高含硫天然氣凈化廠儀表接地體系的實(shí)現(xiàn)

吳關(guān)林 周云華 王 娟

(中國石化普光天然氣凈化廠，四川 達(dá)州 636156)

川氣東輸?shù)脑搭^是四川達(dá)州普光氣田，屬高含硫板塊，硫化氫平均含量14.14%，該氣田的天然氣由中國石化普光天然氣凈化廠凈化處理，該廠由6個聯(lián)合共12個系列的處理裝置和其他配套單元組成，年處理量120億方。硫化氫是一種劇毒無色，對人體呼吸道粘膜有強(qiáng)烈的刺激作用，更是強(qiáng)烈的神經(jīng)毒物；而且硫化氫的腐蝕性很強(qiáng)，表現(xiàn)為氫致開裂和硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂，可能引起或誘發(fā)硫化氫泄漏。為保證該廠生產(chǎn)裝置安全、平穩(wěn)、長周期、滿負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)和環(huán)保運(yùn)行，設(shè)計(jì)采用CS3000 DCS實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置的過程控制和監(jiān)測，同時采用H51q-HRS安全儀表系統(tǒng)(SIS)實(shí)現(xiàn)裝置的安全聯(lián)鎖保護(hù)。DCS和SIS采用中央控制室和現(xiàn)場機(jī)柜室相結(jié)合的方式，現(xiàn)場機(jī)柜室有安全柵柜、端子柜、電源柜、DCS和SIS控制柜。

規(guī)范的儀表和良好的接地是確保包括DCS及SIS等組成的儀表控制體系安全可靠運(yùn)行的前提之一，良好的接地也是儀表及其回路本身安全運(yùn)行的保障，是消除系統(tǒng)自身干擾和回路信號傳輸干擾的主要措施。事實(shí)上，一些生產(chǎn)非計(jì)劃停車與檢修的原因，就是儀表接地問題造成的[1]。為了保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行，該廠的技術(shù)人員根據(jù)《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》及《危險場所電氣防爆安全規(guī)范》等的要求，研究設(shè)計(jì)了中國石化普光天然氣凈化廠包括新型延長型接地排在內(nèi)的儀表接地體系的實(shí)現(xiàn)方案。

1 儀表接地體系的設(shè)計(jì)①

根據(jù)《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，儀表接地體系有五大建設(shè)路線。

由于儀表控制體系屬于弱電系統(tǒng)，內(nèi)部傳送信號易受干擾，中國石化普光天然氣凈化廠的生產(chǎn)現(xiàn)場屬高危場所，雷電和供電故障都可能對現(xiàn)場儀表設(shè)備和信號傳輸構(gòu)成危險，因而所有的儀表體系都需要接地處理。

1.1 儀表接地分類

1.1.1保護(hù)接地

與習(xí)慣認(rèn)為的保護(hù)接地不同，儀表保護(hù)接地既包括對人身安全的保護(hù)，也是保護(hù)儀表體系的弱電信號免受干擾。

由于雷擊帶電的室、內(nèi)外儀表設(shè)備時，會傳導(dǎo)雷擊電流的回路信號，或者其他事故造成儀表控制體系中某環(huán)節(jié)帶上對人身或電氣設(shè)備構(gòu)成危害的危險電壓等。

1.1.2工作接地

為了使儀表系統(tǒng)以及與之相連的儀表均能可靠運(yùn)行，并保證測量與控制系統(tǒng)的接地，包括：DCS和SIS系統(tǒng)信號的公共地(主要模擬信號的參考點(diǎn))，主要抑制來自信號源和供電系統(tǒng)的干擾；DCS內(nèi)部邏輯電平負(fù)端公共地；模擬信號的屏蔽層接地；儀表信號工作回路接地和現(xiàn)場需要防爆的本安系統(tǒng)接地。在儀表現(xiàn)場需要防爆，又不能對該回路安全側(cè)控制系統(tǒng)造成干擾。利用安全柵構(gòu)成本安型控制系統(tǒng)是很普遍和必須的處理辦法，安全柵通過限能、隔離或齊納二極管的嵌位，防止現(xiàn)場危險能量產(chǎn)生。需要注意的是，本質(zhì)安全柵需要接工作地[2,3]。

1.1.3防靜電接地

在潔凈、干燥的房間內(nèi)，人在行走或移動設(shè)備時，會產(chǎn)生大量的摩擦靜電，如在相對濕度為10%RH～20%RH的環(huán)境中人在行走時可以積聚350kV的靜電電壓，如果沒有良好的接地，不僅會干擾電子設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至?xí)魤脑O(shè)備芯片。將帶靜電物體或有可能產(chǎn)生靜電的物體(非絕緣體)通過導(dǎo)靜電體與大地構(gòu)成電氣回路，即可解決這一問題。

1.1.4防雷接地

防雷接地和保護(hù)接地有很多差別，雷電擊的威力比需要保護(hù)接地的漏電能量大得多，破壞性更大，必須要予以安全泄放。

1.2 接地的原則和方法

儀表的接地原則是等電位接地方式。

1.2.1保護(hù)接地方法

保護(hù)接地要覆蓋控制體系內(nèi)的全部儀表設(shè)施，而且每個保護(hù)接地點(diǎn)之間不能因?yàn)椴缓弦?guī)范而導(dǎo)致電位差，因而必須單獨(dú)接到匯流排(條)。

1.2.2工作接地方法

工作接地有屏蔽接地、本安系統(tǒng)接地和信號回路接地3種。

模擬信號怕干擾，屏蔽接地就是針對模擬信號接地設(shè)計(jì)的。屏蔽接地要求只能一端接地(沒有任何隔離措施時)，如果兩端都接地則其電勢差會成為自身的干擾源。

兩線制或三線制變送器是由直流電源供電的，為的是安全柵能在直流電源故障時實(shí)現(xiàn)對危險場所的保護(hù)，安全柵接地必須與直流電源的公共端相連；齊納安全柵接地必須與直流電源的公共端相連，采用隔離式安全柵的本質(zhì)安全系統(tǒng)；由于隔離式安全柵采用將輸入、輸出和電源三方之間相互進(jìn)行電氣隔離的電路結(jié)構(gòu)，不需要專門接地。

在非隔離的信號系統(tǒng)中，信號回路接地通常為直流電源的負(fù)極接地；隔離的信號系統(tǒng)中，由于輸入信號、輸出信號和直流電源都是隔離的，所以隔離系統(tǒng)的信號回路可以不考慮直流電源的負(fù)極接地。

1.2.3防靜電接地

安裝DCS、PLC及SIS等設(shè)備的控制室、機(jī)柜室和過程控制計(jì)算機(jī)的機(jī)房，需進(jìn)行防靜電接地。這些室內(nèi)的導(dǎo)靜電地面、活動地板及工作臺等也需防靜電接地，已經(jīng)做了保護(hù)接地和工作接地的儀表和設(shè)備，不必另做防靜電接地。

1.2.4防雷接地

在儀表電纜槽進(jìn)入控制室處，要與電氣專業(yè)的防雷電感應(yīng)接地裝置相連。現(xiàn)場儀表設(shè)備通過接入現(xiàn)場電氣專業(yè)的防雷接地裝置網(wǎng)實(shí)現(xiàn)防雷接地。

導(dǎo)流裝置主要由5454-H32鋁鎂合金制成，位于兩條通道的底部分割點(diǎn)，由4列縱板和6列橫向方管組成骨架，其外表面鉚接了一層帶有黑色氧化膜的鋁合金面板。為了減輕空氣在導(dǎo)流裝置上轉(zhuǎn)向過程中的阻力，其外部被設(shè)計(jì)為多曲率封閉橢圓形“水滴狀”結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.3 儀表接地終點(diǎn)和連接路線

為了保證儀表接地體系的所有接地能成為等電位，避免互相干擾，都把終點(diǎn)接到電氣專業(yè)的接地體接地網(wǎng)，通過電阻值越小越好的接地電阻滿足快速主要的分流要求，保護(hù)人身和設(shè)備安全[4]。

為了避免產(chǎn)生接地中的非等電位，一般通過接地線把儀表設(shè)備接到相應(yīng)的工作接地匯流排(條)或保護(hù)接地匯流排(條)，再用相應(yīng)的接地分干線接到工作接地匯總板或保護(hù)接地匯總板，再用接地干線把工作接地匯總板和保護(hù)接地匯總板分別接到總接地板，最后通過接地總干線與接地極相連接。

為充分考慮等電位接地原則，在保護(hù)接地和工作接地匯入總接地板之前不能混接。從另外一方面可以說，工作接地的連線在接到總接地板之前，各工作接地線、接地分干線、接地干線和接地匯流排都是絕緣的，也即要求工作接地匯流排和工作接地匯總排必須采用絕緣支架固定。

1.4 儀表接地連接電阻和接地電阻的指標(biāo)要求

一般要求接地連接電阻，即從儀表的接地端子到接地極之間的導(dǎo)線與連接點(diǎn)的電阻總和，不應(yīng)超過1Ω；接地電阻，即接地連接電阻與接地極對地電阻之和，不大于4Ω。

2 儀表接地體系的實(shí)現(xiàn)路線

2.1 儀表系統(tǒng)概況和新型室內(nèi)接地系統(tǒng)延長型接地排

天然氣凈化廠的生產(chǎn)裝置在開/停工和生產(chǎn)過程中有可能發(fā)生事故，為此獨(dú)立設(shè)置有SIS系統(tǒng)，對工藝過程采用DCS集中控制、監(jiān)測、記錄與報(bào)警。

凈化廠采用中央控制室人機(jī)互動操作管理、控制器及I/O卡件等安裝在現(xiàn)場機(jī)柜室相結(jié)合的方式。全廠儀表系統(tǒng)操作站都設(shè)在中央控制室，各個裝置控制器設(shè)在相應(yīng)生產(chǎn)區(qū)域的工程師站現(xiàn)場機(jī)柜室。現(xiàn)場機(jī)柜室內(nèi)設(shè)有浪涌安全柵柜、電源柜、DCS控制柜及SIS控制柜等。為了防止電磁干擾，儀表電纜選用屏蔽電纜。考慮到生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境，現(xiàn)場開關(guān)類儀表、電磁閥和有毒(可燃)氣體檢測儀選用隔爆型，其他優(yōu)選本安型儀表。由于該廠所處的達(dá)州地區(qū)屬雷暴多發(fā)區(qū)，在模擬量儀表現(xiàn)場側(cè)和控制系統(tǒng)側(cè)都設(shè)計(jì)安裝有浪涌保護(hù)器，但開關(guān)量、熱電偶和熱電阻類儀表只在控制系統(tǒng)側(cè)安裝了浪涌保護(hù)器。

儀表接地主要包括防雷接地、保護(hù)接地和工作接地，天然氣凈化廠儀表接地的總體要求是：儀表防雷接地主要是通過浪涌保護(hù)器實(shí)現(xiàn)的，同時要求儀表接地系統(tǒng)采用等電位接地方式，并最終連到全廠統(tǒng)一的電氣接地網(wǎng)。接地電阻要求小于4Ω。

室內(nèi)接地系統(tǒng)采用延長型接地排形式，延長型接地排采用截面為40mm×4mm(寬×厚)的熱鍍鋅扁鋼，并安裝在絕緣支架上。接地線采用鍍鋅銅連接片壓接，并采用帶有防松墊片的鍍鋅鋼螺栓壓接固定，同時要求保證同一壓接點(diǎn)不能壓接多條導(dǎo)線。

2.2 儀表接地的實(shí)現(xiàn)路線

現(xiàn)場儀表的接地必須嚴(yán)格按照《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。

信號屏蔽電纜的屏蔽層接地應(yīng)為單點(diǎn)接地，還要根據(jù)信號源和接收儀表的不同情況采用不同接法。當(dāng)信號源接地時，信號屏蔽電纜的屏蔽層應(yīng)在信號源端接地；否則，信號屏蔽電纜的屏蔽層應(yīng)在信號接收儀表一側(cè)(即控制站側(cè)機(jī)柜室)接地；現(xiàn)場屏蔽電纜的屏蔽層不接地時，把屏蔽層接到備余的端子上。

現(xiàn)場儀表電纜盡量走架空電纜槽盒和金屬保護(hù)管，電纜槽盒每節(jié)用16mm2絕緣導(dǎo)線雙側(cè)跨接，電纜槽盒兩端做可靠接地，現(xiàn)場端接到現(xiàn)場電氣接地網(wǎng)，電纜槽進(jìn)入現(xiàn)場控制室外側(cè)采用10mm2的接地干線直接接入電氣接地網(wǎng)，進(jìn)入控制室內(nèi)側(cè)用10mm2接地線接至室內(nèi)墻上安裝的接地匯流排，再與延長型接地排用25mm2的接地線連接，最后由延長型接地排接入電氣接地網(wǎng)。

2.3 浪涌保護(hù)器和安全柵柜儀表設(shè)備接地

每個浪涌保護(hù)器和安全柵柜都有獨(dú)立的工作接地匯流條(400mm×20mm×4mm)和保護(hù)接地匯流條(200mm×20mm×4mm)，工作接地匯流條采用絕緣支架安裝，保護(hù)接地匯流條直接壓接在機(jī)柜支架上。

信號源未接地的，信號屏蔽電纜的屏蔽層都在控制站側(cè)機(jī)柜室接地，接到工作接地匯流排上。

各個儀表設(shè)備的保護(hù)接地和機(jī)柜的保護(hù)接地，由各設(shè)備供貨商分別接至各自盤柜內(nèi)的保護(hù)接地匯流條上，盤柜內(nèi)接地線的規(guī)格為BVR 1×2.5mm2。各盤柜保護(hù)接地匯流條通過接地分干線接至延長型接地排，接地分干線的規(guī)格為BVR 1×10mm2。

每個機(jī)柜內(nèi)的浪涌保護(hù)器都是通過導(dǎo)軌安裝的，軌道要求絕緣，控制室側(cè)的浪涌保護(hù)器的接地通過BVR 1×4.0mm2絕緣導(dǎo)線，把安裝浪涌保護(hù)器的導(dǎo)軌和所在盤柜內(nèi)的工作接地匯流條連接。然后各盤柜工作接地匯流條通過接地分干線接至延長型接地排，接地分干線的規(guī)格為BVR 1×10mm2。

該廠的安全柵全部為德國倍加福公司生產(chǎn)的隔離式安全柵，安全柵也采用導(dǎo)軌安裝，但不需要絕緣，不管安全柵是否需要外供電，要求電源24V負(fù)浮空。

2.4 DCS控制站儀表設(shè)備接地路線

該廠的CS3000 DCS為KFCS類型結(jié)構(gòu)，以第一聯(lián)合為例，一聯(lián)合現(xiàn)場控制站由兩個控制器主機(jī)柜和一個I/O擴(kuò)展機(jī)柜組成，每個主機(jī)柜前面安裝有一對冗余的控制單元(FCU)和5個節(jié)點(diǎn)單元(NU)，后面安裝有5個NU；I/O擴(kuò)展機(jī)柜前、后都只安裝了5個NU。每個FCU都是由CPU模塊單元、電源模塊單元及ESB總線接口模塊單元等組成的；每個NU都是由電源模塊、I/O模塊及ESB總線接口模塊等組成的。

由于DCS信號的輸入、輸出都要經(jīng)過安全柵浪涌柜，所以信號線沒使用帶屏蔽層的，不涉及屏蔽層接地。DCS保護(hù)接地是將電源模塊單元的PE保護(hù)接地端及機(jī)柜外殼等用2.5mm2的銅絞線接到所在機(jī)柜的保護(hù)接地鍍鋅銅排匯流條上(規(guī)格250mm×25mm×3mm)，再用10mm2的接地線接到機(jī)柜下的延長型接地排上(圖1)。DCS工作接地包括FCU和NU的邏輯地和信號地。邏輯地是計(jì)算機(jī)內(nèi)部的邏輯電平負(fù)端公共地(5V或12V負(fù)端)，廠家在內(nèi)部進(jìn)行處理并通過安裝的背板集中引一個接地點(diǎn)出來，再用2.5mm2銅絞線接到所在機(jī)柜的工作接地鍍鋅銅排匯流條上(規(guī)格250mm×25mm×3mm)，再用10mm2的接地線接在機(jī)柜下的延長型接地排上。信號地就是信號回路地(即信號回路的負(fù)端)，當(dāng)回路中需要24V電源時，凈化廠不管信號是由DCS卡件供電還是由安全柵供電，24V的負(fù)端都是浮空的。

圖1 現(xiàn)場機(jī)柜室延長型接地方法

2.5 SIS控制站儀表設(shè)備接地路線

中國石化普光天然氣凈化廠的SIS采用的是HIMA的H51q-HRS系統(tǒng)。HIMA H51q-HRS系統(tǒng)控制柜由中央機(jī)架、I/O卡件子機(jī)架和端子排組成，中央機(jī)架安裝有中央單元、通信模塊和電源模件，I/O機(jī)架安裝有I/O卡件、電源模塊及通信連接模塊等。該SIS系統(tǒng)不管是CU卡件、I/O卡件、電源卡件還是通信卡件，物理上都是分離的，是相對獨(dú)立的。該系統(tǒng)接地要求采用等電位連接，如圖2所示。

圖2 SIS系統(tǒng)等電位連接示意圖

具體地，就是把所有卡件的保護(hù)地和對應(yīng)的機(jī)架外殼相連，然后采用盤柜內(nèi)接地線(規(guī)格BVR 1×2.5mm2)把機(jī)柜外殼與各自盤柜內(nèi)的保護(hù)接地匯流條相連，把電源的PE端子也接到盤內(nèi)的保護(hù)接地匯流條，再用10mm2的接地線接到機(jī)柜下的延長型接地排上。

由于前面有浪涌安全柵柜，SIS機(jī)柜不涉及屏蔽接地，加上廠家要求工作電壓24V負(fù)浮空，所以凈化廠SIS機(jī)柜內(nèi)工作接地匯流條沒有接線。

3 隱患分析

檢、維修工作中所遇到的儀表電氣線路部分的隱患匯總?cè)缦拢?/p>

a. 配線鋼管之間的等電位連接斷開。根據(jù)《危險場所電氣防爆安全規(guī)范》，應(yīng)該注意保證在危險場所中接地和等電位連接處于良好狀態(tài)。

b. 防爆接線盒接地線斷開，等電位連接線斷開。根據(jù)《危險場所電氣防爆安全規(guī)范》，應(yīng)及時修復(fù)防爆接線盒的接地，以及防爆接線盒與配線鋼管之間的等電位連接。

c. 裝置區(qū)電纜槽盒之間有的未做等電位連接或脫落。根據(jù)《危險場所電氣防爆安全規(guī)范》，應(yīng)該注意保證在危險場所中接地和等電位連接處于良好狀態(tài)。在雷雨天氣，不同金屬構(gòu)件上會感應(yīng)出不同的電壓，當(dāng)它們距離較近時會產(chǎn)生火花放電，進(jìn)而導(dǎo)致危險點(diǎn)火源的產(chǎn)生。電纜槽盒之間接觸不良，在雷雨天氣會感應(yīng)出不同電壓，屬不安全狀態(tài)。根據(jù)《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，儀表電纜槽和電纜保護(hù)金屬管應(yīng)做保護(hù)接地，可直接焊接或用接地線連接在附近已接地的金屬構(gòu)件或金屬管道上，并應(yīng)保證接地的連續(xù)和可靠。根據(jù)《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)定》，儀表系統(tǒng)接地采用等電位連接可以減少雷電傷害，降低干擾。

d. 由于四川達(dá)州地區(qū)的空氣濕度大，現(xiàn)場硫和硫化氫在潮濕環(huán)境里的腐蝕性能更強(qiáng)，多次機(jī)組跳車就是接線端腐蝕接地引起的。需加強(qiáng)防雨措施的檢查，及時更換老化的密封圈和規(guī)范接線箱(盒)進(jìn)出線的防護(hù)。

儀表外殼與配線鋼管未做等電位連接。根據(jù)《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，儀表控制系統(tǒng)的保護(hù)接地應(yīng)按電氣專業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和方法進(jìn)行[5]，另外裝置區(qū)現(xiàn)場儀表基本上都安裝了浪涌保護(hù)器，浪涌保護(hù)器通過與儀表外殼連通來實(shí)現(xiàn)對地泄流，儀表外殼從防雷方面講應(yīng)該接地。建議從接地網(wǎng)或附近已接地的金屬構(gòu)件上引接地排至儀表旁，將儀表外殼和接地接到接地排上，將儀表外殼和配線鋼管做等電位連接。

檢修后恢復(fù)不到位和配件損壞后，容易造成接地，并且達(dá)不到隔爆效果，但對隔爆回路現(xiàn)場機(jī)柜間又沒有安裝安全柵，所以存在嚴(yán)重安全隱患。

現(xiàn)場浪涌保護(hù)器檢修期也沒有進(jìn)行測試，接地滿不滿足要求，能不能真正發(fā)揮其作用不能保證。

克勞斯?fàn)t故障頻發(fā)，檢查發(fā)現(xiàn)本來每臺爐安裝有兩個火檢，只有兩臺都沒有檢測到信號才聯(lián)鎖觸發(fā)聯(lián)鎖動作，但還是經(jīng)常錯誤地發(fā)生檢測不到造成誤動作。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，主要是由于火檢信號對外界干擾要求很高，火檢信號電纜應(yīng)采用雙層屏蔽，內(nèi)層單點(diǎn)接地，外層兩端接地，以防止電磁脈沖的干擾，事實(shí)上就是信號屏蔽接地沒有達(dá)到要求。

檢修期間發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場機(jī)柜間接地電阻測量檢查不到位，只是用鉗型測電阻儀檢測總接地箱到接地網(wǎng)的電阻，而沒有對接地匯流條到接地匯總扁鐵以及扁鐵網(wǎng)的焊接腐蝕情況等進(jìn)行檢查，雖然在機(jī)柜室地板下，不是很方便，但不能成為長期不檢查的理由。所以很多時候并沒有完成對整個接地回路的測量和檢查。

4 結(jié)束語

通過對中國石化普光天然氣凈化廠儀表接地體系的實(shí)現(xiàn)路線的全面介紹和總結(jié)，以及對檢、維修過程中發(fā)現(xiàn)的接地方面的安全隱患的分析，提出加強(qiáng)對現(xiàn)場浪涌保護(hù)器的測試檢查，制定并落實(shí)與接地密切相關(guān)的火檢設(shè)備的屏蔽連接質(zhì)量、加強(qiáng)接線端子的防腐、認(rèn)真巡檢及時發(fā)現(xiàn)處理密封老化損壞、加強(qiáng)接地電阻的檢測和檢查。對包括現(xiàn)場儀表、DCS及SIS等在內(nèi)的儀表接地體系施工安裝方案制定、驗(yàn)收和維護(hù)提供借鑒，進(jìn)而提高工廠儀表系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。