1、LNG儲罐儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計方法
雷電防護系統(tǒng)包括外部和內(nèi)部雷電防護系統(tǒng)，其中外部雷電防護系統(tǒng)通常由接閃器、引下線和接地裝置組成，用于防護直擊雷；內(nèi)部雷電防護系統(tǒng)通常由等電位連接系統(tǒng)、共用接地系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、合理布線、浪涌保護器等組成，主要用于減少和防止雷電流所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)。儀表系統(tǒng)雷電防護通過采用外部雷電防護和內(nèi)部雷電防護措施進行綜合防護。
LNG儲罐一般設(shè)計為第二類防雷建筑物，在工程設(shè)計中，由電氣專業(yè)負(fù)責(zé)LNG儲罐的直擊雷防護設(shè)計，設(shè)置避雷針、接閃帶、接閃網(wǎng)、引下線及環(huán)形接地裝置。LNG儲罐上的現(xiàn)場儀表均在直擊雷防護范圍內(nèi)。自控專業(yè)主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場儀表的防雷設(shè)計、控制室儀表系統(tǒng)的防雷設(shè)計及電纜的屏蔽。
2、LNG儲罐現(xiàn)場儀表的防雷設(shè)計
現(xiàn)場儀表的防雷設(shè)計主要包括儀表的接地及安裝浪涌保護器。
①LNG儲罐現(xiàn)場儀表的接地
現(xiàn)場儀表及接線箱的金屬外殼應(yīng)就近接地或與接地的金屬體相連接。通過接地可以抑制雷電電磁脈沖的電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)。LNG儲罐所有金屬結(jié)構(gòu)全部采用等電位連接，鋼框架、爬梯、欄桿等與接閃網(wǎng)直接連接。在現(xiàn)場儀表及接線箱的安裝支架上設(shè)置接地螺栓，使用 6mm2接地線將儀表及接線箱的外殼與安裝支架連接，金屬支架的底板一般焊接在LNG儲罐平臺的鋼結(jié)構(gòu)上，從而實現(xiàn)了現(xiàn)場儀表的接地。針對安裝在LNG儲罐罐頂環(huán)形通道內(nèi)的儀表，其安裝支架通過膨脹螺栓固定在混凝土地面上，并且使用接地線將安裝支架就近與平臺鋼結(jié)構(gòu)或欄桿連接。
②浪涌保護器
浪涌保護器是一種限制瞬態(tài)過電壓和分走浪涌電流的器件。浪涌保護器并接在被保護設(shè)備的前端，在無浪涌出現(xiàn)時為高阻抗(即開路狀態(tài))，當(dāng)出現(xiàn)浪涌時就在最短的時間內(nèi)(納秒級)迅速將雷電流泄放到地，從而保護了被保護設(shè)備。現(xiàn)場儀表浪涌保護器的形式包括裝配式浪涌保護器、集成式浪涌保護器和通用式浪涌保護器3種。其中，集成式浪涌保護器由儀表廠家集成在儀表內(nèi)部，性能和規(guī)格參差不齊，使用時應(yīng)注意產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格是否滿足設(shè)計要求。工程設(shè)計中一般選用裝配式浪涌保護器及通用式浪涌保護器。
國家標(biāo)準(zhǔn)《液化天然氣接收站工程設(shè)計規(guī)范》GB51156-2015中，要求液化天然氣儲罐罐頂儀表應(yīng)設(shè)置浪涌保護器。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《石油化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計規(guī)范》SH/T3164-2012中，列出了需要在現(xiàn)場端設(shè)置浪涌保護器的儀表類型。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，針對LNG儲罐上變送器、閥門定位器、電磁閥、火焰檢測器、可燃氣體檢測器等現(xiàn)場儀表應(yīng)設(shè)置浪涌保護器。
根據(jù)現(xiàn)場儀表的安裝方式、信號線制(兩線制或三線制)、電氣接口尺寸及電氣接口數(shù)量，對應(yīng)選擇浪涌保護器的類型。針對有備用電氣接口的儀表(如壓力變送器等)，配置裝配式并聯(lián)浪涌保護器，將浪涌保護器安裝在儀表的備用電氣接口上，信號電纜通過單獨的電氣接口接入儀表內(nèi)部；針對沒有備用電氣接口的儀表(如溫度變送器等)，配置裝配式串聯(lián)浪涌保護器，將浪涌保護器安裝在儀表的電氣接口上，信號電纜通過與浪涌保護器共用的電氣接口接入儀表內(nèi)部。兩種類型的裝配式浪涌保護器接線示意圖如圖1和圖2所示。
圖1 裝配式并聯(lián)浪涌保護器接線示意圖
圖2 裝配式串聯(lián)浪涌保護器接線示意圖
針對安裝在接線箱內(nèi)的儀表(如用于測量LNG儲罐內(nèi)部表面溫度的分體式溫度變送器)，配置通用式浪涌保護器，通過金屬導(dǎo)軌與所保護的儀表安裝在同一個接線箱內(nèi)。接線箱內(nèi)變送器的輸出信號通過電纜接入浪涌保護器的輸出端子，去控制室的信號電纜接入浪涌保護器的輸入端子。通用式浪涌保護器的安裝示意圖如圖3所示，接線箱中上方為浪涌保護器，下方為溫度變送器模塊。
圖3 通用式浪涌保護器安裝示意圖
浪涌保護器的重要參數(shù)包括最大持續(xù)運行電壓Uc、標(biāo)稱放電電流In、電壓保護水平Up、響應(yīng)時間等。結(jié)合規(guī)范要求及主流產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)，工程設(shè)計中針對24VDC供電的儀表，要求浪涌保護器應(yīng)滿足Uc≥36V、In(8/20μs)≥3kA、Up=60V、響應(yīng)時間≤5ns。用于爆炸危險環(huán)境中本安儀表的裝配式浪涌保護器，還應(yīng)取得本質(zhì)安全認(rèn)證。
3、LNG儲罐控制室儀表系統(tǒng)的防雷設(shè)計
控制室儀表系統(tǒng)的防雷設(shè)計主要包括機柜的接地及安裝室內(nèi)浪涌保護器。
①機柜的接地
LNG儲罐儀表控制系統(tǒng)包括過程控制系統(tǒng)、安全儀表系統(tǒng)、火氣檢測系統(tǒng)及成套包控制系統(tǒng)(罐表系統(tǒng)、低壓泵振動監(jiān)測系統(tǒng)等)。控制系統(tǒng)機柜一般設(shè)置有系統(tǒng)柜、安全柵柜、繼電器柜、端子柜、電源柜、網(wǎng)絡(luò)柜等。針對裝有浪涌保護器的機柜，在機柜內(nèi)設(shè)置浪涌保護器匯流條、工作接地匯流條(LG)及保護接地匯流條(SG)，工作接地匯流條通過6mm2接地線與浪涌保護器匯流條相連接。浪涌保護器機柜內(nèi)的接地原理圖如圖4所示。針對不安裝浪涌保護器的機柜，在機柜內(nèi)設(shè)置工作接地匯流條及保護接地匯流條。
圖4 浪涌保護器機柜內(nèi)的接地原理圖
在控制室機柜間設(shè)置工作接地排、保護接地排、分組接地排、總接地排?？偨拥嘏磐ㄟ^接地總干線與控制室外的全廠接地網(wǎng)相連。針對安裝浪涌保護器的機柜及與浪涌保護器機柜有線路聯(lián)系的機柜，機柜內(nèi)的接地匯流條均通過接地線就近與分組接地排連接，分組接地排再通過接地干線與總接地排連接。針對不安裝浪涌保護器并且與浪涌保護器機柜沒有線路聯(lián)系的機柜，機柜內(nèi)的工作接地匯流條、保護接地匯流條分別與工作接地排、保護接地排相連接，然后通過接地干線與總接地排連接。
②室內(nèi)浪涌保護器
LNG 儲罐接入控制系統(tǒng)的信號分類如下:
1)模擬量輸入(AI)信號4-20mA信號，包括兩線制及三線制信號；主要為溫度/壓力/液位/流量變送器、火焰檢測器、可燃氣體檢測器等儀表輸 入的信號。
2)模擬量輸出(AO)信號4-20mA信號；主要為輸出到I/P定位器、PST控制器的信號。
3)數(shù)字量輸入(DI)信號包括NAMUR信號及無源接點信號；主要為閥位開關(guān)、手動按鈕輸入的信號及狀態(tài)信號、報警信號、系統(tǒng)間互傳信號等。
4)數(shù)字量輸出(DO)信號包括本安電磁閥驅(qū)動信號、無源接點信號、24VDC輸出信號；主要為輸出到電磁閥(本安/隔爆)、聲光報警器的信號及遠程啟停信號、聯(lián)鎖信號等。
5)通信信號包括MODBUS RUT及MODBUS TCP通信信號；主要為罐表系統(tǒng)、低壓泵振動監(jiān)測系統(tǒng)等成套包設(shè)備的信號。
針對現(xiàn)場的模擬量輸入信號、模擬量輸出信號、數(shù)字量輸入信號、驅(qū)動本安電磁閥的數(shù)字量輸出信號，應(yīng)在控制系統(tǒng)側(cè)配置浪涌保護器。針對現(xiàn)場數(shù)字量輸出信號中的無源接點信號及24VDC輸出信號，一般在控制系統(tǒng)側(cè)配置繼電器進行隔離，不再配置浪涌保護器。針對來自配電間、控制室的信號，如泵的遠程啟停信號、報警信號及成套設(shè)備的通信信號等，在控制系統(tǒng)側(cè)通常不需配置浪涌保護器。
針對本安電路，浪涌保護器和安全柵一般安裝在同一機柜內(nèi)?？蛇x擇插接式浪涌保護器，將浪涌保護器直接安裝在安全柵模塊上，從而進一步節(jié)省機柜內(nèi)空間。
4、電纜的屏蔽
電纜是控制回路中最長的部分，容易通過近場的耦合將雷電浪涌引入儀表及控制系統(tǒng)。電纜屏蔽是儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計的一項基本措施，利用電纜內(nèi)屏蔽層和電纜外屏蔽層構(gòu)成了雙層屏蔽。電纜內(nèi)屏蔽層的單端接地可以抑制靜電感應(yīng)(即電容性耦合)，但抑制不了由于電磁感應(yīng)(即電感性耦合)所產(chǎn)生的干擾。通過電纜外屏蔽層的兩端或多端接地，可以有效抑制電感性耦合。
LNG儲罐與控制室之間設(shè)置有鋁合金槽式電纜橋架，電纜橋架與現(xiàn)場儀表或接線箱之間設(shè)置穿線鋼管，穿線鋼管之間通過鋁合金穿線盒連接。室 外的儀表電纜全程穿鋼管或在封閉橋架內(nèi)敷設(shè)。LNG儲罐項目工程設(shè)計中儀表電纜一般選用分屏加總屏的非鎧裝電纜，電纜內(nèi)屏蔽層利用電纜的分屏蔽層，電纜外屏蔽層利用電纜敷設(shè)的橋架及穿線鋼管。電纜內(nèi)屏蔽層在控制室側(cè)單端接地，電纜橋架及穿線鋼管的兩端應(yīng)與接地的鋼結(jié)構(gòu)進行電氣連接。
儀表系統(tǒng)防雷工程是一項系統(tǒng)工程，應(yīng)采用綜合防護的方法，由多專業(yè)配合完成。該文結(jié)合LNG儲罐的工程設(shè)計經(jīng)驗，詳細介紹了LNG儲罐儀表系統(tǒng)的防雷設(shè)計工作，包括現(xiàn)場儀表的防雷設(shè)計、控制室儀表系統(tǒng)的防雷設(shè)計及電纜的屏蔽。儀表系統(tǒng)的雷電防護措施，應(yīng)在工程設(shè)計階段予以充分考慮，并體現(xiàn)在設(shè)計文件中，以保證在項目采辦和施工階段的有效實施，從而避免或減少儀表系統(tǒng)雷電事故的損害。
作者：海洋石油工程股份有限公司 吳鑫、張喜強、王乃民、黃洲
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