天然气生产场站综合防雷措施分析-.pdf

2 0 1 1 年 第5 卷 第 6 期 天 然 气 技 术 与 经 济 Na t u r a l Ga s Te c h n o l o g y a n d Ec o n o my Vo 1 ． 5． No． 6 De e ．2 0 1 1 d o i 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 2 0 9 51 1 3 2 ． 2 0 1 1 ． 0 6 ． 0 1 7 天然气 生产场站综合 防雷措施分析 李清英肖科刘炜 中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川江油6 2 1 7 0 9 摘要 针对多数天然气生产场站在高雷区易遭受雷击而导致设备损坏影响生产的问题，阐述了天然气场站 遭雷击对仪表系统及管道设备的两种危害形式，并以中国石油西南油气田公司川西北气矿江油采气作业区中l 7 井 井站为具体案例，分析了该井防雷系统存在的主要问题，提出了实施接闪、均压、屏蔽、接地、分流等具体防雷 改造措施。实践表明，井站实施防雷改造后经多次雷击都未影响井场设备的正常运行，达到 了防雷的 目 的。 关键词天繁气场站■击惫謇I 瞻 ■ 中图分类号 T E 2 8 l 文献标识码B 文章编号2 0 9 5 1 1 3 2 2 0 1 1 0 6 0 0 5 6 0 3 0 引言 天然气井站绝大多数都处在地势空旷、开阔的 高地或山地 ，地质情况变化大，气候条件较为复 杂，加上多数井站所在地年均雷暴 日在4 0 d 以上 ， 属高雷区。近年来气井场站集中使用了大量的灵敏 电子信息系统设备，正常生产时较易受到雷击的影 响。如果防护不当，轻则使设备工作失灵 ，重则造 成设备永久性损坏，严重时还可能造成连锁生产事 故，甚至导致人员伤亡。因此，天然气生产场站必 须高度重视防雷。笔者拟以中国石油西南油气田公 司川西北气矿生产井站为例，对如何做好防雷工作 进行探讨 。 1 雷击的主要危害 1 ． 1 对仪表控制系统的危害 1 直接雷击。雷电直接击中现场仪器设备或与 之连接的管路 ，通常会损坏仪器的传感器模件并可 能损坏变送器的电子线路板。雷电流在沿仪器支架 流人大地的过程中，产生强大的感应磁场 ，能通过 信号传输线路耦合到控制室D C S 集散型控制系统 等电子设备内造成D C S 的损坏。 2 感应雷击。主要包括① 静电感应。当雷云 来临时，地面物体尤其是导体就会聚积大量电荷产 生放电，若放电电流进入现场仪器和用电设备，就 会造成设备损坏。② 电磁脉冲辐射。雷电流在其通 道周围的空间产生电磁场，向外辐射电磁波，耦合 到控制窒的计算机、仪器和现场设备以及各类金属 导体上 ，产生感应电动势或感生电流，造成设备故 障，甚至会导致控制系统失灵。 3 过电压侵入。直接雷击或雷击感应都可能使 导线或金属管道产生过电压，过电压沿各种金属管 道、电缆槽 、电缆线路就可能将高电位引入控制系 统 ，造成系统干扰和破坏 。 4 反击。防雷装置接闪时，强大的瞬间雷电电 流通过引下线流入接地装置 ，由于大地电阻的存 在，雷电电荷不能快速地向大地泄放 ，必然会引起 局部地电位上升，如果控制系统的接地体与该点没 有足够的安全距离 ，两者之间就会 产生放 电，造成 反击电流，可直接传人电器的绝缘部分 ，对控制系 统产生干扰乃至破坏。 1 ．2 对管道和设备的危害 当管道附近上空即将产生雷电时，其下方大面 积的地面形成一个静电场 ，埋地管道也一样表面感 应出相反的电荷，当电荷积累到一定程度并具备了 放电条件时，会出现一次强烈的放电过程。此时， 云地电荷迅速消失，地电荷变为零。如果管道具有 收稿日期2 0 1 1 0 80 9 修订日期2 0 1 1 1 1 1 0 作者简介李清英 1 9 7 4 一 ，女，工程师，从事环境节能监测工作。E - ma i l l i q y p e t r o c h i n a ． c o m ． e n 56 ／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y a n d E c o n o m y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 3 0 期 天然气技术与经济 现场管理 优 良绝缘性能的三层P E 聚乙烯 防护层 ，管道感应 电荷的泄放速度就很慢 ，一旦发生管道 的局部放 电，其他部位的感应电荷也将随之对地消散，于是 在管 道内形成一股 强大 的电流 。对于绝缘层 电阻较 低的管道，电流会通过绝缘层的漏点大量消散，不 会产生大的破坏力 ；而对于绝缘层性能很好 的管 道 ，电流不能通过绝缘层本身的漏点快速泄放，管 道上绝缘的部位就会产生高电压 ，引起二次放电， 造成输气管道设备设施的破坏。 管道 阴极保护设备 、防蚀电源也经常遭受雷 击 ，受损的组件主要为放电管 、电容 、集成电路 、 保险丝等。最严重的可以将设备的主板烧毁。阴极 保护设备通过阴极电缆和零位接阴电缆与管道直接 连通 ，是管道上直击雷和感应雷产生的雷电电流最 直接的泄放通道，如果雷电击中设备就会很容易对 管道造成危害。 2 天然气生产场站综合防雷存在的问题 2 ． 1 防霄设施存在的问题 根据 中华人民共和国气象法 ，天然气生产场 站防雷设施安全检测每年不少于1 次。川西北气矿历 年的检测报告中，可以看出防雷设施不合格的井站 主要存在的问题有 ① 直击雷防护措施不完善；② 配电系统及信号系统线路上分流措施不完善；③ 室 内金属设备外壳 、金属机柜以及室外仪表金属外壳 等的均压措施不完善；④ 屏蔽措施不完善；⑤ 场所 内接地系统存在诸多问题。 2 ．2 防雷检测存在的问题 以2 0 1 0 年川西北气矿中 1 7 井 防雷设施年度安全 性检测报告为例进行问题分析。中1 7 井防雷检测存 在的问题有 ① 工艺区和值班室无直击雷防护措 施；② 值班室墙上配电箱、电力稳压器、通信机柜 均无过电压防护措施；③ 视频监控信号无过电压防 护措施，高杆灯未接地。 2 ．3 计量设备防雷存在的问题 结合雷击危害分析，中1 7 井场站计量系统损坏 的原因有① 雷电流传人计量设备线路上致使计量 系统损坏；② 计量设备感应雷电过电压后传人室内 计量机柜致使设备损坏；③ 雷击电力线路，由电力 上接 第4 7页 能 ，后 勤机关 人员能对井 队 日、月 、 年等各时间段的收油、用油 、差异信息进行统计和 查询。 2 现场应用 此 系统成功研发后 ，已在 中国石油川庆钻探工 程公司所属的2 3 个钻井队进行了安装使用。使用方 形油罐的井队，油罐本身设计有计量问，所有仪器 直接安装在计量间防爆箱 内；使用圆形油罐 的井 队，需专门制作一个防爆箱，将仪表、控制箱 、管 线安装在其中；现场只需将数据线从防爆箱接到井 队值班室电脑 ，该套系统即可运行使用。目前该系 统运行稳定，数据传输准确可靠，为钻井队现场柴 油消耗的科学管理提供了有效手段。 3 结论 D O M S 系统符合井场防雷、防爆要求，不带任何 安全隐患，所用传感器具有较高的准确度等级 ，确 保 了计 量数据 的准确可靠 。在远程数据传输 系统设 计上 ，提供了多种传输模式，方便灵活。整套系统 易维护使用 ，扩展性能强，操作方便 、运行高效、 提高了计量准确度，减少了资料错误 ，实现了油料 数据的远程传输及远程管理 ，满足了当前各钻探企 业精细化管理的需要。 参考文献 [ 1 ]黄劢． 首都国际机场储油库监控管理软件的设计开发与实 现E o1 ． 北京 北京航空航天大学 ，2 0 0 1 ． [ 2 ]田泽． 嵌入式系统开发与应用[ M] ． 北京 北京航空航天 大学出版社 ，2 0 1 0 ． [ 3 ]陈红卫． 微型计算机基本原理与接口技术 [ M] ． 北京 科 学出版社，2 0 0 3 ． [ 4 ]涂金德． D e l p h i 程序设计[ M] ． 北京科学出版社，2 0 0 3 ． [ 5 ]王继刚 ，顾国昌，徐立峰 ，等． 可靠U D P数据传输协议 的研究与设计 [ J ] ． 计算机工程与应用 ，2 0 0 6 ，4 2 1 5 1 1 3 1 l 6 ． [ 6 ]钟章队． G P R S 通用分组无线业务[ M] ． 北京 人民邮电出 版社 ，2 0 0 2 ． [ 7 ]梁鸿，刘芳． 基于T C P ／ I P 的网络流量监测系统模型的研 究E J ] ． 计算机系统应用 ， 2 0 0 6 ，1 6 6 3 0 ～ 3 3 ． 编辑 蒋龙 天然气技术与经济 ／ 57 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第5 卷 李清英 ，等天然气生产场站综合防雷措施分析 第 6 期 线路传人雷电过电压致使计量系统损坏。视频信号 损坏的原因有① 摄像机监控信号线路上过电压致 使视频信号损坏；② 视频信号由电力线路传人雷电 过电压致使监控设备损坏。而阴极保护电源S P D 浪 涌保护器 损坏系电力线路上过电压造成。 3 场站雷电防护的原理及措施 3 ． 1 原理 治理侵入天然气场站的雷电危害，一般应遵循 的原理有如下几点n 。 1 接闪。接闪装置就是常说的避雷针、避雷 带 、避雷线或避雷网。室内控制系统的直击雷防护 通过建筑物的防雷装置实现，现场仪器设备的直击 雷防护应在场站合适的位置安装避雷针。 2 均压。为了减少闪络危险，最简单的办法就 是采用均压环，将处于地电位的导体连接起来 ，可 以将现场仪表的所有金属外壳，构架、生产装置的 金属设备，设施 、仪表控制室内设备、组件和元件 的金属外壳及金属设施连接在一起 ，并且与仪表控 制室的防雷接地系统相连接，形成完善的等电位连 接。并遵循两点① 仪表接地系统中的接地汇流排 E R P ，应保持和建筑的防雷接地及大电流、高电 压 1 0 k V及以上 的电气设备接地之间 1 0 m以上的 安全距离 ，不能满足要求的应用开关型S P D连接 ， 并加强对高电位反击的防护。② 当仪表设备防电磁 干扰较弱时，仪表设备应选用金属铠装屏蔽电缆 ， 屏蔽层一端接地，铠装电缆两端金属铠装接地。 3 ． 2 防雷的具体措施 1 直击雷防护措施。中 1 7 井场站工艺区和建筑 物新增 l 根避雷针，按照第二类防雷建筑物避雷针保 护范围计算，高度为 1 8 m；值班室屋面采用热镀锌 圆钢铺设避雷带 ，并在外墙两侧用热镀锌圆钢做引 下线接人地网。 2 配电线路防雷措施。中1 7 井配电线路和信号 系统采用限压型S P D将残压控制在设备耐冲击绝缘 水平以下。其一是在值班室配电箱旁增设避雷器件 箱 ，并安装 l 组三相电源S P D ，其放电电流不小于 4 0 k A ；其二是在值班室计量箱内1 2 V 、2 4 V 直流整 流器输出端各安装1 组直流电源S P D，并更换阴极保 58 ／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y a n d E c o n o m y 护设备上已损坏的电源S P D 。 3 信号系统防雷措施。中1 7 井进入值班室共有 5 组信号 ，其 中压力信号线路3 组，摄像机信号2 组。在计量箱内安装 3 个与计量系统相匹配的信号 S P I ； 在监控室内安装2 组视频信号S P D 。 4 屏蔽及等电位防雷措施。将进入站内的铠装 电缆屏蔽层采用铜导线做接地处理；将铠装信号线 缆屏蔽层在室外输出端和进入室内端采用铜导线做 接地处理。在值班室内设置等电位连接排，将值班 室内金属机柜 、设备金属外壳等做等电位连接，将 室外现场仪表外壳采用铜导线连接至共用地网上。 5 接地系统改造。① 场站内设备防静电接地系 统采用断接卡形式进行连接；② 补充地网，接通摄 像机高杆、投光灯、加药箱等未接地金属设备进行 接地处理；③ 补充地网采用热镀锌扁钢做水平接地 体，采用热镀锌角钢和低电阻模块做垂直接地体。 4 实施效果 2 0 1 0 年 6 月防雷系统改造完毕 ，至今运行正 常，2 0 1 1 年2 月四川省防雷检测中心检测结果为合 格。从四川省气象局在雷电监测网中查到的实时监 测数据得知 ，从2 0 1 0 年5 月至2 0 1 1 年 5 月在中l 7 井 附近 1 k m范围内发生雷击累计次数为2 2 次，在5 k m 范围内发生雷击累计次数为3 1 2 次。在这种情况下设 备未受影响，生产运行正常，说明改造后的防雷系 统经受住了考验。 5 结束语 要使设备得到很好的保护，首先应对其所处的 环境 、受雷电影响的程度做出客观估计 ，将防雷工 作作为一项系统工程来考虑 ，强调全面防护、综合 治理 ，针对感应雷瞬时能量较大的特点，根据能量 逐级吸收的理论 以及防护区间量级分类 的原则 ，以 及国家防雷标准，做多级防护。中1 7 井经过防雷系 统改造，符合建筑物防雷设计规范、建筑物电子信 息系统防雷技术规范、石油天然气设计防火规范要 求 ，实际运行证明系统达到了防雷电的要求 ，保证 了正常生产的运行。 参考文献 [ 1 ]虞昊． 现代防雷技术基础[ M] 。 北京清华大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 编辑 蒋龙 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m