本安回路计算及在工程实际应用中的意义

Petroleum Engineering

Chemical Engineering Design Communications

·23·

第44卷第9期

2018年9月

在现代化大规模的炼油厂中，60%~80%的场所属于危险区域，在日常的生产过程中，爆炸性危险气体的泄露不可避免，这些气体一旦发生泄露将会与空气混合形成易燃易爆的混合物。另一方面随着工厂现代化、自动化程度越来越高，大量自动化电气设备投入到生产过程中，而这些自动化电气设备绝大部分都布置在这些危险区域内，一旦发生故障，极易点燃周围的可燃气体，发生生产事故。在这种大背景之下，自动化电气设备的防爆就显得尤为重要。本质安全设计作为一种有效的防爆技术，大规模的应用在自动化控制回路的设计中，为安全生产提供可靠地保障。通常情况下都是选取本安型仪表、本安型电缆以及安全栅组成本安回路，但是实际上本质安全防爆技术对于本安回路的各个参数有着严格的定义及要求，尽管各个原件均有各自的本安防爆认证，但是当这些原件组合在一起使用时否还满足本质安全参数认证就需要详细的计算，同时这个计算结果也会对本安电缆最大使用长度做出。1 本质安全回路

1.1 本质安全回路的定义

本质安全回路是仪表专业在工程设计中常用的防爆技术的实现方式，其本质就是通过电火花和热效应两种可能点燃源的能量来实现防爆。本安防爆设计就是从能量入手，将控制回路中的电压和电流在一定的范围之内，以保证本安型仪表在正常、非正常工作的情况下产生的热效能和电火花不会引燃周边的易燃易爆气体。与传统的防爆技术相比，采用本安防爆技术的自动化仪表具有以下优势：①结构简单，体积小，可在危险区域内带电进行维护、标定等操作；②本安仪表安全可靠性好，不会因为外壳紧固螺丝丢失、接触面密封不严等原因而降低安全可靠性；③适用范围广，本安技术是唯一可适用于“0”区的防爆技术。

1.2 本安回路组成

本安回路一般由本安型仪表、本安电缆、安全栅（关联设备）三部分组成。本安型仪表即本质安全型仪表，他要求仪表在正常工作状态下及一个或两个计数故障状态下，系统中产生的电火花和热效能都不会引燃危险区域内的易燃易爆气体；本安型电缆指分布电容值和分布电感值都很低且具有极好的屏蔽性能和抗干扰性能，适用于有防爆要求的场合的集散系统和自动化检测控制系统等电路中作传输线使用的电缆；安全栅安装于安全区域并含有本安电路和非本安电路的

装置，它通过限流电阻电路和限压二极管电路了送往现场本安回路的能量，从而有效阻止了危险能量串入本安电路，在本安防爆系统中安全栅亦被称为关联设备，是本安系统的重要组成部分。

1.3 本安仪表分类

本安仪表根据其应用的场所的危险程度不同，还有详细的划分。

1.3.1 本安型仪表的类别

根据GB3836.1中规定的电气设备分类原则，本安仪表可分为Ⅰ类矿用仪表和Ⅱ类厂用仪表。对于Ⅱ类厂用仪表根据其所在区域的气体组分不一致还细分为A 、B 、C 三级，分别对应的气体类型见表1。

表1 对应气体类型

组别代表气体点燃能量Ⅰ甲烷525 μJ ⅡA 丙烷320 μJ ⅡB 乙烯160 μJ ⅡC

氢气、乙炔

40 μJ

1.3.2 本安仪表级别

根据GB3836.4中关于电气设备保护级别分类原则，本安仪表可分为ia 、ib 、ic 三个级别，分别的含义如下：

ia 级指在正常工作、一个计数故障和两个计数故障情况下均不能点燃周围的危险气体，可适用于0区、1区、2区危险场所；

ib 级指在正常工作、一个计数故障情况下均不能点燃周围的危险气体，可适用于1区、2区危险场所；

ic 级指在正常工作情况下不能点燃周围的危险气体，只能用于2区危险场所。

由此可见ia 级本安仪表是唯一一种可用于0区的仪表，在仪表选型中一定要根据危险区的划分选择合适的仪表，保障生产安全的同时亦要避免过度设计。

1.3.3 本安仪表温度组别

根据GB3836.1 Ⅱ类本安仪表根据最高表面温度不同与其适用危险区的危险气体混合物温度组别不同，可分为T1~T6六个组别，详细要求请见下表。2 本安回路计算

2.1 本安回路参数验证

目前本安回路的认证方法有系统认证和参量认证两种，但是由于系统认证属于整体认证，一旦获得，就不能变更其中任何设备，这就了其应用范围，因此目前工业中最常用到的就是参量验证，即在本安回路中，本安型仪表、本安电缆以及安全栅需要同时满足以下五个条件，见表2。

摘　要：本质安全设计作为一种有效的防爆技术，大规模地应用在自动化控制回路的设计中，为安全生产提供可靠的保障。但是在目前的工程设计中，对于本安回路参数的认证及本安回路计算这项工作鲜有涉及，从本安回路的结构入手，详细介绍、论证了本质安全参数认证和本安回路计算的步骤以及本安回路各组成部分对于回路性能的影响。

关键词：本安仪表；本安参数认证；本安回路计算；电气设备防爆技术中图分类号：TP29　　文献标志码：A 　　文章编号：1003–90（2018）09–0023–04

Intrinsically Safe Loop Calculation and Its Significance in Engineering Application

Li Xin-ze

Abstract ：Intrinsically safe design is an effective explosion protection technology.It is Large-scale used in the automatic control loop design and provides reliable guarantee for safe production.But in the current engineering design ，it is rarely involved authentication and calculation of the intrinsically safety loop parameters.This paper presents the detail of intrinsically safety loop parameters authentication and calculation ，as well as the influence of components of the intrinsically loop on the performance of the loop.

Key words ：Intrinsically safe instrument ；Intrinsically safety loop parameters authentication ；Intrinsically safety loop parameters calculation ；explosion protection technology 本安回路计算及在工程实际应用中的意义

李昕泽

（中国石化工程建设公司，北京 100000）

收稿日期：2018–07–11作者简介： 李昕泽（1984—），男，辽宁锦州人，工程师，主要从事

工石油石化工程设计工作。

石油工程

化 工 设 计 通 讯

Petroleum Engineering

Chemical Engineering Design Communications

·24·

第44卷第9期

2018年9月

表2 本安型仪表满足对的条件

最高表面温度（℃）

温度组别常见爆炸性气体IEC79-8GB3836-1450℃T1氢气、丙烯腈等46种300℃T2乙炔、乙烯等47种200℃T3汽油、丁烯醛等36种135℃T4乙醛、四氟乙烯等6种

100℃T5二硫化碳85℃

T6

乙酯和亚乙酯

（1）仪表最大输入电压Ui ≥安全栅最大输出电压Uo ；（2）仪表最大输入电流Ii ≥安全栅最大输出电流Io ；（3）仪表最大输入功率Pi ≥安全栅最大输出功率Po ；（4）仪表最大等效电容Ci+本安电缆分布电容Cc ≤安全栅最大外部电容Co ；

（5）仪表最大等效电感Li+本安电缆分布电感Lc ≤安全栅最大外部电感Lo ；

为满足以上五个条件，对于电缆的最大使用长度就要做出。

2.2 本安电缆最大使用长度计算 危害区与非危害区见图1。

Hazardous Area

Instrument

BENTLY 177230

P&F HiC2025

Cable A

Cable B

Marshaling Terminal

Safety Device Non-Hazardous Area 图1 危害区与非危害区

以本特利震动探头177230为例，选取隔离式安全栅型号为HIC2025，其参数如表3所示：

表3 HIC2025参数

　仪表名称厂家型号电阻值R （X ）

电感值L （X ）电容值C （X ）电压值V （X ）电流值I （X ）功率值

P （X ）1

安全栅

P+F

HIC2025750 ohm 3.5 mH

100 nF 25.2 V 100 mA 630 mW 2震动变送器

BENTLY

177230

0 ohm

121.06 μH

0 nF

28 V

120 mA

1 W

选取截面积1.0mm 2

的电缆，其参数如表4所示。

表4 1.0mm 2电缆的参数

　电缆类型电阻/km 电感分布电容分布A 多芯电缆18.50 ohm/km 462.5 μh/km 75.00 nF/km B

分支电缆

18.10 ohm/km

452.5 μh/km

112.00 nF/km

选取示例满足2.1中的本安回路认证条件中的1、2、3条。

2.2.1 阻值计算

R cableB =COEFF cableB *LENGTH cableB

=18.10ohm/km*0.055km=1ohm （1）

LENGTH cableA =

R MAX -R cableB

COEFF cableA

=750ohm-1ohm

18.50ohm/km

=40.487km=40 487m （2）

其中，分支电缆选取最大长度为55m ，具体数值应参考每个项目的规范。

2.2.2 电感计算

L cableB =COEFF cableB *LENGTH cableB

=0.45mH/km*0.055km=0.02mH （3）

LENGTH cableA =

L MAX -L transmitter -L cableB

COEFF cableA

=3.5mH-0.12mH-0.02mH

0.46mH/km

=7.25km=7 250m （4）

2.2.3 电容计算

C cableB =COEFF cableB *LENGTH cableB

=112.00nF/km*0.055km=6.16nF

（5）

LENGTH cableA =C MAX -C cableB COEFF cableA

=

100.00nF-6.16nF

75.00nF/km

=1.251km=1251m （6）

从上述计算结果可以得出，根据控制回路中的总电阻、总分布电感和总分布电容分别计算出三个不同电缆长度值，本按多芯电缆的最大使用长度应取其中的最小值，即为1251m 。这里还需要注意的一点事，这个最大使用长度在电缆参数上已经考虑到了信号的往返，实际应用中并不需要取一半使用。

则系统中的总分布电感和电容值如下： L cableA =COEFF cableA *LENGTH cableA

=0.46mH/km*1.251km=0.575mH （7） C cableA =COEFF cableA *LENGTH cableA

=75.00nF/km*1.251km=93.83nF （8）

计算结果分别小于安全栅要求的最大电感和电容值，因此选取示例满足2.1中的本安回路认证条件中的4、5条。

2.2.4 L/R 值计算

根据GB3836.18附录中的要求，

L i

R i

值应小于电源允许的L O R O 值，根据HIC2025的样本，安全栅允许的最大L O R O

值为0.06mH/ohm ，计算回路中L i

R i

值如下：

L i R i =1.251km*0.4625mH/km 1.251km*18.5ohm/km

=0.025mH/ohm 因此该系统符合本安认证要求，请注意由公式可以看出，此值与电缆长度无关，仅与电缆特性有关，L /R 越大，就是电感量越大，电流上升就越慢，达到稳态的时间越长。因此在

电缆选型的时候，要先查看L /R 值与电源允许的L O

R O

值是否满

足要求。

2.3 串联本安回路的验证

在工程应用中，对于一些安放在高危区域或者高处不便于读取数据的变送器，通常做法就是在回路中串入一台现场电流表如图2所示，以便观察。

Hazardous Area

Cable A

Cable B

Non-Hazardous Area

Instrument

Marshaling Terminal

Local Indicator

Safety Device

图2 串入电流表的回路

根据IEC60079-14-2013中的16.2.4.3，如果系统中总的分布电感和电容同时大于1% L O 和1% C O ，则计算时L O 和C O 应取半值。判定逻辑见图3。

L i =0C i =0L i ≤1%×L o

C i ≤1%×C o

C o 与L o 取全值参与计算

C o 与L o 取半值参与计算

N

N N N

Y

Y

Y

Y

图3 判定逻辑

其中L i 和C i 为系统中的总的分布电感和电容值。如L i >1% L O 且C i >1% C O ，则2.1中的判定条件的4、5条应为：

（1）仪表最大等效电容C i +本安电缆分布电容C c ≤安全栅最大外部电容1/2C o ；

（2）仪表最大等效电感L i +本安电缆分布电感L c ≤安全栅

石油工程化 工 设 计 通 讯

Petroleum Engineering

Chemical Engineering Design Communications

·25·

第44卷第9期

2018年9月

最大外部电感1/2L o ；

2.4 不需要进行本安回路认证的仪表

符合GB3836.4-2010中5.7关于简单设备要求的仪表，不需要进行本安认证，如热电偶、热电阻等产生的电压不超过1.5V ，电流不超过100mA 和功率不超过25mV 的仪表，不需要进行本安认证，他们的特征是仪表内部的等效电感和电容均为零。不过需要注意的是，尽管这些设备本身产生的能量不足以点燃周围的危险气体，但是当他们与其他仪表仪器配合使用构成本安回路时，整个回路应满足本安认证条件，如热电偶加温度变送器等。3 影响本安回路性能的因素

3.1 本安电缆对于本安回路的影响

本安电缆作为信号传输的载体，对于整个本安回路的性能起到了决定性的作用，作为电缆重要参数的电阻值、分布电感值、分布电容值是否与输出电源相匹配将直接影响到防爆性能以及信号传输的稳定性。

3.2 接地对于本安回路的影响

本安防爆技术的原理是从限能入手，将回路中的电流和电压在一个安全的范围内，无论在正常工作或者发故障状态下产生的电火花和热效能都不足以点燃周围的危险气体。因此对故障状态下可能产生的能量要进行及时有效的泄放，防止危险的电流窜入到本安回路中，这就需要一个可靠有效的接地形式。

通常情况下仪表工作接地和仪表保护接地一定要和电气专业共用接地装置，采用与电气共用接地装置的方式，仪表专业不再规定也不需要规定接地电阻。接地装置由电气专业按照电气的有关规范设置，根据IEC60079.14中对于接地的要求，一般情况下，接地电阻为4ohm ，同时根据GB3836，仪表接地接入共用接地网的连接电阻阻值应不大于1ohm 。

3.3 安全栅选型对于本安回路的影响

安全栅是本安系统中的关联设备，它通过回路中的能量来确保整个回路的本质安全，因此选择合适、可靠的安全栅对于整个本安回路的安全起到决定性的作用。安全栅按照其结构不同，通常分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅。

3.3.1 齐纳式安全栅

3

R 1

R L

R 2

FU

本安端非本安端

非本安路

VS 1

VS 2

1

4

2

图4 齐纳式安全栅电路结构

图4所示为齐纳式安全栅典型的电路结构，它由三个关键部件组成，即限流电阻、限压二极管、快速熔断器。正常运行状态下，1、2端子之间的电压小于系统允许的最大电压，此时齐纳式二极管处于开路状态。当非本安端发生故障，1、2端子之间的电压高于系统允许的最大电压，齐纳式二极管将会被反向击穿，处于导通状态，这样就能保障处于本安端的3、4端子之间不会出现高电压，同时齐纳式二极管一旦导通，回路中的电流会急剧上升，熔断器会快速熔断，切断了流向现场的大电流。

齐纳式安全栅的优点是结构简单，价格相对便宜，缺点是：现场安装要求高，不便于施工和维护；由于齐纳式安全栅不具有隔离的功能，因此为了避免信号干扰影响系统的稳定性，来自危险区的现场仪表通常要选用带隔离功能的仪表。

3.3.2 隔离式安全栅

熔断器

限能回路

可靠隔离元件

电源供电

接现场设备

输出

图5 隔离式安全栅电路结构图5所示为隔离式安全栅的典型电路结构，对比齐纳式安

全栅我们可以看出有两点关键的改变，一是增加了一个耦合变压器，用来实现本安回路与非本安回路的有效隔离；二是输出与电源分离，增强了系统抗干扰能力，提高了系统运行的可靠性。隔离式安全栅的工作原理为，一方面由限压二极管及限流电阻组成的齐纳式限压限流电路，把通往非安全区的电压和电流在安全值之内，从而保证了系统的本质安全；另一方面电源经变压器隔离后得到直流电源，通过限压限流电路为现场仪表提供电源，同时接收现场仪表的反馈电流，通过电流互感器隔离后经解调放大器还原为直流信号，实现了电源及输入、输出信号的隔离与限能作用。

隔离式安全栅由于其结构特点，相对于齐纳式安全栅的优势也很明显，一是三方隔离的方式无需单独接地，给现场安装带来极大的便利；二是输出输出信号抗干扰能力更强，信号更加稳定，具有更强的信号处理能力。因此现在绝大部分工程实际应用均采用隔离式安全栅，齐纳式安全栅正在逐步退出工程应用的舞台。

3.3.3 安全参数的确定

在本文的2.1章节中，曾经提到了本安回路参数认证需要同时满足的五个条件，这里我们就要说明一下安全栅的这五个参数分别是如何确认的，具体步骤如下：

（1）最高输出电压U O 为GB3836.4标准规定，在正常工作和规定的故障条件下设备输出电压的最大值；

（2）最大输出电流I O 为最高输出电压下能获得的最大电流值；

（3）最大外部电容C O 的确定，如果最高输出电压为正常工况或一个故障条件下确定的，那么最大电容应该取1.5倍最大电压作用下不会产生点燃的电容值；如果最高输出电压为两个故障条件下确定的，那么最大电容应该取最大电压作用下不会产生点燃的电容值；

（4）最大外部电感L O 的确定，如果最高输出电流为正常工况或一个故障条件下确定的，那么最大电容应该取1.5倍最大电流作用下不会产生点燃的电感值；如果最高输出电流为两个故障条件下确定的，那么最大电感应该取最大电压作用下不会产生点燃的电感值；

（5）对于线性电路，最大功率P O =

U O *L O

4

。这些参数的认证，在某公司的海外项目中都要体现在本安回路计算书中一同提交给业主，如图6

所示。

图6 认证的参数

4 结束语

随着我国全面加入IECEx 体系，本安回路的参数要求越来越明确，本安防爆系统的设计要求也变得越来越严格。在以往的项目中，只要现场仪表为本安型仪表，安全栅为隔离式安全栅，电缆为本安型电缆，即默认此本安回路符合本安认证要求，但在某大型海外项目中，业主首次要求提供完整的本安计算书，逐个回路验证是否符合本安认证要求。因此可以说想要进一步与国际接轨，对于本安参数的认证必然要成为工程设计中不可缺少一项工作，尤其是在有长距离输送信号的需求的项目中，本安参数认证能更可以为电缆的选型提供完整的理论依据，本安回路计算不仅是为了迎合业主的要求，同时也为安全生产提供了更可靠的安全保障。

参考文献

[1] G B3836.1—2010 爆炸性环境 第一部分：设备 通用要求[S].

（下转第66页）

新材料与新技术

化 工 设 计 通 讯

New Material and New Technology

Chemical Engineering Design Communications

·66·

第44卷第9期

2018年9月

氯化氢为无色非可燃性气体，有极刺激气味，其极易溶于水，形成盐酸。接触氯化氢或盐酸可引起急性中毒。眼和皮肤接触可致化学性眼部灼伤和化学性皮肤灼伤。长期接触可引起慢性鼻炎、慢性支气管炎、牙齿酸蚀症及皮肤损害。1 实验部分

1.1 仪器25mL 的酸式滴定管。

1.2 试剂

氯化钠标准溶液：c （NaCl ）≈0.014 1mol/L ；银标准溶液：c （AgNO 3）≈0.014 1mol/L ，临用前用标定；酚酞指示剂；乙醇溶液：1+1；铬酸钾；溶液：c （HNO 3）≈0.1mol/L ；氢氧化钠吸收液：c （NaOH ）=0.10mol/L ；超纯水。

1.3 样品采集和保存

样品采集后用连接管密封吸收瓶，待测。采集的样品及全程序空白，应当天尽快测定，若不能及时测定，应于4℃以下冷藏、密封保存，48h 内完成分析测定。

1.4 试验方法

采样后，将两支吸收瓶中的样品溶液分别转入两个锥形瓶中，用少量水洗涤吸收瓶内壁，洗液并入对应的锥形瓶中。加入1滴酚酞指示剂，滴加溶液至红色消失；加入1.0mL 铬酸钾指示剂，在不断摇动锥形瓶的同时，用银标准溶液滴定，至产生不消失的但砖红色沉淀为止，记录两个锥形瓶中样品所消耗的银标准溶液的体积。

同时做实验室空白、全程序空白。2 结果

2.1 方法最低检出限

配置浓度为0.10mol/L 的氢氧化钠吸收液，分别移取两个50.0mL 氢氧化钠吸收空白液代替样品到锥形瓶，按照1.4的试验方法分析。平行测定8次，根据MDL=t （n -1，0.99）S （其中n =8；t =2.998）在采样体积为15L （标准状态下）的条件下，求出氯化氢方法检出限，由表1可知，测定结果满足方法《固定污染源废气 氯化氢的测定 银容量法》（HJ548—2016）

要求。

表1 空白测定8次结果（n=8）/mg·m -3

1

2

3

4

5

6

7

8

平均值

标准偏差

检出限0.69031.38060.69031.38060.00000.00001.38060.00000.69030.6391

2

2.2 精密度

对国家环境保护总站的标准样品进行7次重复测定，结果

如表2。

表2 标准样品的精密度和准确度实验测定结果

样品测量结果/mg ·L -1

平均值

/mg ·L -1

相对标准偏差

RSD%

标样浓度/mg ·L -1国家环境保护总站标准样品

116；115；114；117117；116；114

116

1.10%

112±5

结果表明，标准样品相对标准偏差为1.10%，小于5%，平行性好，精密度高。

2.3 准确度

对不同浓度国家环境保护总站的标准样品进行测定，结果如表3。

表3 标准样品的精密度和准确度实验测定结果

样品

测量结果/mg ·L -1

平均值/mg ·L -1

相对标准偏差

RSD%

标样浓度/mg ·L -1国家环境保护总站标准样品

68

69 1.0370±2.8691111

112±5（稀释10倍）

11

满足要求。3 结论

本次实验结果表明其方法准确度、精密度、检出限基本能满足相关要求，操作简单，试剂易得，《固定污染源废气 氯化氢的测定 银容量法》（HJ548—2016）方法可用。

参考文献

[1] 国家环境保护总局《空气和废气监测分析方法》[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2003：441.

摘　要：氯化氢被氢氧化钠吸收后，在中性条件下，以铬酸钾为指示剂，用银标准溶液滴定，生成氯化银沉淀，过量的银离子与铬酸钾指示剂反应生成浅砖红色铬酸银沉淀，指示滴定终点。

关键词：容量法；氯化氢；方法验证中图分类号：TQ534　　文献标志码：A 　　文章编号：1003–90（2018）09–0066–01

Determination of Hydrogen Chloride by Silver Nitrate Volumetric Method

Wang Qi-chun

Abstract ：Hydrogen chloride is absorbed by sodium hydroxide and titrated with silver nitrate standard solution under neutral conditions to titrate with a silver nitrate standard solution to produce a silver chloride precipitate.Excess silver ion reacts with potassium chromate indicator to form a light The brick red silver chromate precipitate indicates the end of the titration.

Key words ：volumetric method ；hydrogen chloride ；method validation 银容量法测定氯化氢的验证

王其春

（广西海洋环境监测中心站，广西北海 536000）

收稿日期：2018–06–05作者简介： 王其春（1988—），女，广西北海人，助理工程师，主要

研究方向为环境监测。

（上接第25页）

[2] G B3836.4—2010 爆炸性环境 第四部分 由本质安全型“i ”保护的

设备[S].[3] G B3836.15—2010 爆炸性气体环境用电气设备 第十五部分 危险场所电气安装（煤矿除外）[S].[4] G B3836.18—2010 爆炸性环境 第十八部分：本质安全系统[S].

[5] I EC 60079-14：2013 Explosive atmospheres Part14：Electrical

installations desigh ，selection and erection[S].[6] 李胜利.本安防爆系统设计中安全栅的选用[J].石油化工自动化，2000，1：6.[7] 王珍.本质安全仪表回路设计方法探讨[J].石油化工自动化，2009，4：29.