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上海自動(dòng)化儀表有限公司的溫度變送器在天然氣行業(yè)廣泛操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析[描 述]： 2018至2019年中由于受到雷擊給儀表失靈產(chǎn)生故障的事故呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這給控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來了很大的隱患，因此，在場(chǎng)站的設(shè)計(jì)中，儀表控制系統(tǒng)的防雷和接地的重要性也日趨明顯。通過實(shí)際工程案例，對(duì)場(chǎng)站中儀表控制系統(tǒng)接地方式和方法進(jìn)行闡述，并對(duì)場(chǎng)站中接地系統(tǒng)常見問題進(jìn)行分析，并給出了相應(yīng)的措施。 隨著天然氣行業(yè)的發(fā)展，越來越多天然氣場(chǎng)站無需就地人工干預(yù)，依托自動(dòng)化控制系統(tǒng)即可保障整個(gè)場(chǎng)站的正常運(yùn)營(yíng)，各遠(yuǎn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和處理，站控系統(tǒng)可負(fù)責(zé)場(chǎng)站各部分之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，指揮天然氣場(chǎng)站的正常運(yùn)行。 隨著自控系統(tǒng)集成化及自動(dòng)化的水平不斷發(fā)展、工藝過程的日趨復(fù)雜，場(chǎng)站控制系統(tǒng)對(duì)雷擊的敏感性也同步增長(zhǎng)，雷擊對(duì)天然氣場(chǎng)站的影響小至元件讀數(shù)的缺失，大到導(dǎo)致整個(gè)場(chǎng)站性能的降低甚至癱瘓。因此在場(chǎng)站的設(shè)計(jì)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(shè)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(chǎng)站儀表和設(shè)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(duì)于其控制系統(tǒng)來說，需要采取一系列的保護(hù)手段，如接地、屏蔽處理以及安裝必要的抗浪涌保護(hù)等，才能有效防止雷電事故的發(fā)生。在天然氣場(chǎng)站設(shè)計(jì)中，一般采取好立式接閃桿及接地網(wǎng)對(duì)整個(gè)場(chǎng)站進(jìn)行保護(hù)。室外工藝裝置區(qū)設(shè)備的防雷接地保護(hù)往往是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，而儀表部分的接地設(shè)計(jì)經(jīng)常被忽略。常見的問題主要有：運(yùn)行中現(xiàn)場(chǎng)儀表會(huì)受到直擊雷或感應(yīng)雷的沖擊，導(dǎo)致儀表易被擊穿，這類情況發(fā)生損壞的多為現(xiàn)場(chǎng)儀表和室內(nèi)控制系統(tǒng)；施工時(shí)未做好電纜的屏蔽措施，遺漏部分設(shè)備的防浪涌保護(hù)，導(dǎo)致收集到的信號(hào)存在相互干擾；在施工時(shí)對(duì)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(xiàng)。 解決上述問題需要從整個(gè)系統(tǒng)逐一排查，檢查每個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。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(hào)的干擾，并且每一個(gè)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(chǎng)儀表角度來分析，確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)接線箱內(nèi)在信號(hào)合并時(shí)是否按照模擬量、開關(guān)量等不同的信號(hào)類型將電纜分開；在接線時(shí)是否考慮信號(hào)電纜屏蔽層做好接地；同時(shí)確認(rèn)儀表的現(xiàn)場(chǎng)端和接收端均設(shè)置浪涌保護(hù)模塊對(duì)儀表進(jìn)行保護(hù)。此外還需要確認(rèn)機(jī)柜是否都正常做好接地保護(hù)、機(jī)柜間內(nèi)是否整體接地，防浪涌信號(hào)是否設(shè)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(hù)接地和工作接地兩種。在供電系統(tǒng)中，由于電氣設(shè)備絕緣發(fā)生故障可能會(huì)造成不應(yīng)該攜帶電荷的部分突然帶電，或應(yīng)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(hù)措施稱為電氣設(shè)備的保護(hù)接地，即對(duì)在故障情況下可能呈現(xiàn)危險(xiǎn)的對(duì)地電壓設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分進(jìn)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(shè)備的可靠運(yùn)行，而將電力系統(tǒng)中某一點(diǎn)接地。工作接地包括信號(hào)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。  3 儀表控制系統(tǒng)接地的常見做法 常見的天然氣場(chǎng)站通常設(shè)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(shè)置的現(xiàn)場(chǎng)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(hù) 由于兩個(gè)或以上的接地點(diǎn)就會(huì)存在地電點(diǎn)位差形成地回路，從而對(duì)儀表形成干擾，因此同一個(gè)信號(hào)回路、同一屏蔽層只設(shè)一個(gè)接地點(diǎn)。由于站內(nèi)儀表常用的變送器等在現(xiàn)場(chǎng)端是不接地的，故其負(fù)端在計(jì)算機(jī)端子處接地。 除現(xiàn)場(chǎng)二次儀表外，其他如現(xiàn)場(chǎng)儀表橋架和穿線管等均應(yīng)每隔30 m 用接地線與已接地的金屬構(gòu)件相連。個(gè)別現(xiàn)場(chǎng)儀表、電纜接線盒的保護(hù)接地連接，可就近接至已接地的金屬構(gòu)件或金屬管道。特別需要指出的是，現(xiàn)場(chǎng)接地絕不能利用儲(chǔ)運(yùn)可燃性介質(zhì)的金屬設(shè)備、管道以及與之相連的金屬構(gòu)件進(jìn)行接地。 3.2 控制室內(nèi)接地保護(hù) 控制室內(nèi)的儀表自控設(shè)備、機(jī)柜、儀表盤等應(yīng)單好分類設(shè)置保護(hù)接地、工作接地匯流排。各儀表設(shè)備的保護(hù)接地端子和信號(hào)及屏蔽接地端子通過各自的接地連線分別接至保護(hù)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(hù)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(hù)技術(shù)，不需要專門接地；齊納安全柵的接地匯流排通過接地導(dǎo)線及總接地板非常終應(yīng)與交流電源的中線起始端相連接。保護(hù)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(luò)。 除此之外，控制室內(nèi)的防靜電地板應(yīng)做靜電接地。靜電接地主要針對(duì)室內(nèi)的防靜電地面、活動(dòng)地板、工作臺(tái)等，并且靜電接地應(yīng)與保護(hù)接地合用接地系統(tǒng)。 4 儀表控制系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)實(shí)例 4.1 項(xiàng)目概況 廣州市第10.5 代TFT-LCD 顯示器生產(chǎn)線項(xiàng)目配套LNG 氣化站工程，該生產(chǎn)線廠房的建設(shè)是廣州改革開放以來單筆投資非常大的先進(jìn)制造業(yè)項(xiàng)目，所以該配套氣化站的建設(shè)也成為了投資建設(shè)的重要節(jié)點(diǎn)。該項(xiàng)目主要工藝流程為：LNG 以槽車運(yùn)至LNG 站，在站內(nèi)儲(chǔ)存、氣化、調(diào)壓、計(jì)量、加臭后經(jīng)輸配管網(wǎng)向廠區(qū)供氣。站內(nèi)設(shè)有工藝生產(chǎn)區(qū)及輔助區(qū)。工藝生產(chǎn)區(qū)由低溫儲(chǔ)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(shè)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)。控制系統(tǒng)主要采集信號(hào)包括：壓力、溫度、閥門控制及反饋信號(hào)、流量信號(hào)、差壓信號(hào)、液位信號(hào)、探測(cè)器泄漏報(bào)警信號(hào)等。信號(hào)采集電纜基本采用埋地敷設(shè)，在儲(chǔ)罐區(qū)則沿金屬線槽敷，進(jìn)控制室后從防靜電地板下方敷設(shè)至PLC 機(jī)柜。PLC完成信號(hào)的集中控制和聯(lián)鎖邏輯，并且將重要信號(hào)傳送至調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)多地、分級(jí)系統(tǒng)控制。本項(xiàng)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?gòu)?qiáng)雷區(qū)。經(jīng)查詢?cè)摰貐^(qū)氣象資料，本項(xiàng)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(duì)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(yīng)，引起火花放電，從而造成設(shè)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(duì)設(shè)備造成損壞。 4.2 儀表控制系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)思路 4.2.1 接地網(wǎng)設(shè)計(jì) 本項(xiàng)目?jī)x表控制系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)的第一步即是根據(jù)場(chǎng)站的總圖布置，設(shè)計(jì)合理的站區(qū)接地網(wǎng)。由于本項(xiàng)目場(chǎng)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(shè)備等與站區(qū)的接地網(wǎng)可靠相連。 4.2.2 設(shè)備接地 根據(jù)HG/T 20513－2014《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，本項(xiàng)目室外工藝裝置區(qū)需接地的設(shè)備主要有壓力變送器、溫度變送器、可燃?xì)怏w報(bào)警探測(cè)器及電動(dòng)閥、接線箱以及現(xiàn)場(chǎng)的儀表橋架等，具體連接方法詳見圖1：  該現(xiàn)場(chǎng)接地系統(tǒng)中，電設(shè)備外殼接地線應(yīng)設(shè)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(hù)鋼管兩端均應(yīng)接地。 4.2.3 控制室接地 控制內(nèi)的接地設(shè)計(jì)主要包括DCS/PLC/EDS 的機(jī)柜接地、操作站接地、以及防靜電地板接地?？紤]到項(xiàng)目實(shí)施方便，儀表工作接地非常初擬采用串聯(lián)連接方式，見圖2，其中R1~R5 為線路電阻。  在方案細(xì)化設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)做法雖然在施工時(shí)較為簡(jiǎn)單方便，但是存在著一定隱患。由于本項(xiàng)目?jī)x表及控制系統(tǒng)信號(hào)大多是4～20 mA 的信號(hào)，容易受到其他信號(hào)的干擾。當(dāng)串聯(lián)在一起的柜1 受到信號(hào)干擾的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生干擾電流I，串聯(lián)連接時(shí)柜1 的基準(zhǔn)電壓Un=I×(R1+R2+R3+R4+R5)【www.shhzy3.cn】；而此時(shí)的柜3 的基準(zhǔn)電壓Un=I×(R3+R4+R5)?？梢钥闯龉? 和柜3 之間存在電壓差，即采用串聯(lián)的形式，會(huì)使受到干擾的柜子與其余的柜子之間的基準(zhǔn)電壓不一致。為消除此類干擾的影響，在非常終確定設(shè)計(jì)方案時(shí)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。  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)單好的接地干線接到總接地板上，即使柜1 發(fā)生信號(hào)干擾而產(chǎn)生干擾電流時(shí)，各個(gè)柜子的基準(zhǔn)電壓均為Un=I×(R1+R2)，可以保證各個(gè)柜子的基準(zhǔn)電壓一致。 綜合以上分析，考慮到參考電壓的不一致這對(duì)于同一個(gè)接地系統(tǒng)是不可取的，對(duì)于4～20 mA 的信號(hào)，微小的干擾都會(huì)影響到控制和數(shù)據(jù)采集的巨大偏差，所以非常終本項(xiàng)目建筑物內(nèi)的DCS/PLC/EDS的機(jī)柜和操作站以及防靜電地板接地設(shè)計(jì)詳見圖4：  同時(shí)，為防止不同接地點(diǎn)之間形成電位差，控制室接地設(shè)計(jì)遵循保護(hù)接地和工作接地隔離設(shè)置，其中儀表柜內(nèi)信號(hào)接地與保護(hù)接地均好立設(shè)置，機(jī)柜內(nèi)信號(hào)接地匯流排、保護(hù)接地匯流排安裝在機(jī)柜室活動(dòng)地板下，建筑物內(nèi)總接地板聯(lián)結(jié)，非常終與工廠接地網(wǎng)相連。 4.3 場(chǎng)站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 為利于雷電流的散流和內(nèi)部點(diǎn)位的均衡，場(chǎng)站接地網(wǎng)的布置采用環(huán)網(wǎng)型。接地網(wǎng)在布置時(shí)與設(shè)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(shè)置于工藝裝置區(qū)等露天易受雷擊的工藝設(shè)備附近。 工藝裝置區(qū)設(shè)備之間布置較為緊湊，這對(duì)于接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)?？紤]到施工上的便捷以及接地的安全性，本項(xiàng)目的接地網(wǎng)以及接地極敷設(shè)于綠化帶下，避開進(jìn)出站易受到重車擠壓的道路以及人員進(jìn)出的大門。同時(shí)考慮到今后站內(nèi)擴(kuò)容改造的需求，項(xiàng)目的接地網(wǎng)布置盡量緊湊，為今后管道的延伸或設(shè)備的增加預(yù)留備用的場(chǎng)地。在確定接地方案時(shí)，本項(xiàng)目業(yè)主對(duì)控制系統(tǒng)的安全性非常重視，提出要為儀表系統(tǒng)單好設(shè)置一套接地體。對(duì)于單好接地的控制系統(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(shè)計(jì)溝通，布置單好接地體的難度非常大。 通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)測(cè)及場(chǎng)站功能的分析，本項(xiàng)目所在地的土壤電阻率達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求，場(chǎng)站周邊也不存在嚴(yán)重的電磁干擾，并且所采用的儀表對(duì)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(shè)單好接地體，而是與電力系統(tǒng)共用接地體，一方面較為經(jīng)濟(jì)合理，另一方面解決了用地的困擾。 4.4 主要設(shè)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(xiàng)目所有儀表線纜均選用屏蔽電纜，并要求在施工時(shí)確保屏蔽層一端接地，而對(duì)于選用的鎧裝電纜的金屬鎧不用作屏蔽保護(hù)接地?，F(xiàn)場(chǎng)用于信號(hào)收集合并接線箱內(nèi)的端子兩側(cè)的電纜屏蔽線應(yīng)在箱內(nèi)進(jìn)行跨接。 4.4.2 接地線 本項(xiàng)目接地系統(tǒng)的導(dǎo)線多采用多股絞合銅芯絕緣電線或電纜，用綠/黃色標(biāo)記，并且在截面選擇應(yīng)根據(jù)接地類型來選擇，詳見表2：  4.4.3 現(xiàn)場(chǎng)儀表 對(duì)于所在地這種容易遭受雷擊的區(qū)域的項(xiàng)目，參照石油化工防雷規(guī)范的要求，現(xiàn)場(chǎng)儀表選擇帶防雷擊有浪涌保護(hù)的二線制變送器，既對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行保護(hù)，又省去了后期加裝的工序。 4.4.4 控制柜 GA 267－2000《計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖安全防護(hù)規(guī)范》第8.4 條要求：凡設(shè)在年平均雷電日大于5 的地區(qū)的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)，原則上均應(yīng)裝設(shè)防雷保護(hù)器，以防止雷電電磁脈沖過電壓和過電流侵入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備。因此在柜內(nèi)檢測(cè)儀表信號(hào)傳輸接口的所有I/O 點(diǎn)、通信接口、供電接口等關(guān)鍵部位都應(yīng)該設(shè)置浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器選擇第II 級(jí)SPD，波形為8/20 μs，采用與信號(hào)一對(duì)一的方式。 4.5 接地系統(tǒng)的驗(yàn)收和維護(hù) 項(xiàng)目接地系統(tǒng)安裝完成后，需對(duì)接地系統(tǒng)工程進(jìn)行運(yùn)行驗(yàn)收。根據(jù)GB 50169－2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》中的要求，需對(duì)接地網(wǎng)外露部分的連接、接地線規(guī)格、防腐層、接地標(biāo)志等內(nèi)容進(jìn)行檢查并做好測(cè)試記錄，確保場(chǎng)站接地部分工程符合設(shè)計(jì)規(guī)定。 對(duì)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(hù)。接地裝置運(yùn)行過程中，接地線和接地體會(huì)因外力破壞或腐蝕造成損傷或斷裂，接地電阻也會(huì)隨著土壤變化發(fā)生變化，因此必須對(duì)接地裝置定期進(jìn)行檢查。一般3~5Y 對(duì)地面下接地體檢查一次；接地裝置的接地電阻一般1~3Y測(cè)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(duì)有腐蝕型土壤的接地裝置。在電氣設(shè)備檢修后，應(yīng)檢查接地線連接情況，是否牢固可靠。 5 結(jié) 語(yǔ) 通過對(duì)天然氣場(chǎng)站經(jīng)常遇到的問題反饋及資料分析來看，雷擊造成儀表?yè)p壞以及控制系統(tǒng)失靈的事故時(shí)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(chǎng)站儀表控制系統(tǒng)在工程設(shè)計(jì)、安裝施工和運(yùn)行維護(hù)時(shí)都需要全面考慮接地系統(tǒng)的完整性。除了做好保護(hù)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(hù)措施，才能保證天然氣場(chǎng)站中控制系統(tǒng)高效率正常運(yùn)作。 以上信息來源于上海自動(dòng)化儀表股份有限公司自動(dòng)化儀表廠 互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)新聞，特此聲明！ 請(qǐng)電話聯(lián)系銷售宣傳部門或訪問我們官網(wǎng)：http:////
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