LNG分輸站雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

摘 要

LNG分輸站雷電風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自建(構(gòu))筑物防直擊雷設(shè)施及工藝區(qū)內(nèi)各管道、設(shè)備接地的施工質(zhì)量問(wèn)題，以及引入服務(wù)設(shè)施的雷電電磁脈沖問(wèn)題。
摘要：在提倡使用清潔能源、大力推進(jìn)天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的今天，雷電災(zāi)害已成為石油化工行業(yè)不容忽視的安全隱患之一，而我國(guó)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作相對(duì)國(guó)外則開(kāi)展較晚，目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)石油化工行業(yè)的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。為此，利用IEC62305《雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估》中的評(píng)估方法，對(duì)福建LNG輸氣干線工程——莆田LNG分輸站實(shí)地情況進(jìn)行了勘查與防雷檢測(cè)，據(jù)此對(duì)評(píng)估模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，有效地選定了所有評(píng)估參數(shù)，經(jīng)計(jì)算得出了雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論：LNG分輸站雷電風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自建(構(gòu))筑物防直擊雷設(shè)施及工藝區(qū)內(nèi)各管道、設(shè)備接地的施工質(zhì)量問(wèn)題，以及引入服務(wù)設(shè)施的雷電電磁脈沖問(wèn)題。由此提出了相應(yīng)的防雷整改措施一控制防雷施工質(zhì)量，并采取屏蔽服務(wù)設(shè)施線路、合理布線、等電位聯(lián)結(jié)以及在防雷分區(qū)交界處安裝參數(shù)適配的浪涌保護(hù)器等。這樣做可將LNG分輸站雷電風(fēng)險(xiǎn)值控制在可承受風(fēng)險(xiǎn)值以下，將人身傷亡的風(fēng)險(xiǎn)值降低到規(guī)范要求可承受風(fēng)險(xiǎn)值以下。
關(guān)鍵詞：LNG分輸站；雷電；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；評(píng)估模型；評(píng)估參數(shù)；風(fēng)險(xiǎn)值
    據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年約有10億次雷暴發(fā)生，每秒鐘的地閃就有30～100次，平均每天發(fā)生閃電800×104次。雷暴天氣帶來(lái)的強(qiáng)降水、大風(fēng)、強(qiáng)光、強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)電流、強(qiáng)聲波、電磁脈沖輻射和無(wú)線電噪聲等，會(huì)對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生巨大的危害[1]。我國(guó)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估這項(xiàng)工作相對(duì)國(guó)外開(kāi)展較晚，缺少經(jīng)驗(yàn)。因此需要在國(guó)際防雷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，參考我國(guó)相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，大力開(kāi)展雷電風(fēng)險(xiǎn)的工程評(píng)估和研究，盡快推行全面雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，提升防雷工程的科學(xué)性，加強(qiáng)防雷工作管理。
1 LNG分輸站概況
福建LNG輸氣干線工程莆田分輸站位于福建省莆田市荔城區(qū)黃石鎮(zhèn)和平村東側(cè)700m、金山村西南側(cè)400m處，廠區(qū)周?chē)鸀椴说?，地?shì)平坦，場(chǎng)區(qū)南側(cè)緊鄰一條村級(jí)水泥公路。站場(chǎng)分區(qū)布置主要由辦公區(qū)、工藝設(shè)備區(qū)、排污池和放空區(qū)組成，詳見(jiàn)圖1。辦公區(qū)有綜合樓1棟，其南面為停車(chē)場(chǎng)，東面大門(mén)口有門(mén)衛(wèi)房及發(fā)、配電房；辦公區(qū)北面為裝置區(qū)，較為空曠，所有設(shè)備均露天設(shè)置，2臺(tái)高大加熱爐、管道、閥門(mén)、分析室小屋等遭直擊雷電的幾率較高，站內(nèi)各種計(jì)量、調(diào)壓工作狀態(tài)等信息通過(guò)RS485上傳至綜合樓內(nèi)站控系統(tǒng)；放空區(qū)有1根高度為12m的放空管；另外整個(gè)站場(chǎng)分布路燈及監(jiān)控探頭，均為高度近10m的金屬矗立物，極易導(dǎo)致直接雷擊。
 

2 LNG分輸站雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
2.1 LNG分輸站分區(qū)布置的簡(jiǎn)化處理
    雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵是選擇一個(gè)盡可能合適的評(píng)估方法[2]。目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)較少，雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型存在定量化不足和缺乏選擇性等缺陷，參數(shù)的選取大多以經(jīng)驗(yàn)為主，可靠性和可操作性較差。由于國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)石油化工行業(yè)的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，因此，評(píng)估的關(guān)鍵是將LNG分輸站內(nèi)的分區(qū)布置情況進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，以適用于評(píng)估模型。
2.2 雷電損害的成因分析
    通常，雷電損害的成因有以下5種：①直接雷電下的接觸電壓和跨步電壓；②直接雷電引起的著火、爆炸、機(jī)械效應(yīng)及化學(xué)效應(yīng)；③直接雷電下設(shè)備上的過(guò)電壓；④間接雷電下設(shè)備上的過(guò)電壓；⑤間接雷電引起的著火、爆炸、機(jī)械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)[3]。
2.3 針對(duì)人身傷亡的雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)選定
    雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)的選定是雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估最大的難點(diǎn)，因?yàn)槊總€(gè)參數(shù)選定的精確度將直接影響到最后的評(píng)估結(jié)果。表1～3列出了雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型中所有涉及的參數(shù)，現(xiàn)將其中較難選定的部分參數(shù)處理過(guò)程進(jìn)行描述。
2.3.1 LNG分輸站的高度(H)
分輸站內(nèi)各分區(qū)建(構(gòu))筑物均高低不同，如裝置區(qū)設(shè)備高度均為1～2m，變、配電房高度為5m左右，而加熱爐高度則超過(guò)9m，但站內(nèi)均勻分布著若干路燈及監(jiān)控支架，其高度與綜合樓高度相當(dāng)，因此，可將整個(gè)LNG分輸站高度簡(jiǎn)化處理為9.6m，詳見(jiàn)表1。
2.3.2直接雷擊致生物觸電概率(PA)
由于LNG分輸站內(nèi)建(構(gòu))筑物均利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱內(nèi)鋼筋作為防雷引下線，故縮減因子取1×10-2；站內(nèi)所有建(構(gòu))筑物均利用人工接地體進(jìn)行等電位連接且接地體為網(wǎng)格狀，可以有效降低跨步電壓引起的危害，故縮減因子取1×10-2。綜上所述，PA=10-2×10-2=10-4，詳見(jiàn)表1。
 
2.3.3外部防雷裝置(PB)
    經(jīng)檢測(cè)，LNG分輸站內(nèi)綜合樓屋面存在避雷帶有未形成閉合回路、引下線與避雷帶焊接長(zhǎng)度未達(dá)到規(guī)范要求等缺陷，因此認(rèn)為外部防雷裝置(LPS)的取值選定為2×10-1，詳見(jiàn)表1。
2.3.4線路屏蔽及預(yù)防措施(PLD、KS3)
    LNG分輸站內(nèi)電力設(shè)施由配電房引出低壓配電線路至各區(qū)域，包括綜合樓、工藝設(shè)備區(qū)及路燈處，均采用套鋼管埋地敷設(shè)，但埋地鋼管未在兩端進(jìn)行接地處理，未形成屏蔽層的作用，而線路在敷設(shè)過(guò)程中形成了大面積回路，因此PLD為1、KS3為1，詳見(jiàn)表2、表3。同樣，站內(nèi)弱電線纜(從站控室引出至工藝設(shè)備區(qū)各設(shè)備的控制線路及消防報(bào)警線路)的外套鋼管也未進(jìn)行兩端接地處理，取值與電力設(shè)施相同。
2.3.5高壓電力電纜及電力設(shè)施高度(Hc)、系統(tǒng)耐受沖擊電壓(KS4)
    LNG分輸站電力系統(tǒng)由當(dāng)?shù)仉姌I(yè)局敷設(shè)，將市電電源架空進(jìn)線裝于10kV電桿上引至LNG分輸站內(nèi)變、配電房，經(jīng)帶保護(hù)外殼干式變壓器變壓后向LNG分輸站內(nèi)設(shè)備供電。經(jīng)檢測(cè)，高壓架空線電桿高度Hc為12m，詳見(jiàn)表2，而經(jīng)查詢上述變壓器參數(shù)資料，得出系統(tǒng)耐受沖擊電壓為75kV。因此KS4為0.02(1.5/75)，詳見(jiàn)表2。
 
2.3.6相配合的浪涌保護(hù)器(SPD)保護(hù)(PSPD)
    雖然強(qiáng)電系統(tǒng)安裝了電源SPD，但安裝的位置及數(shù)量并未完全符合規(guī)范要求。如綜合樓向站控機(jī)房供電的UPS電源前端安裝的SPD與安裝在變、配電房1AA配電柜內(nèi)的前級(jí)SPD參數(shù)相同，而進(jìn)入綜合樓的生活用配電回路未在防雷分區(qū)交界處安裝任何SPD，因此綜合考慮，強(qiáng)電PSPD，為0.1，詳見(jiàn)表2。弱電系統(tǒng)未安裝任何信號(hào)SPD，故此時(shí)PSPD為1，詳見(jiàn)表2。
2.3.7引入LNG分輸站的弱電線纜包括電視、電信及寬帶線路
    其中電視、電信線纜評(píng)估參數(shù)基本一致，而由于寬帶以光纖形式引入，且在光纖轉(zhuǎn)換器前端已將金屬加強(qiáng)芯和鎧裝層可靠接地，故評(píng)估中忽略此項(xiàng)。
2.3.8 特殊傷害(hz)站內(nèi)工藝設(shè)備區(qū)為爆炸危險(xiǎn)環(huán)境
    若天然氣管道因雷擊發(fā)生爆炸，天然氣能量瞬間釋放，將會(huì)對(duì)地形地貌造成機(jī)械損害，破壞土壤植被的完整性。大約一半的事故都伴隨著天然氣的燃燒，熱輻射加重了機(jī)械損傷[4]。但天然氣屬于清潔能源，其燃燒后只會(huì)生成少量的水分及二氧化碳，所以，特殊傷害hz為20，詳見(jiàn)表3。

2.4 公式計(jì)算
選定相關(guān)參數(shù)后，根據(jù)規(guī)范IEC60305中給定的公式，先后計(jì)算出建(構(gòu))筑物及引入設(shè)施截收面積(結(jié)果見(jiàn)表4)、預(yù)計(jì)年累計(jì)次數(shù)(結(jié)果見(jiàn)表5)、人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)分量(結(jié)果見(jiàn)表6)等值(表4～6中方程引自本文參考文獻(xiàn)[3])。
 
2.5 雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論
    為了保障LNG分輸站內(nèi)人員的人身安全，必須保證人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)小于LNG分輸站能接受的風(fēng)險(xiǎn)值RT(10-5)。由上述計(jì)算結(jié)果可知，R大于RT，可見(jiàn)該LNG分輸站防雷裝置的安全性應(yīng)進(jìn)一步提高，以加強(qiáng)對(duì)站內(nèi)人員的保護(hù)。
2.6 防雷裝置整改措施及成效
    分析表6可知，造成人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)值過(guò)高的原因主要在于RB和RV。因此只需針對(duì)這兩個(gè)參數(shù)采取相關(guān)措施：
    1) 將所有強(qiáng)電、弱電線纜屏蔽層兩端進(jìn)行接地處理，在所有防雷分區(qū)交界處安裝高效的(LPLⅠ級(jí))SPD[5]，并注意前后能級(jí)配合。
    2) 加強(qiáng)直擊雷防護(hù)，對(duì)防雷裝置不完善的地方一一整改，使達(dá)到LPSⅠ[6]級(jí)防護(hù)水平。
    3) 工藝設(shè)備區(qū)分析室附近加裝避雷針保護(hù)，并將分析室外殼及基座可靠接地。
    實(shí)施上述防雷改進(jìn)措施后，下列評(píng)估參數(shù)發(fā)生變化：
    PB=0.02
    Pc=PU=PV=0.01(電源與弱電均相同)
R=RA+RB+RU+RV=8.730×10-13+0.349×10-5+3.43×10-8+0.295×10-5+0.218×10-5
=0.862×10-5＜10-5
    采取上述整改措施，有效地將因雷電引發(fā)的人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)降低到可承受值以下，達(dá)到了評(píng)估規(guī)范所規(guī)定的要求。
3 結(jié)束語(yǔ)
    利用雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以對(duì)LNG分輸站防雷工程的質(zhì)量作出量化判斷，從而更加理性、有針對(duì)性地去采取經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、有效地防雷措施以達(dá)到保護(hù)人身安全的目的。由評(píng)估案例可見(jiàn)，控制LNG分輸站場(chǎng)站內(nèi)建(構(gòu))筑物防直擊雷設(shè)施及工藝區(qū)內(nèi)各管道、設(shè)備接地的施工質(zhì)量，并采取屏蔽服務(wù)設(shè)施線路、合理布線、等電位聯(lián)結(jié)以及在防雷分區(qū)交界處安裝參數(shù)適配的SPD等措施，是將LNG分輸站雷電風(fēng)險(xiǎn)值控制在可承受風(fēng)險(xiǎn)值以下最行之有效的方法。目前石油化工行業(yè)大量使用工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，導(dǎo)致設(shè)備抗干擾、耐沖擊能力顯著下降，而上述技術(shù)措施正是解決該問(wèn)題的有效途徑。
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(本文作者：孫蔡亮1 宋木泉2 康國(guó)山1 1.福建省莆田市氣象局；2.福建省泉州市氣象局)