安全栅之间的连接电缆。本安电缆存在一定数量的分布电容和分布电感，其参数超过最大允许值时，回路会储存过多的能量，从而产生安全隐患，需要综合考虑电缆的分布参数和限制电缆的长度。
2．3 关联设备
安全栅是本质安全回路中最广泛应用的关联设备，其作用是限制输出至现场仪表的电流和电压，以确保本质安全电路的安全性能。隔离式安全栅无需系统接地回路，且能接受热电偶、热电阻及频率等信号，因此在工程中得到广泛应用。
3 磁性液位计的认证及电缆最大允许长度的计算
3．1 磁性液位计的认证
根据以往的项目经验，如果不进行本安计算，即使在回路中每个设备都选择了本安设备，组合的回路仍有 30 % 不能满足本安要求。为降低风险，工程设计中，均需对磁性液位计中的相关仪表和安全栅进行本安认证，选择安全参数相匹配的仪表设备。本文以工程中常用的参量认可方法为例介绍磁性液位计的认证方法。
用参量认可方法计算磁性液位计时，回路中本安仪表、本安电缆和关联设备的安全参数需要匹配，其安全参数要满足以下五个不等式:
Uo≤Ui (1)
Io≤Ii (2)
Po≤Pi (3)
Co≥Ci + Cc (4)
Lo≥Li + Lc (5)
式中: Uo---关联设备的开路电压，即在故障状态下，其传输至爆炸危险区域的最大电压;
Io---关联设备的短路电流，即在故障状态下，其传输至爆炸危险区域的最大电流;
Co---关联设备允许外接的最大电容;
Lo---关联设备允许外接的最大电感;
Ui---在故障条件下，本安设备最大可接受的电压;
Ii---在故障条件下，本安设备最大可接受的电流;
Ci---本安设备的内部电容;
Li---本安设备的内部电感;
Lc---本安电缆的分布电感;
Cc---本安电缆的分布电容。
本安设备、本安电缆以及安全栅单位长度的安全参数通常可从相关产品手册中获取，下面以普通压力检测单回路为例说明磁性液位计的认证方法，本安设备( 差压液位变送器) 选用罗斯蒙特 3051系列产品，关联设备( 安全栅) 选用 P + F 产品，本安电缆选用安徽新亚特电缆，其回路图及安全参数示意图如图 2 所示。
通过计算可知，本回路的安全参数均满足不等式(1) ～ (5) ，因此本回路能通过本安回路计算，可以直接用于防爆区。
4．2 本安回路电缆最大允许长度的计算
在工程设计过程中，本安设备的安全参数和仪表的安全防爆等级有关，一般情况下仪表防爆等级是根据电气专业爆炸危险区域划分图确定，因此，本安设备的安全参数是确定的。关联设备的安全参数是通过产品测试出来的，型号确定后其安全参数也是确定的。因此本安回路的计算主要取决于电缆的参数，即电缆的长度，其计算公式如下:
式中: L1---按允许电感计算的电缆最大允许长度，单位 km;
L2---按允许电容计算的电缆最大允许长度，单位 km;
β1---单位长度电缆的电感，单位 mH/km;
β1---单位长度电缆的电容，单位 μF/km;
Lmax---回路电缆最大允许长度。
以 4．1 节普通单回路为例，其电缆最大允许长度计算如下:
因此回路电缆必须小于 0．61km，才能满足本质安全要求，否则回路有安全隐患。
5 不能满足本质安全认证回路的改进措施
当回路安全参数不满足式(1) ～ (5) 任一公式时，回路不能通过本质安全认证，不能直接在爆炸危险区域使用，需要采取一定的措施，使回路满足本质安全认证。由式(1) ～ (5) 可知，可以从以下三方面进行改进:
(1) 现场本质安全设备按电气专业爆炸危险环境划分图准确的确定仪表设备的防爆等级，尽量不要提高防爆等级，例如IaIIBT4 的允许分布电容和电感是 IaIICT4 的 3 倍。
(2) 本安电缆，首先要考虑尽量缩短电缆的长度，由于仪表位置是管道设计专业确定的，仪表专业要和管道设计专业充分沟通，协商能否将仪表布置在距离机柜室近的位置，同时在施工过程中遵循电缆路径最短原则，最大程度减少电缆长度。其次可以从电缆本身入手，选用介电常数低的绝缘材料，增大电缆导体直径，都可以降低电缆的分布电容和分布电感，本安电缆应选用铜芯绞线，其最小截面积不得小于 0．5mm2。
(3) 选择允许外接最大电容和最大电感较大的关联设备。
6 结束语
随着石油化工自动化、智能化的发展以及人们对安全生产工作的重视，本安防爆系统的设计以及本安计算将成为工程设计中不可缺少的工作。在石油、化工工程设计过程中，在本安防爆系统设计时，首先要确定设计的装置处于哪类防爆场所，有哪些危险气体，要全面考虑整个回路中的本安参数，从差压液位变送器、本安电缆到安全栅，均要核实计算其是否满足磁性液位计要求。本文介绍了仪表回路安全认证的方法，及回路不能通过本质安全认证时的解决措施，在工程设计过程中具有较高的参考价值。