石油化工行业安全防爆等级 北京远东仪表有限公司 张洪垠 一 石油 化工行业特点石油 化工行业是国民经济的支柱产业, 在国民经济中起着举足轻重的作用, 与人们生活密切相关, 其产业链很大很长, 发展持续稳定, 是最广泛应用自动化仪表和 DCS PLC ESD 系统的主导行业之一 化工产品和装置类型繁多, 新产品 新工艺 新装置层出不穷, 我国有关企业超过 30000 多家 其行业可以进一步分为 : 石油炼制 天然气及产品深加工 ; 化工 化肥 轻工 轻纺 制药 造纸 ; 焦化 脱硫 污水处理 ; 精细化工 ; 盐化工 ; 煤化工 石油 化工生产过程分成连续性 交替性 间歇性, 基本机理是几种原料 ( 固 液 气 ) 进入装置进行化学反应, 经过体积 状态 热量过程转化, 控制一定的压力 温度 流量 液位 成分和时间, 生成 ( 转化 提炼 ) 所需产品 ( 中间产品 最终产品 主产品和副产品 ), 控制排放 回收 处理余气 余液等过程 按装置规模分为大型装置 中型装置 小型装置 ; 按生产设备有 : 动态设备和静态设备, 有高压设备和低中压设备, 有耐腐设备和一般设备, 例如 : 塔 罐 泵 阀 炉 反应器等 ; 石油 化工生产过程特点 : 原料 中间介质 生产装置和界区易燃易爆 有毒有害 腐蚀性强 高温高压 低温低压, 对仪表测量 过程控制与安全要求很严格, 自动化水平要求较高 其中防爆要求是石油 化工生产的一个显著特点 在石油 化工生产装置中, 爆炸场所按爆炸物的状态有气体爆炸危险场所和粉尘危险场所两大类 对危险场所的分类原则普遍是按爆炸物出现的频度 出现后持续时间长短和其危险程度的不同而进行划分 由于历史和各国技术发展情况不同, 对等级的划分各不相同 二 主要工业国家对危险场所划分规定目前, 以国际电工委员会 (IEC) 为代表的包括各主要工业国家对爆炸危险场所的划分基本上可以分为两种意见 表一是以 IEC 为代表的一批国家包括德国 意大利 日本 英 1
国 澳大利亚等国家, 按 IEC 出版物 79-10 和 1986 年 IEC 出版的第二版的规定, 划分是以爆炸性环境出现的频繁程度和持续时间划分为 0 区 1 区和 2 区 另一种意见为美国 加拿大一些北美国家的分类, 是没有 0 级 ( 区 ) 场所, 原苏联也与 IEC 不同, 没有 0 区的规定 IEC 把危险区划分为 : 0 区 指爆炸性气体混合物连续出现或长时间存在的场所 ( 1000 小时 / 年 ); 1 区 指正常情况下, 可能产生爆炸性气体混合物的场所 ( 10 小时 1000 小时 / 年 ); 2 区 指在正常运行时, 不可能产生爆炸性气体混合物, 如果产生也只是短时的场所 ( 10 小时 / 年 ) 并且规定, 上述各区的形成是由于在爆炸区中存在释放源 释放源是指可燃气体 蒸气或液体有可能释放到大气中会形成爆炸性混合物的某个点 IEC 把释放源按其频繁程度和持续时间分为连续级 第 1 级和第 2 级三个释放源等级, 并按各级释放源及通风状况来划分危险区等级 德国 VDE1065 爆炸危险场所电气设备安装 标准中规定, 爆炸危险场所的划分是按危险性爆炸气氛出现的概率来划分的 基本上和 IEC 的划分相一致 0 区 指危险性易爆气体经常或长时间存在的场所 ; 1 区 指危险性易爆气体偶然出现的场所 ; 2 区 指危险性易爆气体很少且短时间出现的场所 日本 RIIS-TR-85-1 新工厂电气设备防爆指针 中对危险场所的划分是根据爆炸性环境生成的频率和时间, 按危险程度分为 0 种 1 种和 2 种, 并指出危险场所不只是平面还应包括空间, 和 IEC 提出三度空间概念是一致的 0 种场所 在正常状态下, 连续地 长期地形成爆炸性环境的场所 长期是指长时间连续, 也包括短时间但经常反复出现 1 种场所 在正常状态下, 周期性地 经常地形成有爆炸环境的场所 2 种场所 指不正常情况下, 有可能形成爆炸性环境的场所 我国关于爆炸危险场所电气安全规程中, 对爆炸性危险场所的等级划分采用与 IEC 等效的方法 我国 GB50058-92 有关爆炸及火灾危险环境设计规范中规定, 爆炸性气体危险场所按其危险程度大小, 划分为 0 区 1 区和 2 区三个等级, 爆炸性粉尘或纤维的危险场所划分为 10 区和 11 区两个等级, 详见表二 表一 IEC 和各主要工业国家对爆炸危险场所的等级划分表 2
序号 国家或地区 规程或代号 1 IEC IEC 出版物 79-10 2 德国 VDE0165 德国工程师协会 3 法国 NFC 法国国家法规 4 意大利 CE131-1 5 英国 IP 英国石油学会 场所划分气体粉尘 0 区 1 区 2 区 0 区 10 区 1 区 2 区 11 区 E F G 0 区 1 区 2 区 0 区 1 区 2 区 6 日本 RIIS-TR-85-1 新工厂电气设备 防爆指南 0 种 1 种 2 种 爆炸性粉尘 可爆性粉尘 II 级 1 类 7 美国 NEC500 国家电气法规 加拿大标准协会 CSA 1 级 1 类 1 级 2 类 II 级 2 类 III 级 1 类 III 级 2 类 3
表二 中国对危险场所划分表 爆炸性物质 区域定义 区域划分 在正常情况下, 爆炸性气体混合物连续地或长时间存在的场所 0 区 在正常情况下, 爆炸性混合物有可能出现的场所 1 区气体 (I 级 ) 在正常情况下, 爆炸性混合物不可能出现, 仅在不正常情况下偶 2 区尔或短时间出现的场所 在正常情况下, 爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物可能连续粉尘或纤维 10 区地 短时间频繁地出现或长时间存在的场所 (II 级或 III 在正常情况下, 爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物不能出级 ) 11 区现, 仅在不正常情况下, 偶尔地或短时间出现的场所 三 本质安全型防爆设备特性本质安全型防爆仪表设备的技术是一种以抑制点火源为防爆手段的安全技术 它的显著特征是仪表设备及其连接的电缆所能释放出的电能和热能不可能导致爆炸性混合物的点燃 它与其他防爆型仪表 ( 如隔爆型仪表 正压型仪表 ) 相比, 有下列一些特点 : 仪表结构简单, 体积小, 重量轻, 制造成本低, 不需笨重的隔爆外壳 ; 防爆安全性能高, 适用范围广, 本安仪表是唯一可用于 0 区危险场所 ; 可在带电工况下进行维护和标定工作, 可使现场人员避免发生触电伤亡事故发生 由此可见, 本安设备是一种比较理想的防爆型仪表 本安型防爆仪表的特征本安型防爆仪表和其关联设备组成的电路, 在规定的试验条件下, 正常工作或故障状态下所产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物的电路称为具有本安电路特性的仪表系统 这里, 需要强调说明的是本质安全电气设备 ( 包括仪表 ) 系在爆炸性气体的危险环境中使用 中国和美国的标准规定在这方面是不相同的 美国在 NEC 和 FM-3610(Factory Matual Research Corporation 美国工厂联研会 ) 标准中规定 : 本安型电气设备可以用于爆炸性气体危险场所 (Class I), 也可适用于爆炸性粉尘 (Class II) 和爆炸性纤维 (Class III) 的危险场所 但我国 GB 3836.4 83 规定 : 本安型电气设备只适用于爆炸性气体危险场所, 不能由于爆炸性粉尘和纤维的危险场所 我国规定用于爆炸性粉尘和纤维的危险场所的仪表必须按照 GB 12476.1 90 爆炸性粉尘和纤维环境用防爆电气设备 标准设计和制造 本质安全设计的基本目标 : 限制电压限制电流限制贮存的电能 4
本质安全系统是指一个由设备和连接导线组的系统, 其中系统中任何一部分的电火花或 热效应都不会导致危险场所的爆炸 本质安全系统 认证的危险 场所设备 认证的安全 场所设备 危险场所 安全场所 关联设备关联设备是与本安型防爆仪表紧密相关的一种设备, 其设备本身电路并不一定是本质安全的, 但是它能影响本安电路中的能量, 常被用来保持电路的本质安全性能 本质安全型仪表系统通常由本安型仪表 关联设备和连接电缆三者构成 安全栅是本质安全防爆仪表系统中最常用的关联设备, 它连接在本安电路与非本安电路 5
之间, 其作用是限制电流和限制电压, 不使危险能量窜到本安电路中去, 以确保本质安全电路的安全性能 安全栅有齐纳式 晶体管式 变压器隔离式和光电隔离式多种, 现分述如下 : 齐纳式安全栅齐纳式安全栅通常由本安端限制输出电流的限流电阻和限制输出的限压 稳压齐纳二级管和保护元件 ( 快速熔断器 限流电阻 ) 组成 保护元件又分为电阻式和熔断器两种 1 电阻保护式安全栅 2 熔断器保护式安全栅 变压器隔离式安全栅这种安全栅的基本原理是变压器隔离作用, 本安回路和非本安回路之间没有直接联系, 而是通过变压器偶合 但通向本安回路端还需要有齐纳式或晶体管式安全栅的限压 限流电路, 以保证本安端的安全性 另外, 过程控制系统一般都用直流电流作为传输信号, 因此在通向变压器之前, 必须将直流信号转行成交流信号, 而通过变压器后, 再把交流信号转化成直流信号输出 所以变压器式隔离安全栅, 线路复杂, 成本高, 但通用性强, 可靠性高是其优点 变压器隔离式安全栅根据要求可分为检测端安全栅和操作端安全栅两种 1 检测端安全栅检测端安全栅与本安型两线制变送器配套使用 它的作用是向变送器供电, 同时, 把变送器输出的直流 4~20mA 信号转换成与它隔离的直流 4~20mA 电流信号或直流 1~5V 电压信号输出 2 操作端安全栅操作端安全栅与本安型电 / 气转换器或电 / 气阀门定位器配套使用 它的作用是向电 / 气转换器或电 / 气阀门定位器供电, 同时, 将调节器输出的 4~20mA 直流信号进行隔离变换后再输出 4~20mA 直流电流信号, 送至电 / 气转换器或电 / 气阀门定位器 本安系统等级 本质安全设备与其关联设备组成的本安系统, 按本安电路使用的场所和安全程度可分为 6
Exia 和 Exib 两个等级 Exia 等级 : 在正常工况下发生 1 个故障和 2 个故障时, 不能点燃爆炸性气体混合物的仪表设备为 ia 等级 关于安全系数, 根据 GB 3836.4 标准规定, 正常工作为 2.0, 1 个故障为 1.5,2 个故障为 1.0 正常工况下会发生火花的接点, 使用时应有隔爆壳体 气密壳体或提高安全系数的措施 Exib 等级 : 在正常工况下和发生 1 个故障时, 不能点燃爆炸性气体混合物的仪表设备为 ib 等级 关于安全系数, 根据 GB 3836.4 标准规定, 正常工作为 2.0, 1 个故障为 1.5 正常工况下会发生火花的接点, 如加隔爆壳体或气密壳体后, 仍有故障显示措施,1 个故障的安全系数可减为 1.0 关于故障的定义规定如下 : 凡是电路中有 1 个元件损坏即为 1 个故障 如果由于该损坏的元件而引起电路参数改变并导致其它元件损坏都视为 1 个故障 2 个元件均单独损坏并导致一系列损坏可视为 2 个故障 因此, 可以这样认为 :Exia 等级的仪表设备的安全程度要高于 Exib 等级 在防爆区域选用仪表设备的等级时, 通常是按使用场所的爆炸危险程度 安装位置和维护周期等几个 7
要求来决定 如果仪表设备是用于爆炸危险程度较高的场所, 即处于爆炸危险混合物长期存 在或周期性泄放的 0 类场所或者是仪表设备的安装位置不易维护的地方, 这些情况都应选择 Exia 等级的仪表设备 如果不是上述情况, 则可选择 Exib 等级的仪表设备 8