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淺析如何改進(jìn)石油化工中的差壓液位變送器設(shè)計(jì)

點(diǎn)擊次數(shù):2234 發(fā)布時(shí)間:2021-02-09 07:42:34
摘要: 石油化工裝置大多處于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域,本質(zhì)安全防爆法是*廣泛應(yīng)用的防爆方法。本文介紹了本質(zhì)安全回路系統(tǒng)的構(gòu)成以及本質(zhì)安全認(rèn)證的方法,結(jié)合工程實(shí)際,給出了工程設(shè)計(jì)中常用的參量認(rèn)證方法的計(jì)算過(guò)程,并通過(guò)應(yīng)用實(shí)例介紹了參量認(rèn)證方法的應(yīng)用;推導(dǎo)出本質(zhì)安全回路中電纜的允許*大長(zhǎng)度計(jì)算公式,并給出了不能滿(mǎn)足本質(zhì)安全要求系統(tǒng)的改進(jìn)措施。在工程設(shè)計(jì)中具有較高的參考價(jià)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(xiǎn)環(huán)境,在工程項(xiàng)目中的現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備必須具有相應(yīng)的防爆措施。近年來(lái),隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化程度的不斷提高,普遍適用于石化行業(yè)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的本安型電氣被廣泛應(yīng)用。本安防爆技術(shù)主要用于限制現(xiàn)場(chǎng)儀表的能量,在儀表回路正?;蚬收锨闆r下,磁性液位計(jì)能可靠地將回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)備在發(fā)生短路、故障等情況下,不會(huì)引起周?chē)ㄎkU(xiǎn)形體氣體發(fā)生爆炸爆炸。
在國(guó)內(nèi)很多石油化工設(shè)計(jì)院在選用本安防爆方案時(shí),大多僅僅是選用了本安型的儀表,未對(duì)本安電纜和安全柵進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證,然而由于電纜分布電感與分布電容的存在,可能會(huì)產(chǎn)生能引起火花的能量,如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的磁性液位計(jì)認(rèn)證的計(jì)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(xiǎn)環(huán)境中可靠的應(yīng)用,本文介紹主要介紹本安系統(tǒng)的組成、磁性液位計(jì)的計(jì)算方法及電纜允許*大長(zhǎng)度的計(jì)算公式,以及在系統(tǒng)不能滿(mǎn)足本質(zhì)安全要求情況下可以采取的措施。
2 本質(zhì)安全回路系統(tǒng)的組成
本質(zhì)安全回路系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備( 如差壓液位變送器) 、本安電纜和關(guān)聯(lián)設(shè)備( 如安全柵) 三部分組成,磁性液位計(jì)的組成如圖1 所示。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備
現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備主要分為簡(jiǎn)單設(shè)備和本質(zhì)安全型設(shè)備。
2.1.1 簡(jiǎn)單設(shè)備
按照規(guī)范IEC60079-14規(guī)定,簡(jiǎn)單設(shè)備是指電氣參數(shù)符合電路本質(zhì)安全性能要求的元件或結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單元件的組合。例如開(kāi)關(guān)器件、接線(xiàn)箱等,都是簡(jiǎn)單設(shè)備; 對(duì)于熱電偶、熱電阻等能產(chǎn)生能量的有源器件,也可視為簡(jiǎn)單設(shè)備。簡(jiǎn)單設(shè)備無(wú)需防爆認(rèn)證,可以自由地配置在磁性液位計(jì)中。
2.1.2 本質(zhì)安全型設(shè)備
本質(zhì)安全型設(shè)備具有儲(chǔ)能元件,是經(jīng)過(guò)權(quán)威的防爆認(rèn)證,內(nèi)部所有電路都是本質(zhì)安全電路的設(shè)備,例如閥門(mén)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(chǎng)本安儀表設(shè)備和機(jī)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(guò)*大允許值時(shí),回路會(huì)儲(chǔ)存過(guò)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(zhǎng)度。
2.3 關(guān)聯(lián)設(shè)備
安全柵是本質(zhì)安全回路中*廣泛應(yīng)用的關(guān)聯(lián)設(shè)備,其作用是限制輸出至現(xiàn)場(chǎng)儀表的電流和電壓,以確保本質(zhì)安全電路的安全性能。隔離式安全柵無(wú)需系統(tǒng)接地回路,且能接受熱電偶、熱電阻及頻率等信號(hào),因此在工程中得到廣泛應(yīng)用。
3 磁性液位計(jì)的認(rèn)證及電纜*大允許長(zhǎng)度的計(jì)算
3.1 磁性液位計(jì)的認(rèn)證
根據(jù)以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),如果不進(jìn)行本安計(jì)算,即使在回路中每個(gè)設(shè)備都選擇了本安設(shè)備,組合的回路仍有 30 % 不能滿(mǎn)足本安要求。為降低風(fēng)險(xiǎn),工程設(shè)計(jì)中,均需對(duì)磁性液位計(jì)中的相關(guān)儀表和安全柵進(jìn)行本安認(rèn)證,選擇安全參數(shù)相匹配的儀表設(shè)備。本文以工程中常用的參量認(rèn)可方法為例介紹磁性液位計(jì)的認(rèn)證方法。
用參量認(rèn)可方法計(jì)算磁性液位計(jì)時(shí),回路中本安儀表、本安電纜和關(guān)聯(lián)設(shè)備的安全參數(shù)需要匹配,其安全參數(shù)要滿(mǎn)足以下五個(gè)不等式:
Uo≤Ui (1)
Io≤Ii (2)
Po≤Pi (3)
Co≥Ci + Cc (4)
Lo≥Li + Lc (5)
式中: Uo---關(guān)聯(lián)設(shè)備的開(kāi)路電壓,即在故障狀態(tài)下,其傳輸至爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的*大電壓;
Io---關(guān)聯(lián)設(shè)備的短路電流,即在故障狀態(tài)下,其傳輸至爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的*大電流;
Co---關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接的*大電容;
Lo---關(guān)聯(lián)設(shè)備允許外接的*大電感;
Ui---在故障條件下,本安設(shè)備*大可接受的電壓;
Ii---在故障條件下,本安設(shè)備*大可接受的電流;
Ci---本安設(shè)備的內(nèi)部電容;
Li---本安設(shè)備的內(nèi)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(shè)備、本安電纜以及安全柵單位長(zhǎng)度的安全參數(shù)通常可從相關(guān)產(chǎn)品手冊(cè)中獲取,下面以普通壓力檢測(cè)單回路為例說(shuō)明磁性液位計(jì)的認(rèn)證方法,本安設(shè)備( 差壓液位變送器) 選用羅斯蒙特 3051系列產(chǎn)品,關(guān)聯(lián)設(shè)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(guò)計(jì)算可知,本回路的安全參數(shù)均滿(mǎn)足不等式(1) ~ (5) ,因此本回路能通過(guò)本安回路計(jì)算,可以直接用于防爆區(qū)。
4.2 本安回路電纜*大允許長(zhǎng)度的計(jì)算
在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中,本安設(shè)備的安全參數(shù)和儀表的安全防爆等級(jí)有關(guān),一般情況下儀表防爆等級(jí)是根據(jù)電氣專(zhuān)業(yè)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖確定,因此,本安設(shè)備的安全參數(shù)是確定的。關(guān)聯(lián)設(shè)備的安全參數(shù)是通過(guò)產(chǎn)品測(cè)試出來(lái)的,型號(hào)確定后其安全參數(shù)也是確定的。因此本安回路的計(jì)算主要取決于電纜的參數(shù),即電纜的長(zhǎng)度,其計(jì)算公式如下:
式中: L1---按允許電感計(jì)算的電纜*大允許長(zhǎng)度,單位 km;
L2---按允許電容計(jì)算的電纜*大允許長(zhǎng)度,單位 km;
β1---單位長(zhǎng)度電纜的電感,單位 mH/km;
β1---單位長(zhǎng)度電纜的電容,單位 μF/km;
Lmax---回路電纜*大允許長(zhǎng)度。
以 4.1 節(jié)普通單回路為例,其電纜*大允許長(zhǎng)度計(jì)算如下:

因此回路電纜必須小于 0.61km,才能滿(mǎn)足本質(zhì)安全要求,否則回路有安全隱患。
5 不能滿(mǎn)足本質(zhì)安全認(rèn)證回路的改進(jìn)措施
當(dāng)回路安全參數(shù)不滿(mǎn)足式(1) ~ (5) 任一公式時(shí),回路不能通過(guò)本質(zhì)安全認(rèn)證,不能直接在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域使用,需要采取一定的措施,使回路滿(mǎn)足本質(zhì)安全認(rèn)證。由式(1) ~ (5) 可知,可以從以下三方面進(jìn)行改進(jìn):
(1) 現(xiàn)場(chǎng)本質(zhì)安全設(shè)備按電氣專(zhuān)業(yè)爆炸危險(xiǎn)環(huán)境劃分圖準(zhǔn)確的確定儀表設(shè)備的防爆等級(jí),盡量不要提高防爆等級(jí),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(zhǎng)度,由于儀表位置是管道設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)確定的,儀表專(zhuān)業(yè)要和管道設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)充分溝通,協(xié)商能否將儀表布置在距離機(jī)柜室近的位置,同時(shí)在施工過(guò)程中遵循電纜路徑*短原則,*大程度減少電纜長(zhǎng)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(dǎo)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(yīng)選用銅芯絞線(xiàn),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(guān)聯(lián)設(shè)備。
6 結(jié)束語(yǔ)
隨著石油化工自動(dòng)化、智能化的發(fā)展以及人們對(duì)安全生產(chǎn)工作的重視,本安防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及本安計(jì)算將成為工程設(shè)計(jì)中不可缺少的工作。在石油、化工工程設(shè)計(jì)過(guò)程中,在本安防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),*先要確定設(shè)計(jì)的裝置處于哪類(lèi)防爆場(chǎng)所,有哪些危險(xiǎn)氣體,要全面考慮整個(gè)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(shí)計(jì)算其是否滿(mǎn)足磁性液位計(jì)要求。本文介紹了儀表回路安全認(rèn)證的方法,及回路不能通過(guò)本質(zhì)安全認(rèn)證時(shí)的解決措施,在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中具有較高的參考價(jià)值。

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