L-CNG汽車加氣站的雷電防護

摘 要

摘要：分析了L-CNG汽車加氣站的生產(chǎn)特點，結(jié)合湛江地區(qū)雷電活動的特征及危害特性，提出了L-CNG汽車加氣站的雷電防護措施。關(guān)鍵詞：雷電防護；L-CNG汽車加氣站；防雷措施Lightning Prote
摘要：分析了L-CNG汽車加氣站的生產(chǎn)特點，結(jié)合湛江地區(qū)雷電活動的特征及危害特性，提出了L-CNG汽車加氣站的雷電防護措施。
關(guān)鍵詞：雷電防護；L-CNG汽車加氣站；防雷措施
Lightning Protection for L-CNG Vehicle Filling Station
YE Ming，WU Youxiang
Abstract：The production characteristics of L-CNG vehicle filling station are analyzed.Combined with the features and harmfulness of lightning action in Zhanjiang area，the lightning protection measures for L-CNG vehicle filling station are proposed.
Key words：lightning protection；L-CNG vehicle filling station；lightning protection nleasllres
    近年來，因雷擊引起的燃?xì)?、石化企業(yè)火災(zāi)和爆炸事故時有發(fā)生，給人民生命和國家財產(chǎn)造成了損失。做好雷電防護工作非常重要，國內(nèi)外學(xué)者在這方面做了許多研究工作。文獻[1]根據(jù)雷電流的特性，結(jié)合CNG加氣站工藝和設(shè)備的特點，提出了CNG加氣站的綜合防雷措施。文獻[2]依據(jù)防雷規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對汽車加油站的防雷措施及安全檢測、驗收等注意事項進行了論述。文獻[3]分析了CNG加氣站壓縮機的防雷要求。文獻[4]研究了CNG加氣標(biāo)準(zhǔn)站儀表自控系統(tǒng)的防雷。本文結(jié)合工程實例，對L-CNG汽車加氣站防雷措施進行闡述。
1 建設(shè)項目規(guī)模
    湛江市L-CNG汽車加氣站位于湛江市麻章公交車站內(nèi)，占地面積為4527.34m2，建設(shè)加氣島1個，30m3LNG臥式儲罐1臺，氣化工藝裝置1套，壓縮天然氣儲氣瓶組(3×1.8m3)1套，雙槍加氣機2臺，單槍加液機2臺以及輔助工程和公用工程設(shè)施。
    湛江市地處熱帶氣候帶的北緣，緯度較低，瀕臨南海，經(jīng)常受到來自內(nèi)陸西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)(高空槽、切變線、低渦等)和海洋熱帶天氣系統(tǒng)(東風(fēng)波、輻合帶、熱帶氣旋等)的影響，天氣復(fù)雜多變，強對流天氣較多，雷暴天氣頻繁出現(xiàn)，一年四季都有，年雷暴日數(shù)為95.6d。
2 L-CNG汽車加氣站的生產(chǎn)特點
    ① LNG低溫儲罐壓力為0.8MPa，介質(zhì)溫度為-196℃，屬于Ⅲ類壓力容器。儲罐增壓氣化器壓力為1.0MPa，介質(zhì)溫度為-196～60℃。CNG儲氣瓶組壓力為32MPa，介質(zhì)溫度為-29～93℃。加氣槍單槍流量為1900m3/h，壓力為3～25MPa，介質(zhì)溫度為-25～75℃。生產(chǎn)裝置大部分為低溫、高壓連續(xù)生產(chǎn)的裝置，如發(fā)生雷擊停產(chǎn)、爆炸事故，將會造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。
    ② 依據(jù)《常用危險化學(xué)品的分類及標(biāo)志》GB 13690—92第3.1.2條，按危險特性分類，L-CNG汽車加氣站生產(chǎn)、儲存的天然氣為第2.1類易燃易爆物質(zhì)，儲存區(qū)域?qū)佗蚣壉ㄎｋU區(qū)。液化天然氣深冷絕熱儲存，若發(fā)生泄漏，比氣相泄漏強度大得多，泄漏的液化天然氣急劇蒸發(fā)并迅速擴散至周圍空間，形成低溫高濃度霧狀蒸氣云，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇火源即發(fā)生燃燒爆炸。天然氣可造成頭昏、頭疼、嘔吐、乏力、昏迷，長時間接觸，將出現(xiàn)神經(jīng)衰弱綜合癥。按GB 50057—94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(2000年版)的有關(guān)規(guī)定[5]，生產(chǎn)區(qū)、加氣島為第二類防雷區(qū)域，生產(chǎn)輔助用房為第三類防雷建筑物。
    ③ 生產(chǎn)、儲存裝置由儲罐、天然氣壓縮機、泵及管道組成，儲罐按照《鋼制壓力容器》GB 150—1998、管道按照《輸送流體用無縫鋼管》GB/T 8163—2008的有關(guān)規(guī)定進行設(shè)計、制造。
    ④ 供電負(fù)荷等級為三級，由市政10kV高壓電網(wǎng)提供一回路10kV高壓電源，經(jīng)高壓鎧裝電纜引入廠站的室外箱式變電站，經(jīng)變壓后，向站內(nèi)提供380/220V低壓電源。低壓配電系統(tǒng)采用中線與保護線分開的TN-S系統(tǒng)(T表示電源配電側(cè)的一點直接接地，N表示用電設(shè)備的外露導(dǎo)電部分與電力系統(tǒng)的接地點直接電氣連接或與從配電側(cè)接地點引出的導(dǎo)體相連)，變壓器中性點直接接地。為保障控制系統(tǒng)的供電可靠性，控制系統(tǒng)設(shè)置不間斷供電電源(UPS)，站內(nèi)設(shè)一組備用柴油發(fā)電機組。
    ⑤ 自控系統(tǒng)由可編程控制器、彩色操作面板、工控機、接線端子柜、操作臺、打印機等組成。電子設(shè)備的耐壓和抗電磁干擾性能比較低，雷電產(chǎn)生的強大的感應(yīng)電磁場以及在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓，影響著電子設(shè)備的正常工作甚至損壞設(shè)備。
3 雷電的危害
    雷電的危害主要表現(xiàn)在具有巨大的破壞性上，其特點是雷電放電電壓高，閃電電流幅值大，變化快，放電時間短，閃電電流波形陡度大。雷電的破壞作用在于強大的電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的電磁場以及強烈的電磁輻射等物理效應(yīng)，造成人員傷亡、建(構(gòu))筑物和設(shè)備巨大破壞、起火爆炸等嚴(yán)重事故及損失。
    雷電侵入主要形式有：①直接雷擊，在雷電活動區(qū)內(nèi)，雷電直接通過人體、建(構(gòu))筑物、設(shè)備等對地放電而產(chǎn)生電擊現(xiàn)象。②間接雷擊，雷電流通過靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、電磁脈沖輻射、雷電過電壓入侵、雷電反擊等(統(tǒng)稱感應(yīng)雷)形式侵入建(構(gòu))筑物內(nèi)，使建(構(gòu))筑物、設(shè)備部件損壞或人身傷亡。
4 雷電防護措施
4.1 接閃
    是采用接閃器(避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng))截獲閃電，防止建筑物本體被雷電直接擊中的措施。
    加氣島罩棚、生產(chǎn)輔助用房屋頂設(shè)置避雷帶和網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為10m×10m或12m×8m。屋頂裝飾金屬物與防雷裝置連接。室外燈塔利用金屬燈罩接閃，但燈塔立柱應(yīng)布置在爆炸危險2區(qū)之外。由于生產(chǎn)、儲存裝置的材質(zhì)為金屬體，且厚度≥4mm，對雷電有自身保護能力，不需要裝設(shè)避雷針保護，可利用金屬罐體做為接閃器[6]。
4.2 分流
    分流是通過引下線和接地導(dǎo)體將雷電流引入大地，從而使被保護物達到防雷的措施。
    ① 加氣島罩棚利用基礎(chǔ)樁、承臺作為防雷接地體，柱主筋作為引下線。具體施工做法如下：a.基礎(chǔ)為多樁結(jié)構(gòu)，單樁利用2根主筋作為基礎(chǔ)接地體，樁的利用率不小于建筑物總樁數(shù)的50%。b.將作為引下線接地點的承臺的下層外圈鋼筋焊接連通構(gòu)成閉合環(huán)，閉合環(huán)下與作為垂直接地體的樁筋焊接，上與作為引下線的柱內(nèi)結(jié)構(gòu)主筋焊接連通。c.將地梁內(nèi)2條平行主筋與引下線柱基礎(chǔ)主筋焊接，并且各段地梁之間主筋連成一個環(huán)路，作為水平接地體。d.用建筑物柱子內(nèi)兩條直徑≥12mm的對角主筋上、下焊通作為引下線。
    ② 燈塔利用金屬桿作為防雷引下線。
    ③ 儲罐的防雷引下線材質(zhì)采用40mm×4mm以上的鍍鋅扁鋼，接地點數(shù)量≥2處，沿罐體四周均勻敷設(shè)。
4.3 接地
    為了工作和安全的需要，將設(shè)備與大地相連稱為接地，其中埋入大地并直接與土壤接觸的金屬導(dǎo)體為接地體，設(shè)備的接地部分同接地體相連的金屬導(dǎo)體為接地線，接地體和接地線合為接地裝置[7]。
    各種設(shè)備均應(yīng)接地處理，用電設(shè)備集中的場所應(yīng)設(shè)置電氣接地預(yù)留端子，以給設(shè)備、SPD接地及等電位連接用?？偱潆婇g及各樓層配電箱處均應(yīng)設(shè)計接地預(yù)留端子。大型設(shè)備接地點數(shù)量≥2處，管道的始末端、分支處及直線段每隔30m接地1處，露天管架、線架應(yīng)接地處理。加氣島、儲罐區(qū)設(shè)環(huán)形接地裝置，并與相鄰的接地裝置用2根40mm×4mm以上的鍍鋅扁鋼在地下土壤中連接。自控系統(tǒng)的接地應(yīng)按《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB 50343—2004第5.2.5條規(guī)定處理[8]：“防雷接地應(yīng)與交流工作接地、直流工作接地、安全保護接地共用一組接地裝置，接地裝置的接地電阻值必須按接入設(shè)備中要求的最小值確定。”罐區(qū)卸車場地應(yīng)裝設(shè)能檢測跨接線及監(jiān)測接地狀態(tài)的靜電接地儀。
4.4 等電位連接
    等電位連接是將各分開的設(shè)備、導(dǎo)電體用金屬導(dǎo)線連接以減少它們之間的電位差。
    爆炸危險區(qū)域等電位連接非常重要，設(shè)備外殼、相鄰導(dǎo)體間，只要存在電位差，存在空氣間隙，就存在火花放電的危險，存在雷擊爆炸的隱患。根據(jù)GB 50057—94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(2000版)第3.2.2條第2款，“彎頭、閥門、法蘭盤等連接處的過渡電阻大于0.03Ω時，連接處應(yīng)用金屬線跨接。對有不少于5根螺栓連接的法蘭盤，在非腐蝕環(huán)境下，可不跨接。”湛江地區(qū)屬沿海地帶，環(huán)境對金屬的腐蝕嚴(yán)重，故連接處應(yīng)用金屬線跨接。
4.5 屏蔽
    屏蔽是對兩個空間區(qū)域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應(yīng)和輻射。戶外裝置接閃后，大部分雷電流沿接地引下線泄入地中，有一部分雷電流按各種金屬管線的波阻分配流動，當(dāng)它通過電氣設(shè)備或電子系統(tǒng)設(shè)備時，有可能損壞設(shè)備。利用金屬網(wǎng)、箔、殼等導(dǎo)體把線路屏蔽包圍起來，使閃電的電磁脈沖入侵的通道截斷，是減少閃電時空間磁場電磁入侵的基本措施。
    具體措施如下：供電電纜采用鎧裝電纜或?qū)Ь€穿鋼管配線，信號線路傳輸全部采用套金屬線槽敷設(shè)，電纜金屬鎧裝及屏蔽保護管兩端均接地處理。
4.6 設(shè)備安全距離
    因建筑物的引下線敷設(shè)在外墻處，雷電流經(jīng)過引下線引入接地裝置，在外墻處會形成強磁場，所以設(shè)備的電源和信號主線路應(yīng)盡量遠離外墻，配線柜不應(yīng)安裝在柱上或柱附近，配線柜為金屬外殼時應(yīng)接地屏蔽。設(shè)備最好設(shè)置在室內(nèi)的中心位置。
4.7 綜合布線
    電源線、網(wǎng)絡(luò)線不同槽架設(shè)；當(dāng)電纜敷設(shè)在其他管線的下面時，垂直凈距≥25cm。設(shè)備的電源線與信號線所形成的回路面積要盡量小，避免產(chǎn)生大的回路感應(yīng)過電壓和過電流。數(shù)據(jù)插座與電源插座保持一定距離，其距離＞30cm。
4.8 安裝SPD
    SPD是用于帶電系統(tǒng)中限制瞬態(tài)過電壓和導(dǎo)引泄放電涌電流的非線性防護器件，用于保護耐壓水平低的電器或電子系統(tǒng)，使其免遭雷擊及雷擊電磁脈沖或操作過電壓的損害。
    在供電線路上，由于直擊雷、感應(yīng)雷和雷擊電磁脈沖的影響，產(chǎn)生對供配電設(shè)備和電子系統(tǒng)設(shè)備有破壞性質(zhì)的瞬態(tài)雷電過電壓和雷電電涌。為了限制瞬態(tài)雷電過電壓和引導(dǎo)電涌電流泄入大地，還應(yīng)在以下位置安裝SPD。在低壓配電間內(nèi)低壓配電系統(tǒng)總出線處，裝設(shè)標(biāo)稱放電電流≥60kA(8/20μs)的第一級SPD，(視在波前時間t1=8μs，半峰值時間t2=20μs的雷電波波形，記作8/20μs)。在總配電箱進線處，裝設(shè)標(biāo)稱放電電流≥40kA(8/μs)的第二級SPD2；在UPS進線處，串聯(lián)安裝標(biāo)稱放電電流≥20kA(8/20μs)的第三級SPD3。各儀表進線處安裝適配的信號SPD，其電壓保護水平應(yīng)不小于設(shè)備工作電壓的1.2倍，同時不大于設(shè)備工作電壓的1.7倍。
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(本文作者：葉明1 吳友香2 1.湛江市防雷設(shè)施檢測所 廣東湛江 524001；2.湛江市港務(wù)管理局 廣東湛江 524027)