沼氣工程防雷設計探討

盧新社， 劉 耕， 袁建永， 張林燦， 陳煥軍， 史曉光

(1.河南省漯河市臨潁縣農(nóng)林局， 河南 臨潁 462600； 2.河南省農(nóng)村能源環(huán)境保護總站， 河南 石家莊 450002)

通過沼氣工程的建設運營，不但可以處理工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及養(yǎng)殖業(yè)等各種有機廢棄物，而且可以產(chǎn)生沼氣、沼渣和沼液。沼氣可以做飯、照明、發(fā)電、車用燃料、工業(yè)原料用等，而且沼渣和沼液是非常好的優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物肥料。因此，近年來，特別是在農(nóng)業(yè)以及養(yǎng)殖業(yè)方面，為貫徹落實中央關于建設生態(tài)文明、做好“三農(nóng)”工作的總體部署，適應農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、農(nóng)村居住方式、農(nóng)民用能方式的變化對農(nóng)村沼氣發(fā)展的新要求，積極發(fā)展規(guī)?；笮驼託夤こ?，并開展規(guī)模化生物天然氣工程，以推動農(nóng)村沼氣工程向規(guī)模發(fā)展、綜合利用、科學管理、效益拉動的方向轉(zhuǎn)型升級，全面發(fā)揮農(nóng)村沼氣工程在提供可再生清潔能源、防治農(nóng)業(yè)面源污染和大氣污染、改善農(nóng)村人居環(huán)境、發(fā)展現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)、提高農(nóng)民生活水平等方面的重要作用。因此，沼氣工程建設已步入了快速發(fā)展的軌道。為適應新的形勢和機遇，保障沼氣工程的運行安全，本文對沼氣工程整體的防雷設計進行了系統(tǒng)梳理，以期提高我國沼氣工程防雷擊設計方面的整體水平。

1 沼氣的特性

沼氣中的主要成分是甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)和少量的硫化氫(H2S)、氫(H2)、一氧化碳(CO)、氮(N2)等氣體。其中甲烷占50%～70%，二氧化碳占30%～40%，其他成分含量極少。

甲烷是無色、無臭的氣體，分子式CH4，分子量為16.04，在0℃ 101325 Pa標準狀態(tài)下，甲烷對空氣的相對密度為0.5548，沼氣約為0.94；甲烷的熱值為35.9 MJ·m-3，沼氣低熱值20.25 MJ·m-3。 由表1可以看出，甲烷(沼氣)是一種易燃、易爆、易擴散的甲類可燃氣體，遇熱源、明火或雷電極易發(fā)生爆炸，產(chǎn)生嚴重的后果，所以必須在設計及施工階段予以重視。筆者主要對沼氣工程的防雷設計及注意事項進行探討。

2 沼氣工程防雷設計依據(jù)

沼氣工程防雷設計依據(jù)以下標準：

《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》(GB50160-2008);《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》(GB50183-2004);《石油庫設計規(guī)范》 (GB50074)；《石油與石油設施雷電安全規(guī)范》 (GB15599-2009);《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB50057-2010);《建筑物防雷工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50601-2010);《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》(GB50058-2014);《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》(GB50343-2012);《建筑物電氣裝置 第5-53部分 第534節(jié)》(GB16895.22-2004);《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器(SPD)第12部分》(GB/T18802.12-2006);《低壓電涌保護器 第22部分：電信和信號網(wǎng)絡的電涌保護器(SPD)選擇和使用導則》(GB/T18802.22);《建筑物防雷裝置檢測技術規(guī)范》(GB/T21431-2015);《民用建筑電氣設計規(guī)范》(JGJ16-2008);《建筑設計防火規(guī)范》(GB50016-2014);《電力工程電纜設計規(guī)范》(GB50217-2007);《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》(GB50052-2009)。

表1 沼氣特性表

3 工程主要建構(gòu)筑物爆炸和火災危險環(huán)境區(qū)域及范圍劃分

沼氣工程的主要構(gòu)筑物有原料(秸稈)堆場、原料(秸稈)粉碎間、進料間、厭氧消化器、脫硫裝置、脫碳裝置、沼氣凈化間、氣柜、放散火炬、鍋爐房、發(fā)電機房、壓縮機房、控制室、高低壓配電室、固液分離車間、有機肥車間、有機肥庫房、維修間、辦公樓等，按照《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》(GB 50058-2014)以及上面相關規(guī)范，各主要構(gòu)筑物爆炸性危險區(qū)域及危險區(qū)域范圍劃分如表2。

表2 主要構(gòu)筑物爆炸性危險區(qū)域及危險區(qū)域范圍劃分表

4 工程主要建構(gòu)筑物的防雷分類及依據(jù)

根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB 50057-2010)、《民用建筑電氣設計規(guī)范》(JGJ16-2008)、《石油與石油設施雷電安全規(guī)范》 GB15599-2009以及筆者多年的實際工程建設經(jīng)驗，沼氣工程主要建構(gòu)筑物的防雷分類及依據(jù)見表3。

表3 主要建構(gòu)筑物的防雷分類及依據(jù)

5 工程防雷設計主要問題

沼氣工程各類防雷建筑物均應設防直擊雷的外部防雷裝置，并應采取防閃電電涌侵入和雷電電磁感應(第三類除外)的措施，具體在設計時還應注意以下幾個方面的問題：

5.1 接閃器問題

在一般情況下，除去1類雷建筑物(秸稈堆放場和膜式沼氣氣柜)需要采用獨立避雷針、獨立接地保護外，其余類別建筑物的接閃器均可采用避雷帶、網(wǎng)帶保護。保護范圍的計算分別可按一，二，三類防雷建筑物的滾球半徑(30 m，45 m，60 m)計算。建筑物頂部和外墻上的接閃器必須與建筑物欄桿、金屬房頂、吊車梁、管道、設備、門窗、幕墻支架等外露的金屬物進行電氣連接。

5.2 引下線問題

各類防雷建筑物的引下線不應少于兩根，并應沿建筑物周圍均勻布設，其平均間距不應大于12 m，18 m和25 m；引下線兩端應與接閃器和接地裝置做可靠的電氣連接；引下線安裝與易燃材料的墻壁或墻體(或罐壁)保溫層間距應大于0.1 m；引下線可利用建筑物的鋼梁、鋼柱、消防梯、檢修梯等金屬構(gòu)件作為自然引下線，金屬構(gòu)件之間應電氣貫通。

5.3 接地及接地沖擊電阻的問題

盡可能利用建筑物樁基、梁、柱內(nèi)鋼筋做接地裝置的自然接地體；在有人員常經(jīng)過或停留的引下線與接地體連接處3 m范圍內(nèi)，應采用防止跨步電壓對人員造成傷害的措施；接地體與建筑物之間的距離按設計要求，無設計要求時，人工接地體與建筑物外墻或基礎之間的水平距離不宜小于1 m；如果建筑物的防雷接地是獨立接地，一般要離開建筑物基礎3 m以外；接地體的連接應采用焊接，并在焊接處做防腐處理； 一、二類防雷建筑物的接地沖擊電阻<10歐，三類防雷建筑物接地沖擊電阻<30歐。

5.4 等電位連接問題

對進出建(構(gòu))筑物的所有金屬管線做等電位連接，并在建筑物入戶處做總等電位連接；建筑物等電位連接干線與接地裝置應有不少于兩處的連接；第1類防雷建筑物和具有1區(qū)，2區(qū)，21區(qū)和22區(qū)爆炸危險場所的第二類防雷建筑物內(nèi)外的金屬管道、構(gòu)架和電纜金屬外皮等長物體的跨接，其凈距小于100 mm時應采用金屬線跨接，跨接點的間距不應大于30 m，交叉凈距小于100 mm時，其交叉處也應跨接；當長金屬物的彎頭、閥門、法蘭盤等連接處的過度電阻大于0.03歐姆時，連接處應用金屬線跨接；室內(nèi)電子設備的等到電位的連接方式應采用一點式方法接地，而不應互相串聯(lián)連接接地，以免引起干擾現(xiàn)象。

5.5 屏蔽問題

對于沼氣工程一，二類防雷建筑物內(nèi)的電氣和電子系統(tǒng)以及設在辦公樓內(nèi)的控制室內(nèi)的電子系統(tǒng)需要進行防雷擊電磁脈沖的設計。工作頻率小于300 kHz的模擬線路，可采用星形結(jié)構(gòu)(S型)等電位連接網(wǎng)絡；頻率為兆赫(MHz)級的數(shù)字線路，應采用網(wǎng)形結(jié)構(gòu)(M型)等電位連接網(wǎng)絡。對于管線的屏蔽，整段管線應金屬連接良好，不應有空隙產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象，如果距離太長，中間也要接地一次。電子設備的屏蔽應將設備的金屬外殼采用一點的接地方式接地，如果體積過大，應有兩點接地。接地的線徑應大于6 mm為宜。同理，電子設備的放置問題，也應離開外墻、梁柱有一定的安全距離。在需要保護的空間內(nèi)，采用屏蔽電纜時其屏蔽層應至少在兩端并宜在防雷區(qū)交界處做等電位連接，系統(tǒng)要求只在一端做等電位連接時，應采取兩層屏蔽或穿鋼管敷設。在分開的建筑物之間的連接線路，若無屏蔽層，線路應敷設在金屬管、金屬格柵或鋼筋成格柵形的混凝土管道內(nèi)，這些金屬物從一端到另一端是導電貫通的，并在兩端分別連到建筑物的等電位連接帶上；若有屏蔽層，屏蔽層的兩端應連到建筑物的等電位連接帶上。另外，室內(nèi)的線纜布置應避開外墻、梁柱等雷電流集中流過的地方，以免對線纜產(chǎn)生大的干擾現(xiàn)象。

5.6 綜合布線問題

應注意以下幾個方面：

(1)低壓配電線路(三相或單相)的單芯線纜不應單獨穿于金屬管內(nèi)；

(2)不同回路、不同電壓等級的交流和直流電線不應穿于同一金屬管中，同一交流回路的電線應穿于同一金屬管內(nèi)，管內(nèi)電線不得有接頭；

(3)爆炸危險場所使用的電線(電纜)的額定耐受電壓值不應低于750 V，且必須穿在金屬管中；

(4)當信息技術電纜和供配電電纜同屬一個電纜管理系統(tǒng)和同一路由時，電纜布線系統(tǒng)的全部外露可導電部分，均應進行等電位連接；

(5)由分線箱引出的信息技術電纜和供配電電纜平行敷設的長度大于35 m時，從分線箱起的20 m內(nèi)應采取隔離措施，也可保持兩電纜之間有大于30 mm的間距，或在槽盒中加金屬板隔開；

(6)在條件許可時，宜采用多層走線槽盒，強弱電線路宜分層布設。

5.7 電涌保護器問題

隨著沼氣工程自動化程度的提高，計算機、在線監(jiān)測儀表，PLC系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)等電子系統(tǒng)的應用日漸增多，但其耐沖擊電壓的能力不高，由雷電流產(chǎn)生的強大電磁場變化與導體感應出的過電壓、過電流形成的雷擊，可能造成廠內(nèi)電子設備損壞、數(shù)據(jù)丟失等損失。因此，對于沼氣工程的一，二類防雷建筑物內(nèi)的低壓配電系統(tǒng)和電子系統(tǒng)信號網(wǎng)絡中應設置電涌保護器(SPD)。如果第一級不能有效的保護設備和網(wǎng)絡信號時，應設計二級、三級SPD；無明確的產(chǎn)品安裝指南時，開關型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不宜小于10 m，限壓型SPD之間的線路長度不宜小于5 m。當SPD之間的線路長度小于10 m和5 m時應加裝退藕的電感(電阻)元件。

5.8 供電形式問題

供電的形式最好采用TN-S系統(tǒng)。供電線路最好埋地套鐵管引入。N線和PE線重復接地引出，電源裝電源避雷器。當電源采用TN系統(tǒng)時，從建筑物總配電箱起供電給本建筑物內(nèi)的配電線路和分支線路必須采用TN-S系統(tǒng)。

6 沼氣工程防雷設計的其他注意事項

(1)當一座建筑物僅有一部分為第一，二，三類防雷建筑物且可能遭直接雷擊時，宜按各自類別采取防雷措施以及相應的防雷電感應和防雷電電涌侵入的措施。

(2)當采用接閃器保護建筑物、封閉氣罐時，其外表面的2區(qū)爆炸危險場所可不在滾球法確定的保護范圍內(nèi)。

(3)秸稈露天堆場，應采用防直擊雷措施。當其年計算雷擊次數(shù)大于或等于0.05時，應采用獨立避雷針或架空避雷線防直擊雷。獨立避雷針或架空避雷線保護范圍的滾球半徑hr可取100 m。在計算雷擊次數(shù)時，建筑物的高度可按秸稈可能堆放的高度計算，其長度和寬度可按可能堆放面積的長度和寬度計算。

(4)對于第二、三類防雷建筑物，沒有得到接閃器保護的屋頂孤立金屬物尺寸，在高出屋頂高度不超出0.3 m，上層表面總面積不超出1.0 m2和上層表面的長度不超出2 m時，可不要求附加的保護措施；金屬屋面的建筑物宜利用其屋面作為接閃器，設計中需注意明確不同金屬材料的厚度要求，同時要保證金屬板無絕緣被覆層。

(5)除設計要求外，兼做引下線的承力鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、混凝土梁、柱內(nèi)鋼筋與鋼筋的連接，應采用土建施工的綁扎發(fā)或螺絲扣的機械連接，嚴禁熱加工連接。

(6)工藝裝置內(nèi)露天布置的塔、容器等，當頂板厚度大于或等于4 mm時，可不設避雷針、線保護，但必須設防雷接地。如沼氣站濕式儲氣柜和脫碳裝置(膜式裝置除外)，可不裝設接閃器(但對于濕式儲氣柜，應將浮頂與外罐體用兩根截面不小于50 mm2的扁平鍍錫軟銅復絞線作電氣連接，連接點不少于2處，間距不大于30 m)，容器外殼直接接地即可，接地點不少于2處，兩接地點間距不大于30 m；但對于厭氧反應器和生物脫硫裝置等露天布置的容器，由于容器外壁裝設有保溫板等外殼，需要將容器頂部的防護護欄作為接閃器，再用不低于2處引線與人工接地體相連。人工接地體距離罐體基礎不低于3 m，人工接地體與罐體地基基礎鋼筋再連接在一起，沖擊接地電阻不大于10Ω。

7 結(jié)論

(1)沼氣是易燃易爆的危險性氣體，在沼氣工程設計時應正確理解和研究防雷相關規(guī)范，對沼氣工程相關設施的爆炸危險性進行分區(qū)，是確定建筑物和相關設施防雷分類的基礎。

(2)確定合適的防雷類型及適宜的防雷措施，才能保證建筑物和相關電氣設備和電子系統(tǒng)的安全運行。

(3)設計防雷工程要對工程所在地自然情況進行詳細的分析，并與當?shù)叵嚓P部門結(jié)合，然后針對沼氣工程的特點采取針對性方案，盡可能做到切合實際、降低成本，力求做到經(jīng)濟、合理、完善、可靠，獲取更大潛在效益。

總的來說，多年來盡管國內(nèi)對沼氣工程相關工藝、設備、安全運行等技術進行了大量研究和報道，并取得了不少的成果，但對沼氣工程整體防雷系統(tǒng)的設計探討較少，目前國內(nèi)在這方面的研究尚存在欠缺。隨著越來越多特大型沼氣工程的建設和運行，以及眾多學者不斷投身于沼氣工程防雷技術的研究，將會使得沼氣工程防雷理論體系更加完善、防雷措施不斷趨于成熟、安全運行必將會切實得到保障，以推動沼氣工程這一清潔能源的快速發(fā)展。

[1] GB50160-2008，石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范[S].

[2] GB50183-2004,石油天然氣工程設計防火規(guī)范[S].

[3] GB15599-2009,石油與石油設施雷電安全規(guī)范[S].

[4] GB50074,石油庫設計規(guī)范[S].

[5] GB50057-2010,建筑物防雷設計規(guī)范[S].

[6] GB50601-2010,建筑物防雷工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[7] GB50058-2014,爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范[S].

[8] GB50343-2012,建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范[S].

[9] GB16895.22-2004,建筑物電氣裝置 第5-53部分 第534節(jié)[S].

[10] GB/T18802.12-2006,低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器(SPD)第12部分[S].

[11] GB/T18802.22,低壓電涌保護器 第22部分：電信和信號網(wǎng)絡的電涌保護器(SPD)選擇和使用導則[S].

[12] GB/T21431-2015,建筑物防雷裝置檢測技術規(guī)范[S].

[13] JGJ16-2008,民用建筑電氣設計規(guī)范[S].

[14] GB50016-2014,建筑設計防火規(guī)范[S].

[15] GB50217-2007,電力工程電纜設計規(guī)范[S].

[16] GB50052-2009,供配電系統(tǒng)設計規(guī)范[S].