沿海大型LNG儲罐的雷電危害風險淺析

郭燕龍，陳紹東，張生奇，張儒曉

（1.珠海市公共氣象服務中心，廣東珠?！?19040；2.廣東省防雷中心，廣東廣州　510000）

沿海大型LNG儲罐的雷電危害風險淺析

郭燕龍1，陳紹東2，張生奇1，張儒曉1

（1.珠海市公共氣象服務中心，廣東珠海519040；2.廣東省防雷中心，廣東廣州510000）

利用1999—2011年廣東省地閃定位系統(tǒng)對研究項目場地附近4 km范圍內(nèi)的雷電數(shù)據(jù)進行提取分析，得出4 km范圍內(nèi)1%的地閃雷電流幅值達221.6 kA；儲罐的年預計雷擊次數(shù)為0.526次，考慮到閃電定位探測系統(tǒng)的效能，真實環(huán)境的年預計雷擊次數(shù)大于統(tǒng)計值；取極限分析，當金屬線路有屏蔽層時，由建筑物接閃雷電后，分流給單一芯線的雷電流最大值為18.47 kA；結合珠海LNG低溫儲罐設計文件、選址的環(huán)境，估算得出初步設計方案的人身傷亡損失風險大于GB/T21714.2-2008規(guī)定的容許值10-5，應針對風險分量采取雷電防護加強措施。

雷電防御；LNG儲罐；雷電危害；雷電風險；珠海

郭燕龍，陳紹東，張生奇，等.沿海大型LNG儲罐的雷電危害風險淺析［J］.廣東氣象，2016，38（4）：63-66.

廣東珠海LNG項目坐落于珠海高欄島平排山深水港區(qū)，該項目一期工程規(guī)模為350萬噸/年，包括3座16萬m3全容式LNG儲罐和相應的工藝處理設施。項目投產(chǎn)后，彌補珠海西岸城市能源結構市場的缺口，完善珠三角地區(qū)的供氣網(wǎng)絡，與已有氣源共同保障珠三角城市的供氣安全，優(yōu)化廣東能源結構和改善生態(tài)環(huán)境。由于珠海LNG建設規(guī)模及投資額巨大，其安全可靠運行影響到千家萬戶。另外，大型項目尤其是易燃易爆等場所，因雷擊而產(chǎn)生的火花導致的火災或爆炸事故概率雖不大［1］，但是一旦發(fā)生事故，后果非常嚴重，關系到企業(yè)和員工的生命財產(chǎn)安危?；诖?，本研究結合珠海LNG儲罐的特性、地理環(huán)境、天氣特征等雷擊環(huán)境條件，分析珠海LNG儲罐的雷電風險及危害。

1　LNG儲罐

LNG儲罐主要由內(nèi)罐、預應力混凝土外罐、外罐內(nèi)側底部熱角保護系統(tǒng)、內(nèi)外罐之間的保冷系統(tǒng)以及工藝儀表等附件等組成?；炷镣夤迌?nèi)表面設有碳鋼襯里板，以包容罐內(nèi)介質蒸發(fā)氣體，并為保冷材料提供保護。吊頂由吊頂鋁合金板及吊桿組成。吊頂鋁合金板的厚度為6 mm。儲罐規(guī)格：（內(nèi)罐內(nèi)徑×罐壁高度）80 000 mm× 36 100 mm；（外罐內(nèi)徑×罐壁高度）82 000 mm× 39 000 mm；儲存介質：液化天然氣（介質密度：458 kg/m3）；最大容積：172 928 m3；工作容積：160 000 m3；最高設計液位：內(nèi)罐35 311 mm、外罐33 750 mm。儲罐結構圖如圖1。

2　項目雷電危害分析

珠海LNG儲罐所在位置處于亞熱帶地區(qū)，受西太平洋副熱帶高壓、熱帶輻合帶、季風槽等環(huán)流系統(tǒng)及熱帶氣旋的影響較大，系統(tǒng)前后的干濕空氣平流疊加后容易產(chǎn)生強對流天氣，午后熱對流容易形成不穩(wěn)定層結，引發(fā)強對流天氣，為雷暴產(chǎn)生提供了良好的條件。另外，珠海LNG儲罐選址在高欄港平排山海陸交界處，受到海陸風或地形的影響在局部地區(qū)或迎風坡也容易產(chǎn)生強對流天氣，閃電活動頻繁。一般地說，在平原和山地，落雷點經(jīng)常出現(xiàn)在河岸、地下水出口處，是比較容易遭受雷擊的，且土壤電阻率較低，有利于下行先導感應出的反極性電荷在該處產(chǎn)生和聚積，從而使得在該處容易出現(xiàn)落雷點，加上儲罐規(guī)模較大，高達60 m，在項目所在場地屬于高聳的構筑物，因雷擊的選擇性［2］，使得珠海LNG儲罐易成為雷擊對象。

2.1儲罐地閃概率

通過廣東省閃電定位數(shù)據(jù)庫查詢系統(tǒng)，可以查詢閃電探測站附近的云對地閃電，其字段包括時間、電流、經(jīng)緯度等信息［3］，基于上述數(shù)據(jù)庫得出珠海LNG儲罐4 km范圍內(nèi)1999—2011年的雷電資料，分析得出該項目4 km范圍內(nèi)的地閃密度分布圖（圖2）。

圖1　LNG罐內(nèi)外剖面圖

圖2　項目地閃密度分布圖（單位：次/km2）

由圖2可知，1999—2011年，儲罐所在地4 km范圍內(nèi)平均地閃密度Ng為6.248次/km2。儲罐地處海灣，北面靠山，南面靠海，地閃密度分布圖中，海洋片區(qū)地閃密度較小，北面迎風山地地閃密度較大。

儲罐年預計雷擊次數(shù)

其中，N為雷擊次數(shù)；k為校正系數(shù)；Ng為地閃密度（次·km-2）；Ae為儲罐等效面積（km2）；D為儲罐擴大寬度（m）；H為頂部平臺高度（m）；R為投影半徑（m）。

式中各基礎參數(shù)：κ=1.5、Ng=6.248次·km-2、2R=84 m、H=60 m。

經(jīng)計算，儲罐四周擴大寬度D=91.7 m，儲罐等效面積Ae=0.056 km2，得出儲罐預計雷擊次數(shù)約為0.526次/年，項目遭受雷擊的可能性非常高。

2.2雷電流強度及其危害

強大的雷電流對電纜線路或金屬管道的放電，會造成建筑物或管線的絕緣層破壞或產(chǎn)生危險火花放電，由于LNG及其蒸發(fā)產(chǎn)生的天然氣的最主要成分為甲烷，LNG屬于液化烴，為甲A類火災危險物質，甲烷氣體屬于甲類可燃氣體［4］，屬于高度易燃易爆物質，和空氣混合后，遇電火花可引起爆炸和火災事故。根據(jù)雷電統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析遭受直擊雷的管線可能遭受的沖擊放電電流Iimp（表略）。取錄得累積概率為1%的雷電流參數(shù)I=221.6 kA，依據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》2010版式4.2.6-7：Iimp=（0.5IRS）/（n×（mRS+RC））［5］，依據(jù)設計文件設計方案，取極限情況分析，僅設計1條輸料管線、1條消防水管、1條控制線路，取管線總數(shù)n=3，取導體芯線m =1，屏蔽層及芯線電阻率RC=RS=1 Ω·km-1，計算得出Iimp=18.47 kA，即每根導體遭受最大的雷電流幅值為18.47 kA。雷擊產(chǎn)生強大雷電流，能通過各種途徑直接或間接地對地面物體造成破壞，給人們帶來危害和損失［6］，建議電涌保護器通流量水平應根據(jù)計算值預留安全量。

2.3雷電風險估算

風險是指因雷電造成的年平均可能損失人和物與總保護對象人和物的總價值之比。經(jīng)分析，儲罐總估算的主要損失類型有L1（人身傷亡損失）和L4（經(jīng)濟損失）。依據(jù)GB/T21714.2-2008的評估模式，計算損失風險值時，可按損害成因或損害類型確定構成風險的各個風險分量（RA、RB、RC、RM、RU、RV、RW和RZ）［7］，然后計算出各個風險分量并求和即可得出人身傷亡損失風險值R1和經(jīng)濟損失風險值R4。

1）雷擊風險計算公式。

各個風險分量可以用以下通用表達式來表示：Rx=Nx×Px×Lx（Nx為每年危險事件次數(shù)；Px為建筑物的損害概率；Lx為每一損害產(chǎn)生的損失率），其中危險事件次數(shù)Nx受到大地雷擊密度（Nx）以及受保護對象的物理特性、其周圍物體以及土壤性質的影響；損害概率Px受到需保護對象的特性以及所采取的保護措施的影響；損失率Lx受到保護對象的用途、現(xiàn)場人數(shù)、公眾服務類型、受損商品的價值以及減小損失措施的影響。

總風險或風險分量的評估就是對Nx、Px、Lx3個量綜合評估的過程。

2）雷擊風險計算。

珠海LNG儲罐離海約50 m，處于海岸凸角處，場地四周空曠，雷電環(huán)境惡劣，經(jīng)防雷技術人員連續(xù)3 d在場地采用MI2127檢測儀測得多組土壤電阻率數(shù)據(jù)，經(jīng)過矯正分析，取平均值得到土壤電阻率值為40.96 Ω·m。經(jīng)分析，場地原為海岸，地勢低洼，地表下土壤電阻率理論值非常小，但是經(jīng)人工回填碎石、干渣土后經(jīng)壓實而提升地基地表，短期內(nèi)其含水量與地基下土壤的含水量及導電性有一定差值，現(xiàn)狀土壤電阻率平均值為40.96 Ω·m與實際情況一致，故采用該值作為風險評估土壤電阻率參數(shù)。

儲罐最大直徑84 m，占地面積5 538 m2，頂部操作平臺及通道高為60 m。儲罐按2類防雷類別設計雷電防護措施。罐頂人行通道金屬欄桿、吊臂設備、工藝管道等設備壁厚大于4 mm，均滿足作為接閃器的要求，并在屋面設置放射型接閃網(wǎng)格。儲罐罐體結構上下焊通，并沿儲罐四周外壁敷設引下線，引下線間距為10 m，引下線上端與接閃器可靠焊接，下端與人工接地網(wǎng)匯流排接地點可靠連接。沿儲罐四周埋設人工接地網(wǎng)，人工地網(wǎng)與全廠區(qū)地網(wǎng)多點可靠連接。儲罐動力及照明配電引自廠區(qū)變電所，線纜經(jīng)橋架線槽盒引至儲罐用電設備，長度約為560 m。儲罐信號及控制儀表線路經(jīng)橋架線槽引自現(xiàn)場機柜間，長度為455 m，后經(jīng)埋地55 m引入。

儲罐雷擊風險估算相關參數(shù)摘錄于GB/ T21714.2-2008［7］。

根據(jù)IEC62305-2，容許值為10-5，可以得出，儲罐的人身傷亡風險總值為1.635×10-3，超過了容許值，主要部分是雷擊相連通信線路導致內(nèi)部系統(tǒng)故障而產(chǎn)生的風險RZ（通信），占人身傷亡總風險R1的82.81%。儲罐總的經(jīng)濟損失風險值為2.452×10-2，經(jīng)濟損失風險一般無固定容許值，建議采用參考的容許值為10-3，其主要部分是雷擊相連通信系統(tǒng)線路導致建筑物物理損害而產(chǎn)生的風險RV（通信）和雷擊相連通信系統(tǒng)線路導致內(nèi)部系統(tǒng)故障產(chǎn)生的風險RZ（通信），珠海LNG儲罐設有密集的控制系統(tǒng)，雷擊電磁脈沖造成設備損壞和經(jīng)濟損失風險將會較為嚴重［8］。

3　結論

通過分析珠海LNG儲罐特性、地理位置、雷電環(huán)境、雷擊風險及雷電流強度，得出：

1）廣東珠海LNG儲罐所在項目附近的地理位置為海陸交界處，地勢由低升高，且背靠鳳鷹山，對海面暖濕氣流形成抬升作用，易促成午后對流引發(fā)場地上空雷電的發(fā)生。

2）基于地閃統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出的場地地閃密度值為6.248次/km2，從而計算得出儲罐的年預計雷擊次數(shù)為0.526次/年的概率值。另一方面，基于閃電定位系統(tǒng)設備的探測效率和傳感器的精度不足［9］，真實環(huán)境的地閃密度值比統(tǒng)計得出的地閃密度值6.248次/km2會高，因而，年預計雷擊次數(shù)將相應增大。

3）極限情況下，建筑物接閃雷電后，分流給單一芯線的沖擊電流最大值為18.47 kA，對于配電線路、弱電線路而言應當做好接地，并配合電涌保護器進行防護，電涌保護器的通流量值應預留安全值。

4）LNG儲罐初步設計方案的人身傷亡風險值大于IEC62305-2規(guī)定的容許值，主要部分是風險RZ（通信），占人身傷亡總風險R1的82.81%，設計方案應重點對配電線路、控制及通信線路的雷電電涌進行防護，可采取金屬管屏蔽、兩端接地、進出防雷界面處安裝匹配的電涌保護器等措施，降低人身傷亡風險。

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［4］石志儉，郭全文.液化天然氣氣化站的安全設計［J］.煤氣與熱力，2009，29（10）：11-13.

［5］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑物防雷設計規(guī)范（GB5007-2010版）［S］.北京：中國計劃出版社，2011.

［6］張建春.雷電定位系統(tǒng)在湖南永州的應用與分析［J］.高電壓技術，2003，29（8）：55-56.

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A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.04.016

2015-12-20

郭燕龍（1988年生），男，助理工程師，本科，主要從事雷電風險評估與防護技術工作。E-mail：939055728@qq.com