孫蔡亮宋木泉康國山

1.福建省莆田市氣象局 2.福建省泉州市氣象局

LNG 分輸站雷電風險評估

孫蔡亮1宋木泉2康國山1

1.福建省莆田市氣象局 2.福建省泉州市氣象局

孫蔡亮等.LNG分輸站雷電風險評估.天然氣工業(yè),2010,30(7):83-86.

在提倡使用清潔能源、大力推進天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的今天,雷電災害已成為石油化工行業(yè)不容忽視的安全隱患之一,而我國雷電災害風險評估工作相對國外則開展較晚,目前還沒有專門針對石油化工行業(yè)的雷電災害風險評估方法。為此,利用IEC62305《雷電災害風險評估》中的評估方法,對福建LNG輸氣干線工程——莆田LNG分輸站實地情況進行了勘查與防雷檢測,據(jù)此對評估模型進行了簡化,有效地選定了所有評估參數(shù),經(jīng)計算得出了雷電風險評估結論: LNG分輸站雷電風險主要來自建(構)筑物防直擊雷設施及工藝區(qū)內(nèi)各管道、設備接地的施工質(zhì)量問題,以及引入服務設施的雷電電磁脈沖問題。由此提出了相應的防雷整改措施——控制防雷施工質(zhì)量,并采取屏蔽服務設施線路、合理布線、等電位聯(lián)結以及在防雷分區(qū)交界處安裝參數(shù)適配的浪涌保護器等。這樣做可將LNG分輸站雷電風險值控制在可承受風險值以下,將人身傷亡的風險值降低到規(guī)范要求可承受風險值以下。

LNG分輸站 雷電 風險評估 評估模型 評估參數(shù) 風險值

據(jù)統(tǒng)計,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。雷暴天氣帶來的強降水、大風、強光、強電場、強電流、強聲波、電磁脈沖輻射和無線電噪聲等,會對人類社會產(chǎn)生巨大的危害[1]。我國雷電災害風險評估這項工作相對國外開展較晚,缺少經(jīng)驗。因此需要在國際防雷風險評估研究的基礎上,結合我國國情,參考我國相關行業(yè)的經(jīng)驗,大力開展雷電風險的工程評估和研究,盡快推行全面雷電風險評估,提升防雷工程的科學性,加強防雷工作管理。

1 LNG分輸站概況

圖1 莆田LNG分輸站站區(qū)平面布置圖

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700m、金山村西南側400m處,廠區(qū)周圍為菜地,地勢平坦,場區(qū)南側緊鄰一條村級水泥公路。站場分區(qū)布置主要由辦公區(qū)、工藝設備區(qū)、排污池和放空區(qū)組成,詳見圖1。辦公區(qū)有綜合樓1棟,其南面為停車場,東面大門口有門衛(wèi)房及發(fā)、配電房;辦公區(qū)北面為裝置區(qū),較為空曠,所有設備均露天設置,2臺高大加熱爐、管道、閥門、分析室小屋等遭直擊雷電的幾率較高,站內(nèi)各種計量、調(diào)壓工作狀態(tài)等信息通過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;另外整個站場分布路燈及監(jiān)控探頭,均為高度近10m的金屬矗立物,極易導致直接雷擊。

2 LNG分輸站雷電災害風險評估

2.1 LNG分輸站分區(qū)布置的簡化處理

雷電災害風險評估的關鍵是選擇一個盡可能合適的評估方法[2]。目前,國內(nèi)外現(xiàn)有的雷電災害風險評估標準較少,雷電災害風險評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)驗為主,可靠性和可操作性較差。由于國內(nèi)目前沒有專門針對石油化工行業(yè)的雷電災害風險評估方法,因此,評估的關鍵是將LNG分輸站內(nèi)的分區(qū)布置情況進行適當簡化,以適用于評估模型。

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、機械效應及化學效應;③直接雷電下設備上的過電壓;④間接雷電下設備上的過電壓;⑤間接雷電引起的著火、爆炸、機械效應和化學效應[3]。

2.3 針對人身傷亡的雷電風險評估參數(shù)選定

雷電風險評估參數(shù)的選定是雷電災害風險評估最大的難點,因為每個參數(shù)選定的精確度將直接影響到最后的評估結果。表1～3列出了雷電災害風險評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)處理過程進行描述。

2.3.1 LNG分輸站的高度(H)

分輸站內(nèi)各分區(qū)建(構)筑物均高低不同,如裝置區(qū)設備高度均為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,因此,可將整個LNG分輸站高度簡化處理為9.6m,詳見表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)筑物均利用鋼筋混凝土結構柱內(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)筑物均利用人工接地體進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,詳見表1。

2.3.3 外部防雷裝置(PB)

經(jīng)檢測,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度未達到規(guī)范要求等缺陷,因此認為外部防雷裝置(LPS)的取值選定為2×10-1,詳見表1。

2.3.4 線路屏蔽及預防措施(PLD、KS3)

LNG分輸站內(nèi)電力設施由配電房引出低壓配電線路至各區(qū)域,包括綜合樓、工藝設備區(qū)及路燈處,均采用套鋼管埋地敷設,但埋地鋼管未在兩端進行接地處理,未形成屏蔽層的作用,而線路在敷設過程中形成了大面積回路,因此 PLD為1、KS3為1,詳見表2、表3。同樣,站內(nèi)弱電線纜(從站控室引出至工藝設備區(qū)各設備的控制線路及消防報警線路)的外套鋼管也未進行兩端接地處理,取值與電力設施相同。

2.3.5 高壓電力電纜及電力設施高度(Hc)、系統(tǒng)耐受沖擊電壓(KS4)

LNG分輸站電力系統(tǒng)由當?shù)仉姌I(yè)局敷設,將市電電源架空進線裝于10kV電桿上引至LNG分輸站內(nèi)變、配電房,經(jīng)帶保護外殼干式變壓器變壓后向LNG分輸站內(nèi)設備供電。經(jīng)檢測,高壓架空線電桿高度 Hc為12m,詳見表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),詳見表2。

表1 LNG分輸站特征參數(shù)表

表2 LNG分輸站引入設施數(shù)據(jù)特征表

表3 LNG分輸站建(構)筑物內(nèi)特征數(shù)據(jù)表

2.3.6 相配合的浪涌保護器(SPD)保護(PSPD)

雖然強電系統(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SPD參數(shù)相同,而進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,強電PSPD為0.1,詳見表2。弱電系統(tǒng)未安裝任何信號SPD,故此時PSPD為1,詳見表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,且在光纖轉換器前端已將金屬加強芯和鎧裝層可靠接地,故評估中忽略此項。

2.3.8 特殊傷害(hz)站內(nèi)工藝設備區(qū)為爆炸危險環(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,將會對地形地貌造成機械損害,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,熱輻射加重了機械損傷[4]。但天然氣屬于清潔能源,其燃燒后只會生成少量的水分及二氧化碳,所以,特殊傷害hz為20,詳見表3。

2.4 公式計算

選定相關參數(shù)后,根據(jù)規(guī)范IEC60305中給定的公式,先后計算出建(構)筑物及引入設施截收面積(結果見表4)、預計年累計次數(shù)(結果見表5)、人身傷亡風險分量(結果見表6)等值(表4～6中方程引自本文參考文獻[3])。

2.5 雷電風險評估結論

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險小于LNG分輸站能接受的風險值RT(10-5)。由上述計算結果可知,R大于RT,可見該LNG分輸站防雷裝置的安全性應進一步提高,以加強對站內(nèi)人員的保護。

表4 LNG分輸站建(構)筑物及引入設施截收面積計算結果表 m2

表5 LNG分輸站預計年均雷擊次數(shù)計算結果表 次/a

表6 LNG分輸站人身傷亡風險分量計算結果表

2.6 防雷裝置整改措施及成效

分析表6可知,造成人身傷亡風險值過高的原因主要在于RB和RV。因此只需針對這兩個參數(shù)采取相關措施:

1)將所有強電、弱電線纜屏蔽層兩端進行接地處理,在所有防雷分區(qū)交界處安裝高效的(LPLI級) SPD[5],并注意前后能級配合。

2)加強直擊雷防護,對防雷裝置不完善的地方一一整改,使達到LPSⅠ[6]級防護水平。

3)工藝設備區(qū)分析室附近加裝避雷針保護,并將分析室外殼及基座可靠接地。

實施上述防雷改進措施后,下列評估參數(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)的人身傷亡風險降低到可承受值以下,達到了評估規(guī)范所規(guī)定的要求。

3 結束語

利用雷電災害風險評估可以對LNG分輸站防雷工程的質(zhì)量作出量化判斷,從而更加理性、有針對性地去采取經(jīng)濟、實用、有效地防雷措施以達到保護人身安全的目的。由評估案例可見,控制LNG分輸站場站內(nèi)建(構)筑物防直擊雷設施及工藝區(qū)內(nèi)各管道、設備接地的施工質(zhì)量,并采取屏蔽服務設施線路、合理布線、等電位聯(lián)結以及在防雷分區(qū)交界處安裝參數(shù)適配的SPD等措施,是將LNG分輸站雷電風險值控制在可承受風險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)計算機控制系統(tǒng),導致設備抗干擾、耐沖擊能力顯著下降,而上述技術措施正是解決該問題的有效途徑。

[1]潘旭海,華敏,蔣軍成.環(huán)境條件對LNG泄漏擴散影響的模擬研究[J].天然氣工業(yè),2009,29(1):117-119.

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[5]楊仲江,盧燕.熱電廠雷電災害風險評估探討與實踐[J].氣象科技,2007,35(1):79-84.

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(修改回稿日期 2010-05-12 編輯 何 明)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.023

Sun Cailiang,assistant engineer,born in1984,holds a B.Sc.degree and is mainly engaged in lightning protection,monitoring and research.

Add:No.666,Wenxian Rd.,Chengxiang District,Putian,Fujian351100,P.R.China

Mobile:+86-13607530898 E-mail:suncailiang27@163.com

An investigation into the risk assessment of lightning hazard of LNG sub-transmission stations

Sun Cailiang1,Song Muquan2,Kang Guoshan1
(1.Fujian Putian Meteorological B ureau,Putian,Fujian351100,China;2.Fujian Quanzhou Meteorological B ureau,Quanzhou,Fujian362000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE7,pp.83-86,7/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

Lightning disasters is one of the risk hazards which can not be ignored in the petrochemical industry.The risk assessment of lightning disaster in China started later than that in the foreign countries.Presently,there is no such specific risk assessment methods for petrochemical industry in China.Therefore,based on the IEC62305Lightning Risk Assessment,this paper performs on-site exploration and lightning protection inspection at the Fujian LNG Transmission Trunk Line Project-Putian LNG Sub-transmission Station.This paper simplifies the assessment model and effectively selects all the assessment parameters.The lightning risk assessment conclusions have been reached through calculation.The lightning risks mainly lie in the lightning protection devices of the buildings(structures),the pipelines in the process area,the construction quality of the equipment grounding,as well as the lightning electromagnetic pulse problems.Therefore,this paper puts forward some corresponding corrective measures to lightning protection system.The lightning risk can be controlled below the acceptable value and the personal injury and death can be reduced below the specifications by controlling the quality of lightning protection construction,screening the wiring of the service facilities,reasonable connection layout,equipotential connection,as well as the installation of the surge protective device(SPD)with matched parameters at the border line of different lightning protection areas.The assessment methods can provide reference for lightning risk assessment and lightning protection design.

LNG,sub-transmission station,lightning,risk assessment,model,assessment parameters

book=83,ebook=590

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.023

孫蔡亮,1984年生,助理工程師,學士;主要從事雷電防護、監(jiān)測及研究工作。地址:(351100)福建省莆田市城廂區(qū)文獻路666號。電話:13607530898。E-mail:suncailiang27@163.com