LNG分輸站雷電風(fēng)險評估

摘 要

LNG分輸站雷電風(fēng)險主要來自建(構(gòu))筑物防直擊雷設(shè)施及工藝區(qū)內(nèi)各管道、設(shè)備接地的施工質(zhì)量問題，以及引入服務(wù)設(shè)施的雷電電磁脈沖問題。
摘要：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(zāi)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(zāi)害風(fēng)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(zāi)害風(fēng)險評估方法。為此，利用IEC62305《雷電災(zāi)害風(fēng)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(fēng)險評估結(jié)論：LNG分輸站雷電風(fēng)險主要來自建(構(gòu))筑物防直擊雷設(shè)施及工藝區(qū)內(nèi)各管道、設(shè)備接地的施工質(zhì)量問題，以及引入服務(wù)設(shè)施的雷電電磁脈沖問題。由此提出了相應(yīng)的防雷整改措施一控制防雷施工質(zhì)量，并采取屏蔽服務(wù)設(shè)施線路、合理布線、等電位聯(lián)結(jié)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(fēng)險值控制在可承受風(fēng)險值以下，將人身傷亡的風(fēng)險值降低到規(guī)范要求可承受風(fēng)險值以下。
關(guān)鍵詞：LNG分輸站；雷電；風(fēng)險評估；評估模型；評估參數(shù)；風(fēng)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(fēng)、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(zāi)害風(fēng)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(fēng)險評估研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國國情，參考我國相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗，大力開展雷電風(fēng)險的工程評估和研究，盡快推行全面雷電風(fēng)險評估，提升防雷工程的科學(xué)性，加強防雷工作管理。
1 LNG分輸站概況
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(cè)700m、金山村西南側(cè)400m處，廠區(qū)周圍為菜地，地勢平坦，場區(qū)南側(cè)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(shè)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(shè)備均露天設(shè)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(dǎo)致直接雷擊。
 

2 LNG分輸站雷電災(zāi)害風(fēng)險評估
2.1 LNG分輸站分區(qū)布置的簡化處理
    雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的關(guān)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(zāi)害風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)較少，雷電災(zāi)害風(fēng)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(zāi)害風(fēng)險評估方法，因此，評估的關(guān)鍵是將LNG分輸站內(nèi)的分區(qū)布置情況進行適當(dāng)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(yīng)及化學(xué)效應(yīng)；③直接雷電下設(shè)備上的過電壓；④間接雷電下設(shè)備上的過電壓；⑤間接雷電引起的著火、爆炸、機械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)[3]。
2.3 針對人身傷亡的雷電風(fēng)險評估參數(shù)選定
    雷電風(fēng)險評估參數(shù)的選定是雷電災(zāi)害風(fēng)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(jié)果。表1～3列出了雷電災(zāi)害風(fēng)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(gòu))筑物均高低不同，如裝置區(qū)設(shè)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(dāng)，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(gòu))筑物均利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(gòu))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(rèn)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(yù)防措施(PLD、KS3)
    LNG分輸站內(nèi)電力設(shè)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(shè)備區(qū)及路燈處，均采用套鋼管埋地敷設(shè)，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(shè)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(shè)備區(qū)各設(shè)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(shè)施相同。
2.3.5高壓電力電纜及電力設(shè)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(dāng)?shù)仉姌I(yè)局敷設(shè)，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(shè)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。
 
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(zhuǎn)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(shè)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(guān)參數(shù)后，根據(jù)規(guī)范IEC60305中給定的公式，先后計算出建(構(gòu))筑物及引入設(shè)施截收面積(結(jié)果見表4)、預(yù)計年累計次數(shù)(結(jié)果見表5)、人身傷亡風(fēng)險分量(結(jié)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(fēng)險評估結(jié)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(fēng)險小于LNG分輸站能接受的風(fēng)險值RT(10-5)。由上述計算結(jié)果可知，R大于RT，可見該LNG分輸站防雷裝置的安全性應(yīng)進一步提高，以加強對站內(nèi)人員的保護。
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(fēng)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(guān)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(shè)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(fēng)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(jié)束語
    利用雷電災(zāi)害風(fēng)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(gòu))筑物防直擊雷設(shè)施及工藝區(qū)內(nèi)各管道、設(shè)備接地的施工質(zhì)量，并采取屏蔽服務(wù)設(shè)施線路、合理布線、等電位聯(lián)結(jié)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(fēng)險值控制在可承受風(fēng)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(dǎo)致設(shè)備抗干擾、耐沖擊能力顯著下降，而上述技術(shù)措施正是解決該問題的有效途徑。
參考文獻
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(本文作者：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)