天然氣場站儀表控制系統(tǒng)接地設計淺析

上海燃氣工程設計研究有限公司 曹 佳

隨著天然氣行業(yè)的發(fā)展，越來越多天然氣場站無需就地人工干預，依托自動化控制系統(tǒng)即可保障整個場站的正常運營，各遠程監(jiān)控站在調(diào)度控制中心的統(tǒng)一指揮下完成各自的工作。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理，站控系統(tǒng)可負責場站各部分之間的協(xié)調(diào)運行，指揮天然氣場站的正常運行。

隨著自控系統(tǒng)集成化及自動化的水平不斷發(fā)展、工藝過程的日趨復雜，場站控制系統(tǒng)對雷擊的敏感性也同步增長，雷擊對天然氣場站的影響小至元件讀數(shù)的缺失，大到導致整個場站性能的降低甚至癱瘓。因此在場站的設計中，儀表控制系統(tǒng)的防雷和接地的重要性也日趨明顯。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發(fā)出干擾，保證儀表控制系統(tǒng)的正常工作。

1 儀表控制系統(tǒng)接地常見問題分析

由于天然氣場站儀表和設備多處于空曠區(qū)域，抗雷電電磁脈沖能力以及抗過電壓能力較弱，因此對于其控制系統(tǒng)來說，需要采取一系列的保護手段，如接地、屏蔽處理以及安裝必要的抗浪涌保護等，才能有效防止雷電事故的發(fā)生。在天然氣場站設計中，一般采取獨立式接閃桿及接地網(wǎng)對整個場站進行保護。室外工藝裝置區(qū)設備的防雷接地保護往往是設計中的重點，而儀表部分的接地設計經(jīng)常被忽略。常見的問題主要有：運行中現(xiàn)場儀表會受到直擊雷或感應雷的沖擊，導致儀表易被擊穿，這類情況發(fā)生損壞的多為現(xiàn)場儀表和室內(nèi)控制系統(tǒng)；施工時未做好電纜的屏蔽措施，遺漏部分設備的防浪涌保護，導致收集到的信號存在相互干擾；在施工時對儀表系統(tǒng)的接地不夠清楚明了，存在系統(tǒng)做法上的疑問，接地系統(tǒng)存在混接及漏項。

解決上述問題需要從整個系統(tǒng)逐一排查，檢查每個關鍵節(jié)點。首先需要明確工作接地、屏蔽接地、防靜電接地等各種接地系統(tǒng)是否混合聯(lián)接，造成信號的干擾，并且每一個接地系統(tǒng)是否按照規(guī)范規(guī)定施工到位；其次從現(xiàn)場儀表角度來分析，確認現(xiàn)場接線箱內(nèi)在信號合并時是否按照模擬量、開關量等不同的信號類型將電纜分開；在接線時是否考慮信號電纜屏蔽層做好接地；同時確認儀表的現(xiàn)場端和接收端均設置浪涌保護模塊對儀表進行保護。此外還需要確認機柜是否都正常做好接地保護、機柜間內(nèi)是否整體接地，防浪涌信號是否設置正確等。

2 儀表控制系統(tǒng)接地系統(tǒng)的分類

接地系統(tǒng)主要分為保護接地和工作接地兩種。在供電系統(tǒng)中，由于電氣設備絕緣發(fā)生故障可能會造成不應該攜帶電荷的部分突然帶電，或應該加載上低壓電的部分突然加載上高壓電等現(xiàn)象。為了杜絕出現(xiàn)上述現(xiàn)象而采取的保護措施稱為電氣設備的保護接地，即對在故障情況下可能呈現(xiàn)危險的對地電壓設備的外露可導電部分進行接地。

工作接地是指在正常或故障情況下為了保證電氣設備的可靠運行，而將電力系統(tǒng)中某一點接地。工作接地包括信號回路接地、屏蔽接地和本質(zhì)安全接地等，具體的接地形式說明詳見表1。

表1 工作接地類型表

3 儀表控制系統(tǒng)接地的常見做法

常見的天然氣場站通常設置工藝區(qū)以及生活區(qū)，而儀表控制系統(tǒng)的布置主要體現(xiàn)為室外設置的現(xiàn)場儀表以及控制室內(nèi)的控制系統(tǒng)。

3.1 儀表和線路接地保護

由于兩個或以上的接地點就會存在地電點位差形成地回路，從而對儀表形成干擾，因此同一個信號回路、同一屏蔽層只設一個接地點。由于站內(nèi)儀表常用的變送器等在現(xiàn)場端是不接地的，故其負端在計算機端子處接地。

除現(xiàn)場二次儀表外，其他如現(xiàn)場儀表橋架和穿線管等均應每隔30 m用接地線與已接地的金屬構件相連。個別現(xiàn)場儀表、電纜接線盒的保護接地連接，可就近接至已接地的金屬構件或金屬管道。特別需要指出的是，現(xiàn)場接地絕不能利用儲運可燃性介質(zhì)的金屬設備、管道以及與之相連的金屬構件進行接地。

3.2 控制室內(nèi)接地保護

控制室內(nèi)的儀表自控設備、機柜、儀表盤等應單獨分類設置保護接地、工作接地匯流排。各儀表設備的保護接地端子和信號及屏蔽接地端子通過各自的接地連線分別接至保護接地匯流排和工作接地匯流排。同樣，各類接地匯流排經(jīng)各自的接地分干線也需接至保護接地匯總板和工作接地匯總板。本質(zhì)安全接地根據(jù)選用的安全柵形式來定，通常隔離式安全柵采用隔離保護技術，不需要專門接地；齊納安全柵的接地匯流排通過接地導線及總接地板最終應與交流電源的中線起始端相連接。保護接地匯總板和工作接地匯總板各自經(jīng)過接地干線接到總接地板，從而形成控制室接地的主要網(wǎng)絡。

除此之外，控制室內(nèi)的防靜電地板應做靜電接地。靜電接地主要針對室內(nèi)的防靜電地面、活動地板、工作臺等，并且靜電接地應與保護接地合用接地系統(tǒng)。

4 儀表控制系統(tǒng)接地設計實例

4.1 項目概況

廣州市第10.5代TFT-LCD顯示器生產(chǎn)線項目配套 LNG氣化站工程，該生產(chǎn)線廠房的建設是廣州改革開放以來單筆投資最大的先進制造業(yè)項目，所以該配套氣化站的建設也成為了投資建設的重要節(jié)點。該項目主要工藝流程為：LNG以槽車運至LNG站，在站內(nèi)儲存、氣化、調(diào)壓、計量、加臭后經(jīng)輸配管網(wǎng)向廠區(qū)供氣。站內(nèi)設有工藝生產(chǎn)區(qū)及輔助區(qū)。工藝生產(chǎn)區(qū)由低溫儲罐區(qū)、氣化調(diào)壓區(qū)及卸車區(qū)組成；輔助區(qū)是一座一層的站房，其中設有儀表控制室及配電間，本站的站控系統(tǒng)即位于站房的儀表控制室內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)主要采集信號包括：壓力、溫度、閥門控制及反饋信號、流量信號、差壓信號、液位信號、探測器泄漏報警信號等。信號采集電纜基本采用埋地敷設，在儲罐區(qū)則沿金屬線槽敷，進控制室后從防靜電地板下方敷設至PLC機柜。PLC完成信號的集中控制和聯(lián)鎖邏輯，并且將重要信號傳送至調(diào)度中心，實現(xiàn)多地、分級系統(tǒng)控制。

本項目站址位于廣州市增城區(qū)，該地區(qū)屬于雷電高發(fā)區(qū)，年平均雷暴日為 76.1d，屬強雷區(qū)。經(jīng)查詢該地區(qū)氣象資料，本項目站區(qū)容易受到直擊雷和雷擊電磁脈沖干擾。其中直擊雷易對站內(nèi)室外布置的工藝裝置、儀表以及架空金屬線纜等產(chǎn)生熱效應，引起火花放電，從而造成設備損壞和人員安全隱患，雷擊電磁脈沖產(chǎn)生的過電壓和過電流易對設備造成損壞。

4.2 儀表控制系統(tǒng)接地設計思路

4.2.1 接地網(wǎng)設計

本項目儀表控制系統(tǒng)接地設計的第一步即是根據(jù)場站的總圖布置，設計合理的站區(qū)接地網(wǎng)。由于本項目場站內(nèi)的低壓配電系統(tǒng)接地型式采用TN-S制，因此確定采用人工接地極及接地扁鋼組成站區(qū)的接地網(wǎng)，并且工藝設備等與站區(qū)的接地網(wǎng)可靠相連。

4.2.2 設備接地

根據(jù)HG/T 20513－2014《儀表系統(tǒng)接地設計規(guī)范》的要求，本項目室外工藝裝置區(qū)需接地的設備主要有壓力變送器、溫度變送器、可燃氣體報警探測器及電動閥、接線箱以及現(xiàn)場的儀表橋架等，具體連接方法詳見圖1：

圖1 現(xiàn)場接地系統(tǒng)示意

該現(xiàn)場接地系統(tǒng)中，電設備外殼接地線應設專用接地的螺栓或者接線柱，橋架需兩端接地，橋架之間需用接地電纜連接，儀表及橋架接地后與就近的電氣接地網(wǎng)等電位連接，配線電纜金屬外皮兩端、保護鋼管兩端均應接地。

4.2.3 控制室接地

控制內(nèi)的接地設計主要包括DCS/PLC/EDS的機柜接地、操作站接地、以及防靜電地板接地?？紤]到項目實施方便，儀表工作接地最初擬采用串聯(lián)連接方式，見圖2，其中R1～R5為線路電阻。

圖2 串聯(lián)連接系統(tǒng)示意

在方案細化設計階段發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)做法雖然在施工時較為簡單方便，但是存在著一定隱患。由于本項目儀表及控制系統(tǒng)信號大多是 4～20 mA的信號，容易受到其他信號的干擾。當串聯(lián)在一起的柜1受到信號干擾的時候，會產(chǎn)生干擾電流I，串聯(lián)連接時柜1的基準電壓Un=I×(R1+R2+R3+R4+R5)；而此時的柜3的基準電壓Un=I×(R3+R4+R5)。可以看出柜1和柜3之間存在電壓差，即采用串聯(lián)的形式，會使受到干擾的柜子與其余的柜子之間的基準電壓不一致。為消除此類干擾的影響，在最終確定設計方案時將工作接地方式調(diào)整為并聯(lián)連接，見圖3，R1、R2為線路電阻。

圖3 并聯(lián)連接系統(tǒng)示意

并聯(lián)連接的具體做法為將儀表及控制系統(tǒng)工作接地的接地干線分別接到接地匯總板后，經(jīng)單獨的接地干線接到總接地板上，即使柜1發(fā)生信號干擾而產(chǎn)生干擾電流時，各個柜子的基準電壓均為Un=I×(R1+R2)，可以保證各個柜子的基準電壓一致。

綜合以上分析，考慮到參考電壓的不一致這對于同一個接地系統(tǒng)是不可取的，對于4～20 mA的信號，微小的干擾都會影響到控制和數(shù)據(jù)采集的巨大偏差，所以最終本項目建筑物內(nèi)的DCS/PLC/EDS的機柜和操作站以及防靜電地板接地設計詳見圖4：

圖4 控制室接地系統(tǒng)示意

同時，為防止不同接地點之間形成電位差，控制室接地設計遵循保護接地和工作接地隔離設置，其中儀表柜內(nèi)信號接地與保護接地均獨立設置，機柜內(nèi)信號接地匯流排、保護接地匯流排安裝在機柜室活動地板下，建筑物內(nèi)總接地板聯(lián)結，最終與工廠接地網(wǎng)相連。

4.3 場站接地網(wǎng)的設計要點

為利于雷電流的散流和內(nèi)部點位的均衡，場站接地網(wǎng)的布置采用環(huán)網(wǎng)型。接地網(wǎng)在布置時與設備以及工藝管道均保持3 m的水平間距。接地極采用L50×5，L=2 500的熱鍍鋅角鋼，接地網(wǎng)連接線選用－40×4熱鍍鋅扁鋼，埋深0.8 m。接地極間隔有5 m，并優(yōu)先設置于工藝裝置區(qū)等露天易受雷擊的工藝設備附近。

工藝裝置區(qū)設備之間布置較為緊湊，這對于接地網(wǎng)的設計是一個難點。考慮到施工上的便捷以及接地的安全性，本項目的接地網(wǎng)以及接地極敷設于綠化帶下，避開進出站易受到重車擠壓的道路以及人員進出的大門。同時考慮到今后站內(nèi)擴容改造的需求，項目的接地網(wǎng)布置盡量緊湊，為今后管道的延伸或設備的增加預留備用的場地。

在確定接地方案時，本項目業(yè)主對控制系統(tǒng)的安全性非常重視，提出要為儀表系統(tǒng)單獨設置一套接地體。對于單獨接地的控制系統(tǒng)，其接地網(wǎng)和電氣接地網(wǎng)需離開5 m的距離，經(jīng)與總圖設計溝通，布置單獨接地體的難度非常大。

通過對現(xiàn)場環(huán)境的實測及場站功能的分析，本項目所在地的土壤電阻率達到相關規(guī)范要求，場站周邊也不存在嚴重的電磁干擾，并且所采用的儀表對噪聲敏感并無特別要求，所有儀表與電力系統(tǒng)接地網(wǎng)位置較近，因此可不設單獨接地體，而是與電力系統(tǒng)共用接地體，一方面較為經(jīng)濟合理，另一方面解決了用地的困擾。

4.4 主要設備材料的選擇

4.4.1 電纜

為了防止雷擊電磁脈沖干擾，本項目所有儀表線纜均選用屏蔽電纜，并要求在施工時確保屏蔽層一端接地，而對于選用的鎧裝電纜的金屬鎧不用作屏蔽保護接地?，F(xiàn)場用于信號收集合并接線箱內(nèi)的端子兩側(cè)的電纜屏蔽線應在箱內(nèi)進行跨接。

4.4.2 接地線

本項目接地系統(tǒng)的導線多采用多股絞合銅芯絕緣電線或電纜，用綠/黃色標記，并且在截面選擇應根據(jù)接地類型來選擇，詳見表2：

表2 接地線選擇表

4.4.3 現(xiàn)場儀表

對于所在地這種容易遭受雷擊的區(qū)域的項目，參照石油化工防雷規(guī)范的要求，現(xiàn)場儀表選擇帶防雷擊有浪涌保護的二線制變送器，既對現(xiàn)場儀表進行保護，又省去了后期加裝的工序。

4.4.4 控制柜

GA 267－2000《計算機信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖安全防護規(guī)范》第8.4條要求：凡設在年平均雷電日大于5的地區(qū)的計算機信息系統(tǒng)，原則上均應裝設防雷保護器，以防止雷電電磁脈沖過電壓和過電流侵入計算機系統(tǒng)設備。因此在柜內(nèi)檢測儀表信號傳輸接口的所有I/O點、通信接口、供電接口等關鍵部位都應該設置浪涌保護器。浪涌保護器選擇第II級SPD，波形為8/20 μs，采用與信號一對一的方式。

4.5 接地系統(tǒng)的驗收和維護

項目接地系統(tǒng)安裝完成后，需對接地系統(tǒng)工程進行運行驗收。根據(jù) GB 50169－2016《電氣裝置安裝工程 接地裝置施工及驗收規(guī)范》中的要求，需對接地網(wǎng)外露部分的連接、接地線規(guī)格、防腐層、接地標志等內(nèi)容進行檢查并做好測試記錄，確保場站接地部分工程符合設計規(guī)定。

對于儀表系統(tǒng)的接地而言，接地系統(tǒng)的完整性及完好性需要定期檢查和維護。接地裝置運行過程中，接地線和接地體會因外力破壞或腐蝕造成損傷或斷裂，接地電阻也會隨著土壤變化發(fā)生變化，因此必須對接地裝置定期進行檢查。一般3～5 y對地面下接地體檢查一次；接地裝置的接地電阻一般1～3 y測量一次。各種防雷裝置的接地裝置每年在雷雨季前檢查一次，對有腐蝕型土壤的接地裝置。在電氣設備檢修后，應檢查接地線連接情況，是否牢固可靠。

5 結語

通過對天然氣場站經(jīng)常遇到的問題反饋及資料分析來看，雷擊造成儀表損壞以及控制系統(tǒng)失靈的事故時有發(fā)生。究其原因除了線纜、儀表的選型規(guī)格不符合規(guī)定外，更多是在防雷接地方面的施工存在不足。因此，天然氣場站儀表控制系統(tǒng)在工程設計、安裝施工和運行維護時都需要全面考慮接地系統(tǒng)的完整性。除了做好保護接地、工作接地等接地系統(tǒng)，還需要根據(jù)規(guī)范要求，做好各類抗雷擊抗干擾的保護措施，方能保證天然氣場站中控制系統(tǒng)正常運行。