本质安全型与隔爆型防爆仪表应用研究

顾钟钰

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

本质安全型与隔爆型防爆仪表应用研究

顾钟钰

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

从安全生产的角度出发，爆炸性环境下电动（电子式）仪表设备选用必须考虑防爆要求。文章从防爆原理切入，研究化工装置中爆炸性气体环境下常用的本质安全型与隔爆型仪表区别，以及根据实际情况选择合适的防爆仪表类型。

爆炸性环境；防爆；本质安全型；隔爆型

在化工装置的设计过程中，经常涉及在爆炸性环境中进行防爆仪表设备类型的选择。各种防爆类型的原理与适用范围不尽相同，如何选择一种适用的防爆类型或者多种防爆类型配合使用显得至关重要。本文将侧重对爆炸性气体环境下常用的本质安全型与隔爆型防爆仪表在不同方面的差异进行分析比较，并举例说明实际应用上的考虑。

1 爆炸性环境与防爆

爆炸性环境指的是在大气条件下，可燃性物质以气体、蒸汽、薄雾状、粉尘、纤维或飞絮的形式与空气形成混合物，被点燃后，能够保持燃烧自行传播的环境[1]。

根据爆炸性环境的定义，我们能很清楚地了解到爆炸形成的三要素分别为：可燃性物质（以气体、蒸汽、粉尘、薄雾、纤维或飞絮的形式存在的可燃性物质）、氧气（重要的氧化剂，空气中标准氧含量体积比21 %）和点燃源（一般工业环境中不同设备类型出现的热表面、机械火花、铝热反应、电弧、静电放电、电气火花和雷电火花等）。爆炸性气体或粉尘等与空气的混合物对于引起爆炸的敏感性与引爆的火花能量及本身的引燃温度有关，能引起爆炸的火花能量越低，则该物质越容易爆炸；可燃性气体或可燃性粉尘云/可燃性粉尘层的最低引燃温度越低，则该物质越容易爆炸。

化工装置中防爆仪表设备一般应用于爆炸性气体环境和爆炸性粉尘环境，各种适用的防爆结构见表1。

表1 仪表设备防爆结构分类Tab.1 Instrumentation explosion proof type

根据不同危险场所分区，以上不同防爆结构仪表设备有其适用性。具体参见 GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》。

2 本质安全型和隔爆型仪表比较

在爆炸性气体环境中，通常选用的防爆仪表类型有本质安全型和隔爆型。那么这两种防爆类型的仪表有什么差别与不同呢？

2.1 本质安全型和隔爆型仪表原理

本质安全型仪表设备是指将设备内部和暴露于潜在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平。隔爆型仪表设备是指其外壳能够承受通过外壳任何结合面或间隙进入外壳内部的爆炸性混合物在内部爆炸而不损坏，并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性气体环境的点燃[2]。

从上述本质安全型与隔爆型的定义上看，不难看出这两种防爆类型从原理上看就有很大的不同。本质安全型是一种“主动的”防爆原理，他通过限制回路中的“能量”，也就是相当于限制了爆炸三要素之一的点燃源，从根本上杜绝爆炸的发生。隔爆型是一种“被动的”防爆原理，他实际上就是要设计一个符合标准规定的机械外壳，使该外壳能够承受内部爆炸性混合物的爆炸压力，并能阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性混合物传播。隔爆型仪表是允许“爆炸”的发生，只是“爆炸”的发生是限制在一定范围之内的“仪表内部”。

2.2 本质安全型和隔爆型仪表构成

2.2.1 本质安全型

本质安全型防爆，是一个“回路”的概念。本质安全防爆系统一般由三部分组成：现场本质安全仪表、关联设备及电缆。在实际应用中关联设备主要是指安全栅，包括齐纳式安全栅和隔离式安全栅。系统回路以安全栅为界，分为本质安全电路和非本质安全电路。从安全栅通过本质安全电缆连接到现场仪表所构成的电路为本质安全电路；从安全栅到DCS以及到供电电源的电路为非本质安全电路。

根据本质安全电路所能承受的计数故障数量上的不同，本质安全可以分为“ia”、 “ib”、 “ic”三个保护等级。“ia”是指在正常工作和施加两个计数故障加上最不利条件下的非计数故障，本质安全的电路不能引起点燃。 “ib”是指在正常工作和施加一个计数故障加上最不利条件下的非计数故障，本质安全的电路不能引起点燃。“ic”是指在正常工作情况下，本质安全电路不能引起点燃。在本质安全回路中，现场仪表及关联设备一般都需要具备单独本质安全认证，简单设备，如热电偶等非储能设备除外（与之配套的接线盒和接线端子等还须有相应认证）。整个本质安全回路等级不高于在回路中现场仪表或者关联设备的最低等级认证。如现场仪表本质安全认证为”ia”，但是安全栅本质安全认证为“ib”，此时本质安全回路只能按“ib” 进行设计。

2.2.2 隔爆型

隔爆型防爆，是一个“点”的概念，只需要考虑在该仪表设备的隔爆外壳防爆认证满足该区域的防爆要求。在危险区域1、2区，具有隔爆外壳防爆认证的设备是可以使用的。但是在危险区域0区，假如该仪表设备只具有隔爆外壳认证则不能使用。

2.3 本质安全型与隔爆型仪表实现

2.3.1 本质安全型

本质安全型仪表的防爆构成是“回路”的概念，所以在工程设计过程中还应进行参数验证，需要经过“本质安全回路计算”，根据计算结果判定该回路是否满足本质安全型防爆要求。

本质安全回路计算中参数分两部分，现场本质安全设备的整体参数和关联设备的整体参数[3]。

（1）本质安全设备的整体参数：

Ui—本质安全仪表允许输入的最大故障电压；

Ii—本质安全仪表允许输入的最大故障电流；

Pi—本质安全仪表允许输入的最大故障功率；

Li—本质安全仪表等效电感；

Ci—本质安全仪表等效电容。

（2）关联设备的整体参数：

Um—安全栅允许的非本质安全端输入的最高电压；

Uo—安全栅可能的最高电压，即安全限压值；

Io—安全栅可能输出的最大电流，即安全电流；

Po—安全栅可能输出的最大功率；

Co—安全栅允许的最大回路电容；

Lo—安全栅允许的最大回路电感；

Cc—本质安全仪表与安全栅的连接电缆的分布电容；

Lc—本质安全仪表与安全栅的连接电缆的分布电感。

（3）本质安全回路计算公式如下：

Ui≥ Uo

Ii≥ Io

Pi≥ Po

Li+ Lc≤Lo

Ci+ Cc≤Co

上述公式成立时，即可以认为该回路满足本质安全型防爆要求。

（4）本质安全电缆的选择与敷设。

本质安全电缆对分布电容、分布电感均有要求，目的是限制电缆中的储能（电缆也是储能元件）[4]。本质安全回路均采用本质安全电缆。实际应用中，本质安全电缆和非本质安全电缆需分开敷设，在汇线槽中需采用隔板与普通电缆隔开或在独立的汇线槽中敷设。本质安全电缆的护套颜色为浅蓝色，是国际通用标准，便于维护区分。理论上本质安全回路用接线箱采用普通型即可，蓝色涂装的接线箱一般是为了便于与非防爆类型或其他防爆类型的接线箱进行区分，方便日常进行维护。

2.3.2 隔爆型

隔爆型防爆比本质安全型防爆实现起来相对比较简单，只需考虑爆炸危险区域内的仪表设备满足防爆等级要求就可以了。选用的电缆为普通电缆，不需要额外考虑其分布的电容、电感等参数。

如前所述，隔爆型特点是“被动”型，允许爆炸在仪表设备外壳内部发生，但是由于“间隙”足够的小，从而避免了隔爆仪表外壳外的爆炸性气体混合物被点燃。所以隔爆型仪表设备外壳的设计需要具备如下两个条件：

（1）外壳机械强度条件，即外壳具有足够的强度，能够承受内部的爆炸压力而不损坏，且不产生影响爆炸性能的永久变形。

（2）控制结合面间隙不传爆条件，即外壳结合面具有足够小的间隙和足够长的啮合长度，内部的爆炸产物（炙热火焰或颗粒）不会窜出外壳并点燃周围环境中的爆炸性气体混合物。

此外，隔爆型仪表的电缆引入装置需要考虑采用相同的隔爆认证，并且在外壳上构成符合规定的结合面宽度和间隙，以达到整体隔爆的要求。

2.4 本质安全型与隔爆型仪表维护

本质安全型仪表设备维护相对比较简单，只要在本质安全回路整体功能保持健康的情况下，允许在带电情况下进行仪表设备的维护，因为带电维护不会破坏整个回路的限能特性。这一特点对于一般位于爆炸危险区域的化工装置来说是极为方便的，维护工作可以在不影响正常生产的情况下进行。

隔爆型仪表设备维护就必须在完全断电情况下进行，因为一旦打开了外壳，他的防爆保护机制就完全失效了，如果此时仪表设备周围的爆炸性气体混合物达到一定浓度，而且仪表内部可能释放的能量又足以将其点燃，引起爆炸的风险相当大。

2.5 本质安全型与隔爆型仪表应用

在一般过程控制回路中，本质安全型仪表设备由于采用限能型的防爆原理，从根本上杜绝了爆炸发生的可能性，在本质安全回路不失效的情况下，不会产生爆炸，控制回路不会因此产生影响。由于隔爆型仪表设备是“被动”的防爆原理，允许爆炸发生在外壳内部。爆炸发生后其内部电子元器件必然有损坏，从而会引起仪表设备测量值的失效，偏离控制设点值，进而导致该控制回路失效。如果一定时间内该控制回路失效引起的操作员报警未得到响应，就可能会触发安全仪表系统，引起装置停车，造成因停车产生的损失。

随着对于安全、环境及健康的越来越重视，安全仪表系统的运用越来越广泛。在有防爆要求的爆炸危险性区域，安全仪表系统的防爆类型选择显得尤为重要。本质安全型仪表尽管能避免爆炸的发生，但是运用在安全仪表系统中，现场测量仪表与现场执行机构分别需要配置一个关联的本质安全型安全栅，会因此提高安全仪表系统的失效率。实际应用时可以考虑SIL 3 认证的高可靠性安全栅，以降低其失效率。在安全仪表系统中运用隔爆型仪表，如果现场仪表没有采用冗余配置，爆炸后，现场仪表失效，会引起安全仪表系统停车联锁。在安全仪表回路等级要求高的工况条件下，为了最大可能地避免安全仪表系统停车联锁，现场隔爆型仪表设备一般选用冗余配置，这样能有效规避单台仪表设备失效造成的安全仪表系统停车联锁，又能减少现场仪表失效概率。但是在安全仪表系统中，采用冗余配置的隔爆型仪表设备一般费用较其他类型防爆仪表设备高。所以在实际应用中，需综合考虑可靠性与经济性。

3 选型分析举例

3.1 工程设计中电磁阀防爆类型选择

在化工装置设计过程中，电磁阀的运用相当广泛。 笔者将以电磁阀防爆类型的选择为例，比较本质安全防爆类型与隔爆型在应用上的差异。

常用的防爆型电磁阀一般有两种形式：本质安全型与隔爆型，当设计的装置防爆区域划分在0 区应用时，则只有本质安全型电磁阀适用。在1、2区应用时，本质安全型与隔爆型电磁阀均适用，但是在选型的时候需要注意以下几点：

（1）由于防爆原理不同，在相同工况下，本质安全型电磁阀（见图1）功耗一般比隔爆型电磁阀（见图2）低。 根据某品牌电磁阀技术参数显示，常用的隔爆电磁阀功率最低能做到0.8 W 左右，常用的本质安全型电磁阀功率最低为0.25 W 左右， 在现有技术条件下本质安全电磁阀最低功耗可以低至6.3 mW。由于本质安全电磁阀功耗比隔爆型电磁阀低，所以电缆上的电压降也相对较低。有些生产装置区域离控制系统机柜比较远，如大型罐区，此时如果选用隔爆类型的电磁阀，则电缆的线径一般较选用本质安全型电磁阀外径要粗。

（2）由于在防爆功能上实现不同，隔爆型的电磁阀一般为金属外壳，如不锈钢或者铝制外壳，体积相对比较大，重量比较重，同时需要相同隔爆类型的金属电缆密封接头配合使用。 本质安全型电磁阀一般结构比较紧凑，重量比较轻，在条件允许时还可以使用满足防水防尘要求的非金属电缆密封接头，从这个角度而言，本质安全型电磁阀更具经济性。

（3）本质安全型电磁阀允许带电检维护，隔爆型电磁阀则必须在断电情况下进行维护。所以根据装置的特点，如果在电磁阀平时动作频率高，检维修频率比较高的场合，本质安全型电磁阀则更具优势。

（4）在本质安全电磁阀使用上需要特别注意，由于本质安全型电磁阀工作电流小，可能会受到电磁干扰的影响，从而造成误动作。所以在现场施工时，一定要严格遵循现场电缆敷设规范。

图1 本质安全型电磁阀Fig.1 Intrinsical safety solenoid valve

图2 隔爆型电磁阀Fig.2 Flameproof solenoid valve

3.2 工程设计中四线制仪表防爆类型选择

在进行工程设计的时候，我们经常会用到四线制的仪表，如四线制的质量流量计等。由于这类仪表需要额外的供电，对于仪表整体来说不能完全满足本质安全防爆的限能要求，所以不能取得整体本质安全防爆认证。在实际应用中，一般采用混合型的防爆解决方案。 如图3、4所示，展示了一台某品牌质量流量计的内部接线原理图及实物开盖图。

图3 内部接线原理图Fig.3 Internal cable connection

图4 质量流量计开盖图Fig.4 Mass flowmeter drawings

它们的信号单元与电源供电模块是完全分开，信号单元采用本质安全防爆类型，供电模块采用隔爆型防爆类型。为了分别满足本质安全与隔爆不同的防爆类型对于检修的不同要求，质量流量计的腔体可以在正常带电情况下打开，进行信号电缆的检修。但是如果需要对供电部分接线进行检修，则必须在断电情况下，才能打开仪表腔体内部隔爆结构的供电模块。

4 结束语

防爆型仪表的各种防爆形式各有特点，防爆的机理也不尽相同，这就需要我们在选型过程中，根据现场的实际情况，选择一种合适的防爆形式或者多种防爆形式配套使用，只有这样才能使我们的仪表设备在爆炸性环境中安全可靠高效地运行。

[1]GB 50058—2014 ，爆炸危险环境电力装置设计规范[S].

[2]GB 3836.1—2010 ，爆炸性环境 第1部分 设备 通用要求[S].

[3]崔巍，孙式伟，朱迎春.仪表本安防爆技术及其在化工现场的应用[J].可编程控制器与工厂自动化（PLC FA） 2006（3）：139-141.

[4]陆德民， 石油化工自动控制设计手册（第三版）[M].北京：化学工业出版社，2000.

封一介绍

中石化上海工程有限公司

中石化上海工程有限公司（原“中国石化集团上海工程有限公司”，英文简称SSEC）创建于1953年，曾用名“上海医药设计院”、“中国石化集团上海医药工业设计院”等，是国内最早从事石油化工、医药、化工工程设计和总承包的大型综合性工程公司之一。

中石化上海工程有限公司的主要业务领域分为三大类：一是石化、化纤、炼油化工等；二是医药化工和生物能源化工等；三是环保、电子、轻纺食品、天然气储运工程等。服务范围覆盖工程项目的规划咨询、项目建议书、可行性研究和基础工程设计、详细工程设计，以及工程采购、工程总承包、工程项目管理、技术开发等。

中石化上海工程有限公司现持有国家住房与城乡建设部颁发的“工程设计综合甲级资质”证书，可承接化工石化医药、石油天然气、商物粮、轻纺、建筑、冶金、电子通信广电、市政等21个行业的工程设计和工程总承包业务，公司还持有环境评价、工程咨询、工程造价、压力容器、压力管道等多项甲级设计资质和建筑业企业贰级资质证书。公司取得了ISO 9001质量管理体系认证证书和ISO 14001、OHSAS 18001、HSE管理体系认证证书，拥有多项专利技术，建立了先进的万兆以太计算机办公网络，主办出版《化工与医药工程》、《化工设备与管道》两种技术刊物。

中石化上海工程有限公司拥有一支技术精湛的工程技术队伍，在1 300多名员工中80 %以上是从事工程设计和服务的工程技术人员，其中，有设计大师9名，高、中级职称人员700多人，各类执业资格人员300多人。

六十年来，中石化上海工程有限公司已完成国内外各类工程项目6 000多项，荣获国家、部、省（市）级优秀工程咨询、工程设计、工程总承包、项目管理、科技进步奖等各类奖项400多项，其中包括一大批代表我国化工、石化、医药等领域先进水平的重点工程项目。

多年来，中石化上海工程有限公司保持与国际石油化工、医药行业巨头合作，并提供工程设计和项目管理服务；与许多国际著名工程公司建立了紧密合作关系，共同承担了一系列国内外重大工程项目，赢得了良好的赞誉和知名度。

Application Study of Intrinsic Safety and Flame-proof Instruments

Gu Zhongyu
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd.Shanghai, 200120）

From the view point of safe production, in the selection of electric (electronic) instruments which are applied in explosive environment, the requirements for explosion proof shall be taken into account.In this article, based on the principles of explosion protection, the differences between intrinsic safety instruments and frame proof instruments which are commonly used in explosive gas condition in chemical plant were studied.And the selection of appropriate explosion proof instrument on the basis of practice was also discussed.

explosion condition； explosion proof； intrinsic safety； flame proof

TQ 056.1

：A

：2095-817X（2015）03-0037-005

2015-04-01

顾钟钰（1982—）， 男， 工程师，从事石油化工和化工工程控制及仪表设计工作。