加强天然气输气站防雷安全的技术措施.pdf

j I 8 ★石 油化 工 安 全 环保 技 术★ P E T R O C H E MI C A L S A F E T Y A N D E N V I R O N ME N T A 1 P R O T E C T I O N T E C H N O [ O G Y 2 0 1 5年第3 l卷第5期 加强天然气输气站防雷安全的技术措施 尹贻功，王力勇，马国康，王 民，刁佃鹏，朱光辉 中国石化天然气榆济管道分公 司，山东 济南 2 5 0 1 0 1 摘要 在开展输 气站设计建设 时，综合分析选址地 区的 气象条件 、雷暴分布特征 、地 闪密度分布、雷电流特征、地闪变化规律及土壤电阻率，采用人员生命损失风险R 1 、经济价值 损失风险 R 4结果与实际勘察相结合的分析方法，严格针对输气站工艺系统、阴保 系统、电气系 统、自控通信 系统防雷特点重点开展 防雷设计与建设 ，综合选用避雷塔 、接闪器、接 闪带、引下 线、避雷器、电涌保护器、金属屏蔽、接地等多种防护措施 ，加强输气站直击雷防护、闪电感应 防护、等电位连接 、设备接地及接地装置的防腐防锈水平，有助于提 高输气站平稳安全运行。 关键词 防雷输气站技术措施安全运行 长输天然气管道具有点多 、线长 、面广的分 布特点。受征地成本 、管线走 向、站场规模及周 边安全因素所限 ，输气站往往选建在较为空旷的 地区。输气站工艺设备较多，管件设备大多采 用 法兰连接 ，放空、排污等工艺操作往往产生部分 天然气 ，放空立管 、排污罐等部分设备安装高度 突出，易于发生雷击灾害事故。输气站属于易燃 易爆场所 ，天然气属于 甲类火灾危险品 ，易燃易 爆 ，一旦输 气站 防雷 防静 电设 施达 不到 防护 要 求 ，遭受雷击后 ，极易演变为火灾 、爆炸等巨大 安全事故 ，造成输气管道停输 ，引发 巨大的经济 损失和社会影响。为此 ，在开展输气站设计建设 时，应采取合理的技术措施，降低雷击风险，保 证输气站的正常生产⋯ 。 1 雷电灾害 雷电是伴有闪电和雷鸣的放 电现象。雷 电灾 害主要为直接雷击和闪电感应 。直击雷是指闪击 直接击在物体 、大地或外部防雷装置上 ，产生电 效应 、热效应和机械力的作用 ；闪电感应是 由于 雷电流迅速变化 ，在其周 围空间产 生瞬变 的强电 磁场，使附近导体上感应很高的电动势；危及人 身安全 ，损坏建构筑物及 电器设备 ] 。 2 输气站结构及特点 2 ． 1 输气站结构 天然气 输气 站一 般包 括输 气首 站 、输 气末 站 、压气 站 、分输 站 、清 管 站 、阴保 站 、阀室 等。通常情况下 ，除阀室及 阴保站外 ，其他输气 首站、输气末站 、压气站 、分输 站等建设规模较 大 ，一般来说主要包含工艺区 、站控室 、生产辅 助用房 、办公 区、生活区、放空 区、污水处理 区 等几个功能区块 。 2 ． 2防雷 特点 1 考虑到输气首站 、压气站增压输 气特点 ， 一 般压气站负荷等级为一 、二级负荷 ，需要高压 专线供 电，供 电电压等级通常为 1 1 0 k V或 以上 ， 并配套建设有专门变电站。压气站通常采用 T N ． S 的接地系统 ，避雷塔 、高杆灯 、放空火炬 等单 独 接地 ，其他建筑物 、设备通过接地网组 网接地。 2 其他输 气站 、分 输站 、清管 站、R T U 远 程终端装置 阀室等通常采用外 接 1 0 k V架空线 路至场站附近后直埋接人变压器 ，并配套有 U P S 不间断电源 装置、发 电机等备用设备 ，负荷等 级为二级负荷 ，接地系统通 常采用 T N C S接地 收稿 日期 2 0 1 4一l 1 2 8 。 作者简介尹贻功，男，毕业于西安交通大学过程装 备 与控制工程 专 业，主 要从 事 天然 气长 输管 道 、场 站 H S E管理工作及大型压缩机组技术管理及高低压 电气系统技术管理工作，现任陕西管理处副经理， 助理工程师。电话0 9 1 2 8 1 8 6 1 6 2 ，E m a i l y i g o n g 9 8 】 26． C O m ★ 尹贻功等．加强天然 气输 气站 防雷安全的技 术措 ★ 系 统 。 3 输气站一般设计有避雷塔 、避雷带 ，架空 线路均 设有接 地线 ，输 气管 道采用 埋地 方式 铺 设，一般直击雷不会对其造成较大危害。各输气 站一般配套有 S C A D A 数据采集与监视控制系统 系统 、专用设备工作 站、视频监控系统 、周界安 防系统等，电子设备电压等级多为2 4 V ，且普遍 存在绝缘强度低 、过 电压 和过 电流耐受 能力差 、 对电磁干扰敏感 等弱点 ，雷电过 电压 、过电流和 脉冲电磁场会通过供电线、通信线、接收天线、 金属管道和空间辐射等途径侵入建筑 物内，威胁 室内设备和人身安全。在做好直击雷防护 的同 时，重点针对感应雷开展雷击防护十分重要。 3 输气站雷电风险评估 3 ． 1 气象资料分析 1 雷暴分布特征。 雷暴 13 能反映气象观测站周围 1 5 k m范围内 的雷电发生情况 ，一定 程度上反映指定 区域的雷 电活动规律。通 过连续观 测 、记 录雷暴 日数据 ， 绘制雷暴 日统计折线 图，可 以得 出雷暴季节变化 特点 和 雷 暴 分 布 时 间 跨 度 ，找 出 最 大 月 均 雷 暴 日。 2 地闪资料分析。 以输气站 中心 位 置附 近现场 测量 点为 基 准 点 ，分析 5 k m范 围内较长时段的闪电定位资料 ， 可 以得 出地闪密度分布特点和雷 电流概率分布饼 图 ，进而得 出平均雷 电流幅值和雷 电流强度 。并 可进一步找出单位小时和单位月对应 的地闪密度 分布情况 ，得出地 闪月变 化规律 和时变化规律。 如公式 1 ，将雷暴 日资料和闪电资料用加权平 均算法可得 出输气站的地闪密度 N g 。 N g N g l a l十 N g 2a 2 ／ a 1 a 2 1 式中N g l为根 据雷 暴 日资料计算得 出的地 闪密度 ，a l 为雷暴 13 资料年份时长 ； N 为根据闪电资料得出的地 闪密度 ，a 2为 闪电资料年份时长。 3 土壤 电阻率。 利用接地电阻测试仪，采用四极法，分别取 接地极间距为 1 ，2 ，3 ，4，5 m测量土壤地表 一 地下 5 m土壤层的平均土壤电阻率。结合地质勘 测报告 ，取季节系数相乘 ，通过计算可得实际土 l 9 壤 电阻率。 3 ． 2 单体雷 电灾害风险评估 R 风险 为年平均可能损失量 ，可以分为 R1 人员生命损失风险 、R 2 工种服务损失风险 、 R 3 文化遗 产损失 风 险 、R 4 经济 价值损 失风 险 。对于建筑物或 服务设施 中可 能出现的各种 类型的风险均为对应风险分量的总和，可以经 由 公式 2 算 出。 R xN xP xL x 2 式中N x 为危险事件的次数 ； P x 损害概率 ； L 【 损失后果 。 通过将人员生命损失风险 R 1 、经济价值损失 风险 R 4与风险容许值 R T作 比较 ，确定是否需要 增加 防雷 防护措施。若小于 R T则不需要增加 防 雷措施 ，若大于 R T，则应当采取防护措施减小风 险，并将风险控制在容许值 内。 3 ． 3 电源系统雷击过电流分析 当存在雷电流时 ，一部分雷 电流通过建筑物 L P S 防雷 装置 ，即为 接 闪器 、引下 线 、接地 装 置 、电涌保护器及其它连接 导体的总和 接地装 置流人大地 ，另一部分通过各种设施 如 ，外来 电力线 、通讯 线 、金属管道等 分 流。计算可得 电涌保护器 S P D1和 S P D 2的通 流量 ，在 此基础 上 ，考虑约 2 0 ％的安全裕量可以得出最终雷电流 选型用通流量 ；另外通过地闪雷 电流强度分析可 以得到雷电流强度最高幅值。综合分析上述三个 数据可 以选择 冲击放 电电流合适 的 S P D 电涌保 护器 。 4 防雷技术措施 4 ． 1 接闪器 输气站建筑物通 常为第三类防雷建筑物 ，其 外部 防雷措施宜采用装设在建筑物的接闪带。接 闪带应采用镀锌钢 、不锈钢等材料 ，选取合适 的 截面积 ，按照规范规定沿屋角 、屋脊 、屋檐 和檐 角等易受雷击 的部位敷设 ，并应在屋面组成不大 于 2 0 m2 0 m或 2 4 m2 4 m的网格 。 除了利用混凝土构件钢筋外，钢质接闪器应 热镀锌 。在腐蚀性较强 的场所 ，应采取加大截 面 积或其他防腐措施 。在接 闪器上 ，严禁悬挂 电话 线 、广播线 、电视接收天线及低压架空线 。 5 o 全 堡垫 ★ 2 0 1 5 年第3 1 卷第5 期 4 ． 2引下 线 引下线宜采用热镀锌 圆钢或扁钢 ，优先采用 圆钢。热镀锌 圆钢直径不应小于 1 0 mm，热镀锌 扁钢截面积不应小于 8 0 mm 。建筑物的钢梁 、钢 柱等金属构件宜作为引下线 ，但其各部件之间均 应连成电气贯通 ，可采用焊接或螺栓连接。当采 用多根专设引下线 时，应在各引下线上于距地面 0 ． 3～1 ． 8 m之问装设断接卡。在易受机械损伤之 处 ，地面上 1 ． 7 m至地面下 0 ． 3 1 1 1 的一段接地线 应采用暗敷或采用镀锌角钢 、改性塑料管或橡胶 管等加以保护。 4 ． 3 接地装置 人工接 地体 一般 为垂直 接地体 和水 平 接地 体 ，埋于土壤 中的垂直接地 体宜采用镀锌 角钢 、 钢管或圆钢。水平接地体宜采用热镀锌扁钢或 圆 钢。接地线应与水平接地体 的截面相 同。人工钢 质垂直接地体 的长度宜为 2 ． 5 1T I ，其 间距 以及人 工水平接地体的间距宜为 5 m，且其埋设深度不 应小于 0 ． 5 1T I ，并宜敷设在冻土层 以下。输气场 站的防雷接地 、防静 电接地 、工作接地 、保护接 地 、电子系统的接地 、屏蔽地 等，宜共用接地装 置，接地电阻值不宜大于4 Q。 4 ． 4 等电位连接 输气场站各建筑物宜采用总等 电位连接措施 和局部等电位连接措施 相结合 的方式。直击雷防 护区和直击雷非防护区交界处应设 置总等 电位接 地端子板 ，将各局部等电位连接端子板 、配 电系 统 P E 保护导体，即接地线 线、各类金属管道 等金属部件连接到总等电位接地端子板上。 4 ． 5防闪电感应措施 建筑 物 内的设备 、管 道 、构 架 等主要 金 属 物 ，应就近接到防雷装置或共用接地装置上。平 行敷设 的管道 、构架 和 电缆金 属外皮 等长金 属 物 ，其净距小于 1 0 0 m m时，应采用金属线跨接。 建筑物 内防闪电感应 的接地干线与接地装置 的连 接不应小于两处 。 4 ． 6防闪 电电涌侵 入措 施 输气站内无金属外 壳或保护 网罩的用 电设备 应在接闪器的保护范围内，从配电箱引出的配 电 线在进人工艺 区时 ，应穿钢管。并将钢管一端与 P E线相连 ，另 一端与用 电设备 外壳 、保 护罩相 连 ，并就近与屋顶防雷装置连接。钢管 因连接设 备而中断时 ，应设跨接线。 4 ． 7 防雷击 电磁脉 冲措施 输气站所有电子信息系统 如宽带网络系统 、 电话系统、周界安防系统 、视频监控系统 、S C A D A等 均应采取 防雷击 电磁 脉冲措施 如 接地 、 屏蔽 、等 电位 连接 、合 理 布线或 安装 电涌 保护 器 。电源总开关 、各 重要 设备配 电箱进线或跨 越防雷区的线路 、各建筑物进线端应设置电涌保 护器 S P D，且电压开关型 S P D与限压型 S P D之间 的线路长度不宜小于 1 0 m，限压型 S P D之间的线 路长度不宜小于 5 r n ，否则应采取相应的退藕措 施 。信息系统均应安装信号电涌保护器。 4 ． 8 屏蔽措施 输气站 电源线和信号线应采用带金属屏蔽层 的电缆或将非屏蔽电缆敷设在金属屏蔽线槽 管 内，将金属屏蔽层 良好接地 J 。 4 ． 9 合理布线 为避免在输气站线路敷设过程中产生较大的 环路，导致因环路感应产生较高的过电压而损坏 设备 ，应采取 合理 的布线方式 。一是 电力 电缆 、 通信信号线、控制电缆等敷设时应避开防雷引下 线等 L E MP 雷击 电磁脉冲 强 的区域 ，无法避开 时 ，应采取屏蔽措施 ；二是强弱 电采用桥架分开 敷设， 避免干扰。若无法分开应在符合规范要求的 距离内，采用屏蔽措施 ；三是电力电缆线与信号线 之问的间距应符合规范要求；四是在信息系统的布 线电缆与附近可能产生高电平电磁干扰的电动机、 电力变压器等设备之问保持一定的安全距离 J 。 4 ． 1 0防锈防腐及焊接工艺 输气站 内所有暴露于空气 中的防雷装 置 接 闪带 、引下线 、等 电位连接带等 均须作 防锈 防 腐处理 。接地装置的焊 接均应采用搭接焊 。扁钢 与扁钢搭接长度为扁钢宽度 的 2倍 ，且不少于三 面施焊 ；圆钢与圆钢搭接长度为圆钢直径 的6倍 ， 采用双面施焊 ；圆钢与扁 钢搭接为 圆钢直径 的 6 倍 ，采用双面施焊 ；扁钢与钢管 ，扁钢与角钢焊 接 ，紧贴角钢外侧两 面 ，或 紧贴 3 ／ 4钢管表 面， 上下两侧施 焊。除埋设 在混凝 土 中 的焊 接接 头 外，焊接处均需采用防腐措施。 下转第 7 5页 [ 1 2] [ 1 3 ] [ 1 4 ] ★ 康 凯璇等． 生物技 术在 石油污染修 复领域的最新进展 ★ Me g h a r a j ，M． ， R a m a k r i s h n a n ，B ． ，V e n - k a t e s wa r l u， K．， S e t h u n a t h a n， N．， Na i d u， R ． B i o r e me d i a t i o n a p p r o a c h e s f o r o r g a n i c p o l l u t a n t s A c r i t i c a l p e r s p e c t i v e[ J ] ．E n v i r o n me n t a l I n t e r n a t i o n a l ，2 0 1 1，3 7l 3 6 2 ． 1 3 7 5 ． 姚伦芳，腾应 ，刘方 ，等 ．多环芳烃污染 土壤 的微 生 物一 紫花 苜 蓿联 合修 复 效 应 [ J ] ． 生 态 环 境 学 报 ，2 0 1 4，2 3 5 8 9 0． 8 9 6． Z h a n g J ．， L i n X． G． ， L i u W． W． E f f e c t o f o r g a ni c wa s t e s o n t h e p l a n t ．． mi c r o b e r e me d i a ． ． [ 1 5] [ 1 6 ] t i o n for r e mo v a l o f a g e d P A H s i n s o i l s[ J ] ． J o u r n a l o f En v i r o n me n t a l S c i e n c e s ， 2 0 1 2， 2 4 8 1 4 7 6 ． 1 4 8 2 ． Da s N．， Ch a n d r a n P． Mi c r o bi a l d e g r a d a t i o n o f pe t r o l e um h y d r o c a r b o n c o n t a mi n a n t s An o v e r v i e w [ J ] ． B i o t e c h n o l o g y R e s e a r c h I n t e r na t i o na l ，2 01 1 ． 傅德慧 ，冯慧珍 ，吴彦颈，等 ．推广油气 田回 收 技 术，减 少挥 发 性 有 机 物 污 染 [ J ] ．内蒙古石油化工 ． 2 0 1 4 1 8 8 8 8 9 ． 上接 第 5 0页 5 结 论 在天然气输气站选址建设时，应综合考虑当 地气象条件，充分开展现场勘测工作，分析其闪 电活动规律和土壤电阻率，尽可能选建在雷电流 强度低 、闪 电活动不频 繁 的地 区。选址完毕后 ， 应综合采取接 闪、接地 、等电位 、防 闪电感应及 电涌侵入 、防 雷击 电磁脉 冲 等措施 ，并合 理 布 线 ，采用符合规范要求 的防腐 防锈 及焊接工艺 ， 将人员生命损失风险 R 1及经济价值损失风险 R 4 指标控制在容许风险范 围内，实现输气站 的平稳 安全运行 。 [ 2 ] 雷电灾害风险评估报告 [ z] ．榆林 榆林 市盾安防雷科技服务中心，2 0 1 4 ． [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 [ 6 ] [ 1 ] 韩春娟．输 气站防 雷技 术设计 与研 究 [ J ] ．东北石油大学， 2 0 0 8 ， 2 7 8 4 9 5 0 ． 李小龙，付国振，等．天然气输气站的雷 电防护设计 思路 与 实践 [ c] ．第六届 中 国 国 际 防 雷 论 坛 论 文 j 12编 ． 2 0 0 8 5 2 5． 5 2 7． 汤维科 ，马艳利． 浅谈天然气输气场站的 雷电防护 [ C ] ．第 2 8届 中国气象学会 年 会一S 1 3 雷 电 物 理、 监 测 预 警 和 防 护 ，2 0 1 1 ． 杜鹃，杜艳 ，等． 易燃 易爆场所的雷电防 护分 析 [ J ] ．陕 西 气 象，2 0 0 9 ， S 1 5． 6． 王式久，李洪生，等．天然气输气站雷电 事故科学防范技术研究 [ J ] ．中国石油和 化 工标准与质量，2 0 1 4 ， 7 5 4 ．