安全栅在化工安全生产中的应用
摘要：简要介绍了安全栅的分类、工作原理、在化工安全生产中的应用及注意事项。
Abstract;:Briefly introduced the classification of security gate, working principle, the application in chemical production safety and the matters needing attention. 关键词：安全栅；本质安全；爆炸
国家石油化学工业的高速发展为企业带来巨大经济效益与社会效益的同时，各种安全隐患及事故也随之不断产生，给社会带来了极大的危害。作为保护生产安全的设备——安全栅，以前只在重要的场合应用，现在已经作为设计的标准规范进行推广。
安全栅是用在安全区或者由其他防爆型式保护的壳体内,它是本质安全设备的关联设备。作为本质安全型设备和安全区的一般型设备之间的接口”,安全栅承担着限制进入危险场所本质安全电路的能量,保证本质安全设备防爆性能的任务,故其可靠性、安全性是非常重要的。它关系到能否有效地保证连接到本质安全设备供电和通讯防爆性能的安全、可靠[二极管安全栅和安全分流器的型式试验探讨]。 1安全栅的理论基础
众所周知，化工企业属于高危企业，在生产运行中易发生爆炸等重大事故。在现场同时满足下列3个条件时，爆炸就会发生：①易爆物质如易爆气体；②氧气；③引爆源，如足够能量的火花或足够高的物体表面温度。这就是所谓的爆炸三角形原理（见图1）。
图1爆炸三角形原理
根据爆炸三角形原理，消除上述3个条件中的任何一个就能防爆。而氧气是难以控制的，所以，控制易爆物质和引爆源为两个最常用的防爆方法。安全栅技术是针对控制引爆源的原理而产生的。所谓控制引爆源就是人为地消除引爆源，
即消除足以引爆的火花，又消除足以引爆的仪表表面温升，即利用安全栅技术，将提供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆的火花，又不能产生足以引爆的仪表表面温升。依照国际标准和中国国家标准，当安全栅安全区一侧所接设备发生任何故障（电压不超过250 V）时，本质安全防爆方法能确保现场的防爆安全。化工企业部分危险气体最小点燃能量等危险参数见表1。对于仪表检测和控制回路而言，要保证现场安全就要限制现场能量，这就意味着要限制电压 和电流。又由于电容和电感能够存储和释放能量，因此电容和电感也需限制。国际标准和中国国家标准中给出的常用电能量引爆曲线有电压电流引爆曲线、电压电容引爆曲线和电流电感引爆曲线等。根据这些曲线，再考虑1.5倍的保险系数，人们便可以确定在涉及某类气体时，对指定回路的电能量限制参数。例如，涉及ⅡC类气体（如氢气）时，对标称24 V（DC）供电的回路（如变送器、电气转换器、电磁阀等）通常设定限压值为28V。依此限压值查电压电流引爆曲线，并考虑1.5倍的保险系数，可确定此时的限流值应为119 mA。对到达现场能量的限制就可以通过安全栅来完成。
表1 危险气体最小点燃能量等危险参数
2安全栅的分类及工作原理
安全栅从工作原理上可分为齐纳式安全栅、变压器隔离式安全栅、光电隔离式安全栅。 2.1齐纳式安全栅
齐纳式安全栅是最早出现的安全栅，最初的安全栅的理论基础便是建立在齐纳式二极管的工作特性上的，其原理如图2。
图2齐纳式安全栅原理
齐纳管用于限制电压。当回路电压接近安全限压值时，齐纳管导通放电，使齐纳管两端电压始终保持在安全限压值以下。电阻用于限制电流，当电压被限制后，适当选择电阻值，即可将回路电流限制在安全限流值以下。保险丝可防止因齐纳管被长时间流过的大电流烧断而导致回路限压失败。当超过安全限压值的电压加在回路上时，齐纳管导通。如果没有保险丝，流经齐纳管的电流会无限上升，最终烧断齐纳管，使回路失去限压。同时为确保回路安全，保险丝必须选用高速熔断型，其熔断速度应比齐纳管可能被烧断的速度快10倍。为保障安全性，可采用三冗余的齐纳管结构，从而满足ia级本质安全的要求。 2.2变压器隔离式安全栅
目前应用最多的安全栅为变压器隔离式安全栅。应用变压器隔离原理使安全栅输向危险区域电流始终控制一个允许范围内，达到了本质安全的目的，其原理如图3。变压器隔离式安全栅的本安回路和非本安回路之间没有直接联系，而是通过变压器耦合。通向本安回路端隔离式安全栅还需要有相当齐纳式或晶体管式安全栅的限压、限流电路，保证本安端的安全性。另外，工业过程控制系统一般都是采用直流电流传输信号。因此，通过隔离变压器进行信号传递，必须在电流信号进入隔离变压器之前，将直流信号换成交流信号，而通过变压器后，再把交流信号转换成直流电流输出。
图3变压器隔离式安全栅工作原理
2.3光电隔离式安全栅
光电隔离式安全栅是一种新型的安全栅，它采用光电耦合元件作为隔离元件，隔离电压可达5 kV以上。一般要求将直流信号转换成频率信号，经光电耦合器检出频率信号再转换成直流信号的原理来实现。 2.4总线安全栅
为了能在本安防爆的环境下成功使用基金会现场总线技术,选择了现场总线安全栅。总线安全栅实现了分支为本安防爆,主干为增安防爆的网络结构。该结构提高了系统对现场设备的供电能力,增加了网段悬挂仪表设备的数量。结合基金会现场总线安全栅在巴基斯坦PARCO柴油加氢项目中的应用,介绍了现场总线的回路构成、工作方式、防爆方法及总线安全栅提高供电能力的应用。 2.5二极管安全栅
在安全栅中, 二极管安全栅是最常用的。GB3836.4—2000对二极管安全栅和安全分流器的性能作了很高的要求,在设计制造二极管安全栅和安全分流器时不但要求元器件参数、产品结构上满足国标规定,而且对元器件的型式检验也有严格的要求。GB 3836.4—2000第8.6.1条要求分流元件承受瞬态性能应按10.12条规定的矩形脉冲电流试验。 3安全栅在工厂中的应用
工厂在生产过程中要应用大量的现场仪表，进行液位、温度、压力等状态的测量工作。作为安装于安全区的安全栅要接受并处理大量来自危险区的信号，输出安全信号到安全区或危险区。虽然信号的类型各不相同，但安全栅大致可分为输入安全栅和输出安全栅。以目前应用较为广泛的MTL公司5000系列安全栅为例，MTL5042作为模拟输入安全栅和MTL5045作为模拟输出安全栅是在化工企业中应用最为普及的两款型号。MTL5042为模拟输入安全栅，其结构如图4。
图4 MTL5042模拟输入安全栅结构
它一般与本质安全型两线制变送器配套使用。它的作用是向变送器供电，同时，把变送器送出的直流4～20 mA电流信号转换成与它隔离的直流4～20 mA电流信号或直流1～5 V的电压信号输出。MTL5042所接受的信号为4～20 mA、2或3线制，智能变送器或电流源信号输出信号为4～20mA。带重叠数字信号安全区负载为0～600Ω。
转换精度：优于20μA。20 mA时，输出电压最小16.5 V。
功耗：24 V时，1.3 W。可连接0区、IIC、T4-T6经合适认证的设备。 MTL5045为模拟输出安全栅，其结构如图5。
图5 MTL5045模拟输出安全栅结构
它一般与本质安全型电气转换器或电气阀门定位器配套使用。它的作用是向
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