高含硫天然氣凈化廠儀表接地體系的實現

吳關林 周云華 王 娟

(中國石化普光天然氣凈化廠，四川 達州 636156)

川氣東輸的源頭是四川達州普光氣田，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烈的刺激作用，更是強烈的神經毒物；而且硫化氫的腐蝕性很強，表現為氫致開裂和硫化氫應力腐蝕開裂，可能引起或誘發硫化氫泄漏。為保證該廠生產裝置安全、平穩、長周期、滿負荷、優質和環保運行，設計采用CS3000 DCS實現生產裝置的過程控制和監測，同時采用H51q-HRS安全儀表系統(SIS)實現裝置的安全聯鎖保護。DCS和SIS采用中央控制室和現場機柜室相結合的方式，現場機柜室有安全柵柜、端子柜、電源柜、DCS和SIS控制柜。

規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行的前提之一，良好的接地也是儀表及其回路本身安全運行的保障，是消除系統自身干擾和回路信號傳輸干擾的主要措施。事實上，一些生產非計劃停車與檢修的原因，就是儀表接地問題造成的[1]。為了保證生產的順利進行，該廠的技術人員根據《石油化工儀表接地設計規范》及《危險場所電氣防爆安全規范》等的要求，研究設計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的儀表接地體系的實現方案。

1 儀表接地體系的設計①

根據《石油化工儀表接地設計規范》[2]，儀表接地體系有五大建設路線。

由于儀表控制體系屬于弱電系統，內部傳送信號易受干擾，中國石化普光天然氣凈化廠的生產現場屬高危場所，雷電和供電故障都可能對現場儀表設備和信號傳輸構成危險，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保護接地

與習慣認為的保護接地不同，儀表保護接地既包括對人身安全的保護，也是保護儀表體系的弱電信號免受干擾。

由于雷擊帶電的室、內外儀表設備時，會傳導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節帶上對人身或電氣設備構成危害的危險電壓等。

1.1.2工作接地

為了使儀表系統以及與之相連的儀表均能可靠運行，并保證測量與控制系統的接地，包括：DCS和SIS系統信號的公共地(主要模擬信號的參考點)，主要抑制來自信號源和供電系統的干擾；DCS內部邏輯電平負端公共地；模擬信號的屏蔽層接地；儀表信號工作回路接地和現場需要防爆的本安系統接地。在儀表現場需要防爆，又不能對該回路安全側控制系統造成干擾。利用安全柵構成本安型控制系統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，防止現場危險能量產生。需要注意的是，本質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，人在行走或移動設備時，會產生大量的摩擦靜電，如在相對濕度為10%RH～20%RH的環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，不僅會干擾電子設備的正常運行，甚至會擊壞設備芯片。將帶靜電物體或有可能產生靜電的物體(非絕緣體)通過導靜電體與大地構成電氣回路，即可解決這一問題。

1.1.4防雷接地

防雷接地和保護接地有很多差別，雷電擊的威力比需要保護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保護接地方法

保護接地要覆蓋控制體系內的全部儀表設施，而且每個保護接地點之間不能因為不合規范而導致電位差，因而必須單獨接到匯流排(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計的。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現對危險場所的保護，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安全系統；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行電氣隔離的電路結構，不需要專門接地。

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

1.2.3防靜電接地

安裝DCS、PLC及SIS等設備的控制室、機柜室和過程控制計算機的機房，需進行防靜電接地。這些室內的導靜電地面、活動地板及工作臺等也需防靜電接地，已經做了保護接地和工作接地的儀表和設備，不必另做防靜電接地。

1.2.4防雷接地

在儀表電纜槽進入控制室處，要與電氣專業的防雷電感應接地裝置相連。現場儀表設備通過接入現場電氣專業的防雷接地裝置網實現防雷接地。

導流裝置主要由5454-H32鋁鎂合金制成，位于兩條通道的底部分割點，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。為了減輕空氣在導流裝置上轉向過程中的阻力，其外部被設計為多曲率封閉橢圓形“水滴狀”結構，如圖1所示。

1.3 儀表接地終點和連接路線

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，都把終點接到電氣專業的接地體接地網，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，保護人身和設備安全[4]。

為了避免產生接地中的非等電位，一般通過接地線把儀表設備接到相應的工作接地匯流排(條)或保護接地匯流排(條)，再用相應的接地分干線接到工作接地匯總板或保護接地匯總板，再用接地干線把工作接地匯總板和保護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線與連接點的電阻總和，不應超過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 儀表接地體系的實現路線

2.1 儀表系統概況和新型室內接地系統延長型接地排

天然氣凈化廠的生產裝置在開/停工和生產過程中有可能發生事故，為此獨立設置有SIS系統，對工藝過程采用DCS集中控制、監測、記錄與報警。

凈化廠采用中央控制室人機互動操作管理、控制器及I/O卡件等安裝在現場機柜室相結合的方式。全廠儀表系統操作站都設在中央控制室，各個裝置控制器設在相應生產區域的工程師站現場機柜室。現場機柜室內設有浪涌安全柵柜、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。考慮到生產現場的環境，現場開關類儀表、電磁閥和有毒(可燃)氣體檢測儀選用隔爆型，其他優選本安型儀表。由于該廠所處的達州地區屬雷暴多發區，在模擬量儀表現場側和控制系統側都設計安裝有浪涌保護器，但開關量、熱電偶和熱電阻類儀表只在控制系統側安裝了浪涌保護器。

儀表接地主要包括防雷接地、保護接地和工作接地，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器實現的，同時要求儀表接地系統采用等電位接地方式，并最終連到全廠統一的電氣接地網。接地電阻要求小于4Ω。

室內接地系統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不能壓接多條導線。

2.2 儀表接地的實現路線

現場儀表的接地必須嚴格按照《石油化工儀表接地設計規范》執行。

信號屏蔽電纜的屏蔽層接地應為單點接地，還要根據信號源和接收儀表的不同情況采用不同接法。當信號源接地時，信號屏蔽電纜的屏蔽層應在信號源端接地；否則，信號屏蔽電纜的屏蔽層應在信號接收儀表一側(即控制站側機柜室)接地；現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。

現場儀表電纜盡量走架空電纜槽盒和金屬保護管，電纜槽盒每節用16mm2絕緣導線雙側跨接，電纜槽盒兩端做可靠接地，現場端接到現場電氣接地網，電纜槽進入現場控制室外側采用10mm2的接地干線直接接入電氣接地網，進入控制室內側用10mm2接地線接至室內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。

2.3 浪涌保護器和安全柵柜儀表設備接地

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

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

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

每個機柜內的浪涌保護器都是通過導軌安裝的，軌道要求絕緣，控制室側的浪涌保護器的接地通過BVR 1×4.0mm2絕緣導線，把安裝浪涌保護器的導軌和所在盤柜內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，接地分干線的規格為BVR 1×10mm2。

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

2.4 DCS控制站儀表設備接地路線

該廠的CS3000 DCS為KFCS類型結構，以第一聯合為例，一聯合現場控制站由兩個控制器主機柜和一個I/O擴展機柜組成，每個主機柜前面安裝有一對冗余的控制單元(FCU)和5個節點單元(NU)，后面安裝有5個NU；I/O擴展機柜前、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保護接地是將電源模塊單元的PE保護接地端及機柜外殼等用2.5mm2的銅絞線接到所在機柜的保護接地鍍鋅銅排匯流條上(規格250mm×25mm×3mm)，再用10mm2的接地線接到機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。邏輯地是計算機內部的邏輯電平負端公共地(5V或12V負端)，廠家在內部進行處理并通過安裝的背板集中引一個接地點出來，再用2.5mm2銅絞線接到所在機柜的工作接地鍍鋅銅排匯流條上(規格250mm×25mm×3mm)，再用10mm2的接地線接在機柜下的延長型接地排上。信號地就是信號回路地(即信號回路的負端)，當回路中需要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的負端都是浮空的。

圖1 現場機柜室延長型接地方法

2.5 SIS控制站儀表設備接地路線

中國石化普光天然氣凈化廠的SIS采用的是HIMA的H51q-HRS系統。HIMA H51q-HRS系統控制柜由中央機架、I/O卡件子機架和端子排組成，中央機架安裝有中央單元、通信模塊和電源模件，I/O機架安裝有I/O卡件、電源模塊及通信連接模塊等。該SIS系統不管是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，是相對獨立的。該系統接地要求采用等電位連接，如圖2所示。

圖2 SIS系統等電位連接示意圖

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

由于前面有浪涌安全柵柜，SIS機柜不涉及屏蔽接地，加上廠家要求工作電壓24V負浮空，所以凈化廠SIS機柜內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如下：

a. 配線鋼管之間的等電位連接斷開。根據《危險場所電氣防爆安全規范》，應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。

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

c. 裝置區電纜槽盒之間有的未做等電位連接或脫落。根據《危險場所電氣防爆安全規范》，應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。在雷雨天氣，不同金屬構件上會感應出不同的電壓，當它們距離較近時會產生火花放電，進而導致危險點火源的產生。電纜槽盒之間接觸不良，在雷雨天氣會感應出不同電壓，屬不安全狀態。根據《石油化工儀表接地設計規范》的要求，儀表電纜槽和電纜保護金屬管應做保護接地，可直接焊接或用接地線連接在附近已接地的金屬構件或金屬管道上，并應保證接地的連續和可靠。根據《儀表系統接地設計規定》，儀表系統接地采用等電位連接可以減少雷電傷害，降低干擾。

d. 由于四川達州地區的空氣濕度大，現場硫和硫化氫在潮濕環境里的腐蝕性能更強，多次機組跳車就是接線端腐蝕接地引起的。需加強防雨措施的檢查，及時更換老化的密封圈和規范接線箱(盒)進出線的防護。

儀表外殼與配線鋼管未做等電位連接。根據《石油化工儀表接地設計規范》的要求，儀表控制系統的保護接地應按電氣專業的有關標準規范和方法進行[5]，另外裝置區現場儀表基本上都安裝了浪涌保護器，浪涌保護器通過與儀表外殼連通來實現對地泄流，儀表外殼從防雷方面講應該接地。建議從接地網或附近已接地的金屬構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。

檢修后恢復不到位和配件損壞后，容易造成接地，并且達不到隔爆效果，但對隔爆回路現場機柜間又沒有安裝安全柵，所以存在嚴重安全隱患。

現場浪涌保護器檢修期也沒有進行測試，接地滿不滿足要求，能不能真正發揮其作用不能保證。

克勞斯爐故障頻發，檢查發現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鎖觸發聯鎖動作，但還是經常錯誤地發生檢測不到造成誤動作。經過實驗分析發現，主要是由于火檢信號對外界干擾要求很高，火檢信號電纜應采用雙層屏蔽，內層單點接地，外層兩端接地，以防止電磁脈沖的干擾，事實上就是信號屏蔽接地沒有達到要求。

檢修期間發現現場機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的電阻，而沒有對接地匯流條到接地匯總扁鐵以及扁鐵網的焊接腐蝕情況等進行檢查，雖然在機柜室地板下，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現路線的全面介紹和總結，以及對檢、維修過程中發現的接地方面的安全隱患的分析，提出加強對現場浪涌保護器的測試檢查，制定并落實與接地密切相關的火檢設備的屏蔽連接質量、加強接線端子的防腐、認真巡檢及時發現處理密封老化損壞、加強接地電阻的檢測和檢查。對包括現場儀表、DCS及SIS等在內的儀表接地體系施工安裝方案制定、驗收和維護提供借鑒，進而提高工廠儀表系統運行的可靠性和穩定性。