正压防爆技术在自控设备中的应用

2012-07-26朱国英

自动化仪表 2012年5期

关键词：爆炸性键盘电气设备

朱国英

(上海工业自动化仪表研究院，上海 200233)

0 引言

随着IT技术的发展，自动化控制系统的应用范围更加广泛。石化、煤矿、医药、海上钻油平台等高危产业的发展也依赖自控系统的安全投入。

在石油化工等危险场合的自控系统设备中，为更好地发挥整个控制系统的安全性、高效性和经济性，选择适用的防爆型式非常重要。正压防爆技术可适用于石化等危险行业。在含有爆炸性气体的环境下，自动化控制应用较多的是防爆控制盘(台、柜)等大容积设备。

1 防爆技术原理

在爆炸性环境中，点火源、可燃物质和助燃剂(空气)是燃烧爆炸的三要素。当这三个要素同时存在，且在爆炸性物质与空气的混合浓度处于爆炸极限范围内时，就不可避免地发生爆炸。

电气设备的防爆技术措施是设法排除爆炸三要素中的一个或多个要素，使产生爆炸的三要素不同时存在，将危险降到最小的可控程度。根据这个原理并参照国际化的防爆标准文本，我国的爆炸性气体环境下的防爆型式已形成隔爆型d、增安型e、本质安全型ia或ib、正压型p、充油型o、充沙型q、无火花型n和浇封型m八大类，它们有各自的防爆特点和适用场合。

对于易燃物质，首先将其所处危险环境即爆炸性粉尘环境(I类环境)与爆炸性气体环境(II类环境)区分开来。这两类环境又分别分成三个区［1－2］，具体介绍如下。

①就爆炸性气体环境来说，其危险区域分成的三个区为0区、1区和2区。在爆炸性气体环境中，将易燃爆炸气体的混合物的级别分为两类:I类为煤矿井下甲烷，II类为工厂用气体、蒸汽、薄雾(细分成IIA、IIB、IIC 三级)。温度组别分为 T1～T6六组［3］。依据易燃物质的特性和各防爆型式的特点，以及防爆电气设备的安全可行性、环境适应性、经济合理性和可维护性的选型原则，工程人员选择适用的防爆电气设备，通过正确安装、使用、维护来满足危险工况的生产需要。

②对于爆炸性粉尘环境而言，由于炸药类粉尘爆炸威力很大，电气设备必须具有相当的强度才不致被破坏。因此，该环境下选用的电气设备以及设计需要符合GB 12476.1-2000粉尘防爆电气设备国家标准。

2 正压型防爆的设计

正压型防爆是将危险物质与点火源隔开的一种防爆方法，适用于1区与2区的危险场所，多用于内部元件易维修的设备或大型电气设备，或用于自燃点为T4、T5温度组别对象且很难制成其他防爆结构型式的电气设备。

正压型电气设备的防爆原理是保证内部保护气体的压力高于周围，以免爆炸性混合物进入外壳，或避免足量的保护气体通过外壳使内部爆炸性混合物的浓度降至爆炸下限以下［4］。外壳内部的爆炸环境通过换气变为“安全区域”并保持内部正压，这样普通电气设备就可安装在外壳内，待正压建立并成为正压防爆设备后实现控制设备的各项预定功能。

2.1 正压防爆的型式

设备内的正压分为三种不同形式，即在系统内部具有稀释气流正压(连续通风型正压)、泄漏补偿正压和静态正压，它们都以限制可燃性混合物进入外壳内部为目的。

这三种正压形式都需要在设备启动前用保护气体对外壳进行冲洗，带走设备内部非正压状态时进入外壳内的可燃性气体，防止在外壳内形成可燃性混合物。同时，这三种形式必须具有监测系统，并进行定时换气，以保证系统的可靠性。正压腔体换气时的保护气体必须排放到安全场所，如果排放在危险场所，必须放置阻挡火花或炽热颗粒的阻火器。

连续通风型正压防爆对壳内存有发热元器件或大功率发热部件比较合适，但它的耗气量是同样规格的补偿式正压防爆的几十倍甚至百倍。

补偿式正压防爆在自控设备中应用较为广泛，在一般情况下，它的电气设备内部不能有影响安全的通风死角。在正常运行时，出风口的风压或充气气压不得低于一定的数值，否则将立刻发出报警或切断电源。

目前，正压保护的防爆型式细分为三种型式，即Px、Py 和 Pz［5］。依据 Px、Py 和 Pz三种防爆型式及安全装置等的设计准则，可细化正压型结构的设计。

2.2 正压防爆设备的构成

正压防爆设备由壳体和正压保护系统两部分组成。壳体分主副两腔。主腔的密封结构按技术要求须大于防护等级IP40，用于安装非防爆仪表和器件等;副腔为非密封结构，用于安装正压控制单元及监测元件。主副腔在自控设备的防爆盘(台、柜)中有着较为广泛的应用。

2.2.1 正压型控制盘(柜、台)的形式

正压型控制柜的形式有主副分体型、主副一体型和副箱侧挂型三类，正压型控制台的形式有主副一体型和副箱侧挂型两类，其示意图如图1、图2所示。

主副分体正压型控制盘(柜)用于控制电气元器件较多的场合;而主副一体正压型控制盘(柜、台)可用于控制电气元器件相对较少的场合，产品结构紧凑;副箱侧挂型的正压控制盘(柜、台)兼有主副分体式的特点且占有空间少，有利于用户按现场情况选用。按三种防爆型式设计要求，可选“Px”或“Py”型应用于爆炸性气体混合物的1区危险场所;对于爆炸性气体混合物的2区危险场所，可选用“Pz”型。主副分体正压型控制盘(柜)与主副一体正压型控制盘(柜、台)，其主副腔之间所有电气信号必须依据电缆规格及数量，通过板上安装的大小适宜的防护等级为IP65的防护电缆接头接入。

2.2.2 正压控制盘(柜、台)的密封处理

正压主腔的密封技术是补偿型正压控制设备的关键设计点之一。由于盘(柜、台)主腔内部需用空气或惰性气体换气并最终保持一定的压力，对主腔壳体的防护要求≥IP55。这样有利于正压控制，同时，可以降低设备的运行成本，兼顾设备放置户外的防尘、防潮和防水要求。

基于上述要求，需解决正压腔的密封可靠性问题，开启是否符合安全设计要求，并考虑密封条在腐蚀性环境及恶劣气候条件下的防腐、老化等问题，以提高防爆自控设备在危险环境和恶劣气侯条件下的使用性能。由于采用了M型硅橡胶密封条及发泡海绵二合一的密封方法，因此，在门的非铰链侧配上门锁和专用锁紧螺钉组，较好地解决了正压壳体的密封问题。在正压主腔失压断电后，打开门锁和专用锁紧的螺钉组的过程有利于泄压，符合正压防爆盘(台、柜)的安全设计要求。

当正压主腔内安装的发热元器件需散热时，可采用以压缩空气为能量制冷的专用屏柜制冷器。使用过程中，按腔体的容积选用需要的制冷量，通过排出热空气来解决元器件的散热，并且须在标牌上注明在断电后等待的时间，以确保打开门时主腔内发热电气部件温度降至正压柜允许最高表面温度所需的时间。

对于要设置观察窗口的主腔，须满足相关设计要求并能承受标准规定的冲击试验。如果盘面上有临时需要操作的仪表或记录仪，应在盘面上增加该表计的防护窗，其防护等级不低于IP54。

2.2.3 正压保护单元

正压保护单元是实现控制设备(主腔内)正压的关键，它有电气型控制和气动型控制两大类。

电气型控制应在危险场合下关、合，容易产生火花，须将电气型正压保护单元的电控部分做成隔爆型的防爆腔体，并按隔爆型的防爆标准要求设计、制造和安装。其电气性能按所需控制要求设计。

气动型控制的正压单元由延时计时器、过滤减压阀、气缸、精密减压阀、换向阀、压力表、放大器、节流阀和单气控阀等气动元件以及防爆主令控制器组成。

通过气动控制回路的设计，使正压控制系统具有以下功能:①在主腔内自动换气结束后，当壳内压力高于设计规定值50 Pa时，主腔壳内部电气设备自动通电，直至壳内气压＞200 Pa时停止供气，压力保持在(200±30)Pa，成为安全环境;② 当壳内压力＜100 Pa时，正压控制单元又启动供气，使壳内正压保持在安全环境下;③当壳内压力＜50 Pa时，因主电源与压力控制器已互锁联动，其自动断电，确保该工况防爆设备的使用安全。

由于2区危险区域约占整个危险区域的70%，并且鉴于“失压断电”的缺点，根据IEC正制定只适用2区危险场所的简易正压防爆标准的要求，简易正压防爆盘(柜、台)在壳内没有安装大功率器件的情况下，其正压保护电气件可与其他电气设备分(合)安装在一个腔体，从而实现低压声光报警而不必断电的简易正压保护控制。

基于上述正压型防爆设备的设计特点，它在石化、天燃气、医药等危险场合的自控设备中有着较为广泛的应用。实践证明，正压型防爆技术非常适合满足大容积的自控设备在危险工况中对安全性生产和经济性方面的需求。

3 正压技术和本安防爆

随着IT的发展，危险场合中的自控系统控制盘(台)不仅须选用正压防爆，同时对操作键盘的选用和安装都有严格的要求，实际应用中有如下要求。

3.1 本安要求

在控制系统中，若操作键盘放在非正压腔内，为满足现场工作需要，须选用本安防爆键盘。在石化企业中，正压防爆操作台采用了本安的防爆操作键盘，其型号为TA-9702，防爆等级为Ex iaⅡ CT6，关联设备的型号为EI-9702，防爆等级为Ex iaⅡ C。选用本安设备必须按本安防爆技术的连接要求进行［6］。

3.2 关联设备的安装

根据本安防爆技术要求，关联设备须安装在安全区域即正压腔(主腔)内方可使用。关联设备只能用于连接检验机构认可的本安防爆键盘。

3.3 本安防爆键盘的安装

本安防爆键盘通过关联设备与PC机连接方可投入使用，它们之间的电气连接有严格要求。本安防爆键盘的连接如图3所示。

图3 本安防爆键盘连接示意图Fig.3 Connection of intrinsically safe keyboard

3.4 关联设备的接地

关联设备必须结合爆炸危险场所的地电位平衡系统方可使用［7－8］。端子(绿色)提供用于与地电位平衡系统的导线连接，其导线截面积不得小于1.5 mm2。设备连接后必须确保不同的平衡系统间的平衡电流不互串。为防止这一现象的发生，可采取以下两种实施方法:①现场已建立地电位平衡系统的，可直接将关联设备的接地点连接到外壳接地位置;②现场若没有建立地电位平衡系统的，则应将关联设备的接地点连接到安全场所的地电位上。

应注意的是，当键盘和关联设备损坏需要更换时，更换后的键盘和关联设备必须与使用的型号、防爆标志一致。

由于各防爆型式在适用性方面的差异，实际应用中可采用不同的防爆型式组成复合防爆型式，此时需要根据其各自的技术规范要求做好接口的衔接，才能确保防爆控制设备的安全适用性。

当然，随着经济的发展，产品的种类也在不断地细化，目前已有防护等级IP65的金属键盘。若选用该类型的键盘，并处理好与正压主腔体的密封问题，使之成为正压腔的一部分，则其适用性和经济性就会有很大的提高。