油气田集输自控系统的防雷设计.pdf

第 5 O 卷第 3期 2 O 1 4年 6月 石油化工自动化 AUTOM ATI oN I N PE TR _ CHEM I CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 5 O，No ． 3 J u n，2 0 1 4 油气 田集输 白控系统的防雷设计 孙文华 中国石油化工股份有 限公 司 中原油 田分公司 ， 河南 濮阳 4 5 7 0 0 1 摘要 阐述了某油气田防雷的重要性以及直击雷、 雷击电磁脉冲和闪电电涌侵入的危害， 结合某油气田地面集输工程的集气 站 ， 阀室 ， 冲河 沟 跨越 ， 隧道以及控制室 ， 放空火炬 ， 电力系统 ， 通信 、 计算 机和监控 系统 ， S C ADA和 R TU 等 自控系 统 内外部 防雷设计 ， 提 出了一些改进措施和建议 。 关键词 防雷接地网雷击 中图分类号 T U 8 9 5 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 4 0 3 0 0 6 3 0 4 某油气田所处地区属亚热带湿润气候 ， 平均雷 暴 日为 3 7 ． 1 d ／ a ， 属多雷区。雨季主要集中在 5 ～ 9月份 ， 进入雷暴高发期 ， 雷击 事故频发。由于受 地形 、 地貌影响， 发生强对流天气时 ， 局部可产生球 形雷， 极有可能对集气站场的装置及电力、 电子信 息控制系统造成极 大的危害。某油气 田地表 主要 由黏土 、 泥岩 、 砂岩、 碎石土等松散结构组成 ， 土壤 电阻率较高 ， 多在 1 0 0 3 0 0 Q m。 开发初期 ， 建筑 防雷大多通过安装接 闪杆 、 避 雷网进行防护 ， 雷击事件时有发 生。针对这一 问 题 ， 地面集输工程按照“ 划分区域 、 划分类别 、 等级 防护” 的防雷理念 ， 采用了防雷、 防静 电和电磁脉冲 联合接地的模式 ， 利用降阻剂和非金属材料为主的 Z GD型系列低 电阻接地模块， 增大 了接地体本 身 的散流面积 ， 减少 了接地体与土壤 间的接触 电阻， 对 电力系统采用三级保护方式 ， 起到 了多重保护 、 层层设防的效果。 1 某油气田防雷必要性 该气田地面集输 工程具有 “ 超深 、 高含 Hz S 、 高压力、 高产量” 等特点。雷击事故可能导致井喷、 H S泄漏 、 火 灾爆 炸、 环境灾 害、 自然灾 害等 次生 灾害事故。2 0 1 2年 7月 8日， 中石化股份有限公 司位于四川 阆中市的石龙 6井因雷击 ， 造成井 口抽 油杆防喷盒密封失效 ， 引发井 喷着火事故 。因地面 集输工程采用 S C A DA系统 、 D C S和 R TU远程终 端控制系统 ， 其微电子器件应用可靠性要求较高 ， 故雷击事件极易引发 自动控制系统 紧急关断。这 就要求微 电子器件在 防直击 雷、 闪电感 应的基础 上 ， 必须加强雷电电磁脉冲 L E MP 防护。 2 雷电的危害 雷电的危害主要来自直击雷、 雷击电磁脉冲及 闪电电涌侵入 。 1 直击雷 的危害 。直击雷产生 的强大 电流 、 灼热高温和剧烈的冲击性机械力 ， 可以导致被击物 体结构性破坏、 损毁 、 燃烧 、 熔化 、 爆炸和人员伤亡 等事故 。 2 雷击电磁脉冲危害。雷击 电磁脉 冲属于雷 电的间接破坏 ， 虽没有直击雷猛烈， 但其发生 的几 率 比直击雷高。雷击 电磁脉 冲不论雷云对地 闪击 或者雷云对雷云之 问闪击 ， 都可能发生并 造成灾 害。特别由雷电的静 电感应与 电磁感应所产生 的 暂态过 电压 比雷 电的直接破坏具有更大的危 害范 围。一次雷击可 以在较大范围内， 在多个局部同时 产生感应过电压 ， 并 通过 电力线、 通信线等设施传 输 ， 损坏建筑物 内的信息系统和电气设备 ， 甚 至造 成人员伤亡。另外其产生的火花如遇到易燃 易爆 物品， 可能引发火灾和爆炸事故。 3 闪电电涌侵入 。由于雷 电对架空线路或金 属管道的作用 ， 沿这些管线侵入建筑物 内， 危及人 身安全或损坏设备 。 3 防雷主要技术措施 地面集输工程主要 由集气站 、 阀室 、 冲河 沟 跨越和隧道等组成， 点多面广 ， 具有 高度分散和相 对集 中的特点。 3 ． 1 地面集输工程防雷原理 某油气 田地面集输工程 防雷设计 ， 具 有全 面、 系统、 多级 防护 的特点， 采取 了外部 防雷 、 内部 防 雷 、 过电压保护等方式 ， 对装置 单元 界 区内接地 实施工作接地、 保护接地 、 防雷接地和防静 电接地 稿件收到 日期 2 0 1 3 1 2 3 0 ， 修改稿收到 日期 2 0 1 4 0 4 1 4 。 作者简介 孙文华 1 9 7 7 一 ， 男 ， 汉族 ， 2 0 0 7年毕业 于 中国人 民武 装警察部 队学院消防工程专 业 ， 现 就职于 中国石 油化工股 份有 限 公 司中原油 田分公 司消防支队 ， 负责油 田消 防工程 、 防雷工程技术 安全监督工作 ， 发表论 文 5篇 ， 参与 家庭防火手册 、 焊接与热切 割作业 等专业 书籍章节的编写 ， 任大队长、 注册安全工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 4 石油化工 自动化 第 5 O卷 联合接地共网。 1 集气站控制室通过与建筑物的主钢筋连 接 ， 上端与接闪器 、 下端与地 网、 中间与各层均压网 或均压环连接 ， 对进入控制室的各种金属导体实施 等电位联结 ， 对具有特殊要求的各种不同地线进行 等电位处理， 形成一个“ 法拉第笼式” 接地 系统 ， 能 有效消除地 电位反击效应 。 2 通信电缆线槽及地线线槽需用金属屏蔽线 槽 ， 做等电位联结 ， 其布放应尽量远离建筑物立柱 或横梁。通信电缆线槽 以及线槽 的设计应尽可能 避免与建筑物立柱或横梁交叉布放。 3 电涌保护器是用以防护电子设备遭受雷电 闪击及其他干扰造成 的传导 电涌过电压 的有效手 段 。进出建筑物的电源线和通信线在不 同的防雷 区交 界 处 及 终 端 设 备 的前 端， 应 根 据 GB ／ T 1 9 2 7 1 ． 1 2 0 0 3 雷 电电磁脉 冲的防护第 1部分 通则 ， 安装上不同类别的电涌保护器。 3 ． 2 集气站防雷技术措施 集气站根据现场实际构成可分为四大区域八 大撬块 ， 主要 由工艺装置区 包括火炬 和控制室两 部分组成， 其中工艺装置区防雷参照 G B 5 0 1 6 o 一 2 0 0 8 { 石油化工企业设计防火规范 执行 ， 建构筑物 防雷根据 GB 5 0 0 5 7 --2 0 1 0 { 建筑物 防雷设计规范 的规定 ， 按一类防雷建筑物进行设计 。集气站装置 区和控制室防雷接地如图 1 所示。 l 综 合 防 雷系 统 l l 外部防雷措施 内部防雷 防L E MF 措施 L 1 啊 _ l 1 ．．．．．．L ．．．．．．j．，一 _L ．．．．．．．．】【．．一 ．． ．．．j1 ．一 接 安 闪 装 器 电 盐 屏 等 涌 针 引 接 用 蔽 电 合 保 下 屏 地 按 位 理 护 蔽 装 地 隔 联 线 网 线 布 器 置 系 离 结 带 绩 S P 线 D 图 1 综合 防 雷 系统 3 ． 2 ． 1 工艺装置区防雷 集气站工艺装置所有金属管道 、 支架 、 容器均 作了防雷、 防静 电接地 ， 包括加热炉 、 燃料气发 电 机 、 井 口控制柜、 甲醇撬块、 缓蚀剂撬块 、 分离器等 ， 共用 1 个接地系统 环形 闭合 。埋地金属管道在 管线两端作防静 电和 防感应 雷接地 ， 在电动 阀每 2 个 接地点之间 间距不大于 3 0 m 设置防雷 、 防静 电接地装置， 在架空和地上管沟敷设 的管线及其相 关设备始端、 末端、 分支处及直线段 每隔 2 0 0 m ， 设防静电和防感应雷的接地装置 ， 接地电阻阻值均 不大 于 l O Q。 在装置区的传感器、 H s检测仪、 火焰探测 仪、 可燃气体检测仪、 手动火灾报警装置等 自动仪 表控制系统上 ， 安装 了与设备耐压水平相适应的过 电压 电涌保护 。电涌保护器接地端采用截面积不 小于 1 ． 5 mm 的铜芯导线与设备机房 内的局部等 电位端子板连接 ， 且接地线保持平直 。 3 ． 2 ． 2 控制室防雷 控制室 内部 由电力系统和仪表 白控系统组成 ， 防雷设计应从防直击雷 、 感应雷和过电压保护等三 个部分考虑 。为防直击雷 ， 控制室设接闪带沿屋顶 四周设 置 圆钢 ， 直径不小于 8 mm ， 接 闪带支架 高宜为 0 ． 1 m， 直线间距为 1 r n ， 拐角 间距 0 ． 5 I n 。 沿控制室 四角设防雷引下线 ， 每根引下线的冲击接 地电阻不大于 1 0 Q， 利用 l O mmX 5 i i i m 的热镀锌 扁钢沿房屋四面及顶组成 0 ． 5 mm0 ． 5 mm金属 网格作屏蔽 ， 顶部与接闪带可靠 连接 ， 底部 与中控 室静 电地板下高频接地 网相连 ， 将进出建筑物的各 种金属管道及 电缆桥架和户外防雷接地装置 可靠 连接 。 3 ． 2 ． 3 放空火炬防雷 各集气站的放空火炬与集气站的工艺装置区 保持符合规定 的安全距离 ， 采用火炬本体作引下线 的方式可靠接地。接地扁铁与火炬采用焊接连接 ， 接地电阻阻值小于 1 0 Q。 3 ． 2 ． 4 电力系统防雷 电力系统采用相互独立的系统引入 ， 供电系统 采用 T N S 。电源线路采用三级保护的方式防雷。 1 电源线路一 级防护采用 电源接闪器 ， 安装 在高压进线 的前端 ， 使用 l O ／ 3 5 o s波形 、 通 流容 量 1 0 0 k A／ 线的 B级电源电涌保护器 ， 将感应雷击 过 电压限制到 2 0 0 0 V 以下 。所有接线采用截面 积为 1 6 mm 多 股铜 线连接 ， 地线 采用 截面 积为 2 5 mm 多股铜线连接 。 2 电源线路二级 防护采用 8 ／ 2 0 s 波形 、 通流 容量 4 0 k A／ 线的电源电涌保护器 ， 将 4 k V的线路 残余感应雷击过 电压 限制 到 2 k V 以下 。电涌保 护器安装在低压配电装置上 ， 连接相线端采用截 面 积为 1 0 mm。 铜导线 ， 电涌保护器 接地端连接线采 用截面积为 1 6 mm 铜导线。 3 电源线路三级防护采用 8 ／ 2 0 s 波形、 通流 容量 2 0 k A／ 线的电源电涌保护器 ， 将感应雷击过 电压限制到 l 5 0 0 V 以下。电涌保护器安装在负 荷侧配电箱进线端开关处， 连接相线端采用截面积 为 6 1 T i m 铜导线 ， 电涌保护器接地端连接线采用截 面积为 1 0 mm2 铜导线 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 孙文华． 油气田集输 自控系统的防雷设计 3 ． 2 ． 5 通信 、 计算机和监控系统防雷 地面集输工 程采用 了先 进 的 S C AD A 系统 、 DC S和 R TU远程控 制系统 。为了有效地确保 通 信网络的安全运行 ， 必须全面强化雷击防护设计。 根据局域网数据信号线路的工作电压、 接 口连接 形式特f 生 阻抗、 信号传输速率或工作频率及传输介质 等参数， 选用 了插入损耗低、 阀值电压不超过线路峰 值工作电压 2 ． 0 倍 的电涌保护器。其接地端采用截 面积为 2 ． 5 1 -n m ．2 的多股绝缘导线单点连接至 P E汇集 线上， 从汇集线再用截面积为 4 r f l i n 2 的绝缘导线连接 至机房保护接地网。控制室计算机系统的交流工作 地、 直流工作地、 安全保护地和电涌保护器接地采用 四位一体接地设计 ， 其接地电阻阻值小于 1 Q。 根据 D C S模块的工作电压 、 工作 电流、 频率 ， 对进入控制室的信号数据线所连接的工艺设备加 装信 号 电涌 保 护 器。根据 D I E S网 络 标 称 电 压 2 4 V、 浪涌电流 1 ． 5 k A、 设备耐压 4 0 V的要求， 选 用 由放 电管 、 雪崩二极管、 电阻及电感组成 的两级 保护。放电管主要用于旁路泄放暂态大电流； 雪崩 二极管主要用于箝位限压。 根据集气站视频监视系统的视频信号线路、 解 码器控制信号线路和摄像头供电线路的性能参数， 从前端 、 线路部分 、 终端三大块进行防雷设计 ， 其防 雷过电压保护应选择插入损耗小 、 回波损耗大的电 涌保护器。 3 ． 3 阀室防 雷 集输工程管道跨越区域广 ， 共有阀室 4 7座， 主 要由仪表室和截断室两部分组成。防爆 区域划分 为防爆和非防爆区域 。 阀室的防雷防护对象主要是直击雷和感应雷 。 接闪带沿屋顶 四周 圆钢， 直 径不小 于 8 mm 布 设 ， 引下线沿控制室 四周均匀设置 ， 接地体采用 独 立闭合接闪网。仪表 间的进线柜和 阀组间 固定式 H S检测 仪 、 可 燃气 体 检测 仪 均 安装 有 电涌保 护器 。 3 ． 4 跨越防雷 跨越属于集输管道 的一部分 ， 因地势较低 ， 管 线壁厚大于 4 mm， 不需专 门设置接 闪杆 ， 仅需 在 架空管线 跨越处 始末端设置防雷、 防静电共用接 地网。接地网采用 Z GD型系列低电阻接地模块降 低接地电阻阻值 ， 通过扁铁焊接和断接卡连接 ， 接 地电阻阻值不大于 1 0 Q。 3 ． 5 集输系统防雷接地网 集输系统采用接地闭合环网的方式 ， 通过降阻 剂和 Z GD型系列低 电阻接地模块 如 图 2所示 ， 起到良好接地效果 。接地线埋深距地 面 7 0 0 mm， 接地线问、 接地线 、 接地极间采用焊接连接 ， 地下部 分接地线与接地极 、 接地线之间采用焊接方式并涂 防腐材料 ， 地上部分采用压接方式 。接地干线及支 线采用加强防腐镀锌扁钢 5 0 minx 5 mm 。 ， B I 出线 B I 出线 ／地 面 一 冈 ／ ／ ／ ／ ， ， ， ／ ／ ／ ， ， ／ ／ ／ ／ f／ ， I l ， ， ， ／， ， ， ， ，， ， ， n ／ n 0 ． 7 m l i i n 口 l }} _ ．1 l i l f ． _ I ，f I 1 ， _ L 一 一 一 i l ≥5 m 接地模块 图 2 Z GD型 系列低 电阻接 地模 块 示意 3 ． 5 ． 1 集气站接地 网 集气站共设 4个 接地 闭合环 网控制室设置 2 个 、 工艺装置区设置 1 个、 火炬设置 1 个 ， 并通过接 地模块 模块间距大于 5 m 减小接地电阻。信号接地 网将信号回路接地端及屏蔽接地端连接， 其接地电阻 阻值不大于 1 Q G B ／ T 5 0 3 1 1 --2 0 0 O 建筑与建筑群综 合布线系统工程设计规范 。电力避雷接地网接地 电阻阻值不大于 1 0 Q， 与信号接地网间距 3 m以上。 引出线 3 ． 5 ． 2 阀室接地网 阀室采用闭合接地网 ， 通过 Z G D型系列低 电 阻接地模块 模块间距大于 5 m 减小接地电阻。 3 ． 5 ． 3 跨越接地网 跨越采用接地线， 在跨越的两端联合接地并安 装接地模块。 4 结束语 1 某油气田所在区域属高土壤电阻率地区， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 6 石油化工自动化 第 5 O卷 上接 第 3 4页 [ 7 ] [ 4 ] 周洪波， 武迎建． 先进控制技术在重整／ 芳烃装置的应用[ J ] ． 炼油技术与工程 ， 2 0 0 6 ， 3 7 0 6 4 4 4 7 ． L 8 [ 5] 张 达 ， 施 俊林 ， 刘 炳 杰 ， 等 ． 先 进 控 制 技 术 在 重 油 催 化 裂 化 装 置 的 应 用 [ J ] ． 炼 油 技 术 与 工 程 ， 2 0 0 6， 3 4 0 3 L 9 j 253 0． [ 6 ] 王树青， 金晓明． 先进控制技术应用实例[ M] ． 北京 化学工 L 1 o J 业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 樊春江 ， 刘霞 ， 常刚 ， 等． D MC p l u s 控制器在三苯精馏单 元的 应用 _ J ] ． 石油化工 自动化 ， 2 0 0 4 ， 4 0 0 5 4 2 4 5 ． 柴昕 ， 姬晓军． 二联 合气分装 置用能 问题分析 E J ] ． 洛 阳石 化 科技 ， 2 0 1 3 O 2 4 2 4 5 ． 李睿． 气体燃烧器的 自动控制[ J ] ． 化 工 自动化及仪 表 ， 2 0 1 3 ， 4 0 0 9 1 0 8 41 0 88 ． 石油化工 干部管 理学 院． 石油 化工控 制 系统及 仪 表 自动化 [ M] ． 北京 中国石化出版社 ， 2 0 0 3 ． 油水界面乳化层 问题处理专家 L e v e l f l e x F MP 5 5测量仪 在采油厂、 海上钻井平台的原油脱水 、 油水分离等典型工况中， 油水之间的复杂乳化层以及高黏度 介质的黏附影响， 一直是油水界面测量领域的难题。E n d r e s s Ha u s e r E H 推出的L e v e l fl e x F MP 5 5 多参数测量仪专注于油水界面测量， 结合电容和导波雷达技术优势， 使测量不再受乳化层影响， 为油水 界面乳化层带来稳定、 高效、 精确的测量。 F MP 5 5 测量仪结合了导波雷达与电容物位计的优点， 使分界面特别是乳化层 的测量变得游刃有 余。同时， 凭借带涂层的多参数探头， 可实现 1 个设备同时测量物位、 分界面和上部油层厚度 3个参 数 ， 从而带来更高的分离效率与产出率。另外 ， 它的导波雷达和电容技术测量原理相互融合 ， 分界面测 量更加可靠。它还采用了气密馈通结构和耐化学腐蚀的材质设计 ， 安全完整性等级达到 S I L 3 ， 并提供 2 路 4 42 0 mA HAR T信号输出、 P r o fi b u s P A总线输出以及全中文的操作菜单与显示 。 F MP 5 5测量仪已于 2 0 1 3年初在中国正式上市， 凭借一年多的口碑沉淀， 它为乳化层分界面测量所 带来的变革性突破， 已经受到了油气等行业客户的广泛关注与高度评价。 上海恩德斯一 豪斯 自动化设备有限公司 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m