安全柵在化工安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、安全柵在化工安全生產(chǎn)中的應(yīng)用摘要：簡要介紹了安全柵的分類、工作原理、在化工安全生產(chǎn)中的應(yīng)用及注意事項。Abstract;:Briefly introduced the classification of security gate, working principle, the application in chemical production safety and the matters needing attention.關(guān)鍵詞：安全柵；本質(zhì)安全；爆炸國家石油化學(xué)工業(yè)的高速發(fā)展為企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟效益與社會效益的同時，各種安全隱患及事故也隨之不斷產(chǎn)生，給社會帶來了極大的危害。作為保護生產(chǎn)安

2、全的設(shè)備安全柵，以前只在重要的場合應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)作為設(shè)計的標準規(guī)范進行推廣。安全柵是用在安全區(qū)或者由其他防爆型式保護的殼體內(nèi),它是本質(zhì)安全設(shè)備的關(guān)聯(lián)設(shè)備。作為本質(zhì)安全型設(shè)備和安全區(qū)的一般型設(shè)備之間的接口”,安全柵承擔著限制進入危險場所本質(zhì)安全電路的能量,保證本質(zhì)安全設(shè)備防爆性能的任務(wù),故其可靠性、安全性是非常重要的。它關(guān)系到能否有效地保證連接到本質(zhì)安全設(shè)備供電和通訊防爆性能的安全、可靠二極管安全柵和安全分流器的型式試驗探討。1安全柵的理論基礎(chǔ)眾所周知，化工企業(yè)屬于高危企業(yè)，在生產(chǎn)運行中易發(fā)生爆炸等重大事故。在現(xiàn)場同時滿足下列3個條件時，爆炸就會發(fā)生：易爆物質(zhì)如易爆氣體；氧氣；引爆源，如足夠能量

3、的火花或足夠高的物體表面溫度。這就是所謂的爆炸三角形原理（見圖1）。圖1爆炸三角形原理根據(jù)爆炸三角形原理，消除上述3個條件中的任何一個就能防爆。而氧氣是難以控制的，所以，控制易爆物質(zhì)和引爆源為兩個最常用的防爆方法。安全柵技術(shù)是針對控制引爆源的原理而產(chǎn)生的。所謂控制引爆源就是人為地消除引爆源，即消除足以引爆的火花，又消除足以引爆的儀表表面溫升，即利用安全柵技術(shù)，將提供給現(xiàn)場儀表的電能量限制在既不能產(chǎn)生足以引爆的火花，又不能產(chǎn)生足以引爆的儀表表面溫升。依照國際標準和中國國家標準，當安全柵安全區(qū)一側(cè)所接設(shè)備發(fā)生任何故障（電壓不超過250 V）時，本質(zhì)安全防爆方法能確?，F(xiàn)場的防爆安全?；て髽I(yè)部分危險

4、氣體最小點燃能量等危險參數(shù)見表1。對于儀表檢測和控制回路而言，要保證現(xiàn)場安全就要限制現(xiàn)場能量，這就意味著要限制電壓和電流。又由于電容和電感能夠存儲和釋放能量，因此電容和電感也需限制。國際標準和中國國家標準中給出的常用電能量引爆曲線有電壓電流引爆曲線、電壓電容引爆曲線和電流電感引爆曲線等。根據(jù)這些曲線，再考慮1.5倍的保險系數(shù)，人們便可以確定在涉及某類氣體時，對指定回路的電能量限制參數(shù)。例如，涉及C類氣體（如氫氣）時，對標稱24 V（DC）供電的回路（如變送器、電氣轉(zhuǎn)換器、電磁閥等）通常設(shè)定限壓值為28V。依此限壓值查電壓電流引爆曲線，并考慮1.5倍的保險系數(shù)，可確定此時的限流值應(yīng)為119 mA

5、。對到達現(xiàn)場能量的限制就可以通過安全柵來完成。表1 危險氣體最小點燃能量等危險參數(shù)2安全柵的分類及工作原理安全柵從工作原理上可分為齊納式安全柵、變壓器隔離式安全柵、光電隔離式安全柵。2.1齊納式安全柵齊納式安全柵是最早出現(xiàn)的安全柵，最初的安全柵的理論基礎(chǔ)便是建立在齊納式二極管的工作特性上的，其原理如圖2。圖2齊納式安全柵原理齊納管用于限制電壓。當回路電壓接近安全限壓值時，齊納管導(dǎo)通放電，使齊納管兩端電壓始終保持在安全限壓值以下。電阻用于限制電流，當電壓被限制后，適當選擇電阻值，即可將回路電流限制在安全限流值以下。保險絲可防止因齊納管被長時間流過的大電流燒斷而導(dǎo)致回路限壓失敗。當超過安全限壓值的

6、電壓加在回路上時，齊納管導(dǎo)通。如果沒有保險絲，流經(jīng)齊納管的電流會無限上升，最終燒斷齊納管，使回路失去限壓。同時為確?；芈钒踩?，保險絲必須選用高速熔斷型，其熔斷速度應(yīng)比齊納管可能被燒斷的速度快10倍。為保障安全性，可采用三冗余的齊納管結(jié)構(gòu)，從而滿足ia級本質(zhì)安全的要求。2.2變壓器隔離式安全柵目前應(yīng)用最多的安全柵為變壓器隔離式安全柵。應(yīng)用變壓器隔離原理使安全柵輸向危險區(qū)域電流始終控制一個允許范圍內(nèi)，達到了本質(zhì)安全的目的，其原理如圖3。變壓器隔離式安全柵的本安回路和非本安回路之間沒有直接聯(lián)系，而是通過變壓器耦合。通向本安回路端隔離式安全柵還需要有相當齊納式或晶體管式安全柵的限壓、限流電路，保證本安

7、端的安全性。另外，工業(yè)過程控制系統(tǒng)一般都是采用直流電流傳輸信號。因此，通過隔離變壓器進行信號傳遞，必須在電流信號進入隔離變壓器之前，將直流信號換成交流信號，而通過變壓器后，再把交流信號轉(zhuǎn)換成直流電流輸出。圖3變壓器隔離式安全柵工作原理2.3光電隔離式安全柵光電隔離式安全柵是一種新型的安全柵，它采用光電耦合元件作為隔離元件，隔離電壓可達5 kV以上。一般要求將直流信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，經(jīng)光電耦合器檢出頻率信號再轉(zhuǎn)換成直流信號的原理來實現(xiàn)。2.4總線安全柵為了能在本安防爆的環(huán)境下成功使用基金會現(xiàn)場總線技術(shù),選擇了現(xiàn)場總線安全柵?？偩€安全柵實現(xiàn)了分支為本安防爆,主干為增安防爆的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)提高了系

8、統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備的供電能力,增加了網(wǎng)段懸掛儀表設(shè)備的數(shù)量。結(jié)合基金會現(xiàn)場總線安全柵在巴基斯坦PARCO柴油加氫項目中的應(yīng)用,介紹了現(xiàn)場總線的回路構(gòu)成、工作方式、防爆方法及總線安全柵提高供電能力的應(yīng)用。2.5二極管安全柵在安全柵中, 二極管安全柵是最常用的。GB3836.42000對二極管安全柵和安全分流器的性能作了很高的要求,在設(shè)計制造二極管安全柵和安全分流器時不但要求元器件參數(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上滿足國標規(guī)定,而且對元器件的型式檢驗也有嚴格的要求。GB 3836.42000第8.6.1條要求分流元件承受瞬態(tài)性能應(yīng)按10.12條規(guī)定的矩形脈沖電流試驗。3安全柵在工廠中的應(yīng)用工廠在生產(chǎn)過程中要應(yīng)用大量的現(xiàn)場

9、儀表，進行液位、溫度、壓力等狀態(tài)的測量工作。作為安裝于安全區(qū)的安全柵要接受并處理大量來自危險區(qū)的信號，輸出安全信號到安全區(qū)或危險區(qū)。雖然信號的類型各不相同，但安全柵大致可分為輸入安全柵和輸出安全柵。以目前應(yīng)用較為廣泛的MTL公司5000系列安全柵為例，MTL5042作為模擬輸入安全柵和MTL5045作為模擬輸出安全柵是在化工企業(yè)中應(yīng)用最為普及的兩款型號。MTL5042為模擬輸入安全柵，其結(jié)構(gòu)如圖4。圖4 MTL5042模擬輸入安全柵結(jié)構(gòu)它一般與本質(zhì)安全型兩線制變送器配套使用。它的作用是向變送器供電，同時，把變送器送出的直流420 mA電流信號轉(zhuǎn)換成與它隔離的直流420 mA電流信號或直流15

10、V的電壓信號輸出。MTL5042所接受的信號為420 mA、2或3線制，智能變送器或電流源信號輸出信號為420mA。帶重疊數(shù)字信號安全區(qū)負載為0600。轉(zhuǎn)換精度：優(yōu)于20A。20 mA時，輸出電壓最小16.5 V。功耗：24 V時，1.3 W?？蛇B接0區(qū)、IIC、T4-T6經(jīng)合適認證的設(shè)備。MTL5045為模擬輸出安全柵，其結(jié)構(gòu)如圖5。圖5 MTL5045模擬輸出安全柵結(jié)構(gòu)它一般與本質(zhì)安全型電氣轉(zhuǎn)換器或電氣閥門定位器配套使用。它的作用是向電氣轉(zhuǎn)換器或電氣閥門定位供電，同時，將調(diào)節(jié)器輸出的420 mA直流電流信號進行隔離變換后再輸出420 mA直流電流信號，供給電氣轉(zhuǎn)換器或電氣閥門定位器。輸入信

11、號：420 mA。輸出信號：420 mA。危險區(qū)負載：0800。轉(zhuǎn)換精度：優(yōu)于20A。20 mA時，輸出電壓最小16 V。功耗：24V時，1.0 W。可連接0區(qū)、IIC、T4-T6經(jīng)合適認證的設(shè)備。2.4總線安全柵為了能在本安防爆的環(huán)境下成功使用基金會現(xiàn)場總線技術(shù),選擇了現(xiàn)場總線安全柵?？偩€安全柵實現(xiàn)了分支為本安防爆,主干為增安防爆的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備的供電能力,增加了網(wǎng)段懸掛儀表設(shè)備的數(shù)量。結(jié)合基金會現(xiàn)場總線安全柵在巴基斯坦PARCO柴油加氫項目中的應(yīng)用,介紹了現(xiàn)場總線的回路構(gòu)成、工作方式、防爆方法及總線安全柵提高供電能力的應(yīng)用。4安全柵在應(yīng)用中的注意事項目前本安系統(tǒng)已作為

12、一個設(shè)計規(guī)范，越來越受人關(guān)注。本安系統(tǒng)除要選擇合適安全柵外，使用時應(yīng)注意以下幾個方面。a)注意線纜和現(xiàn)場設(shè)備容抗和感抗，本安防爆是系統(tǒng)防爆，安全柵除需要達到所需防爆等級外，線纜和現(xiàn)場設(shè)備蓄能也是一個關(guān)鍵問題。b)注意本安接地，齊納安全柵需要本安接地，接地電阻應(yīng)小于1。c)注意安全柵與現(xiàn)場儀表信號的匹配問題。d)充分考慮好現(xiàn)場負載，特別是齊納安全柵。e)本安線纜與非本安線纜應(yīng)分開敷設(shè)在不同線槽里，并應(yīng)有明顯標識。5結(jié)語目前在化工企業(yè)中，安全柵作為一種保障現(xiàn)場生產(chǎn)安全的設(shè)備已大量應(yīng)用。筆者在實踐中深刻體會到安全柵作為一種安全防護設(shè)備，對穩(wěn)定生產(chǎn)起到了保障作用。6參考文獻1 GB3836.1-2000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第1部分：通用要求S2 GB3836.4-2000(eqv IEC 60079-11：1999)爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第4部分：本質(zhì)安全型“i”S3周春暉.化工過程控制原理M.杭州：浙江大學(xué)出版社，19981 齊納安全柵儀器儀表應(yīng)用技術(shù)何誠(北京遠東儀表有限公司100013);P30-402信息技術(shù)及應(yīng)用 石油化工自動化, 2010, 2總線安全柵在煉油項目中的應(yīng)用隋明新(中國天辰工程有限公司儀表二室,天津300400)