核电站制氯站防雷设计优化方案

2012-02-08卢霁明龚小燕

电力建设 2012年6期

卢霁明，龚小燕

(1.云南省电力设计院，昆明市， 650051;2.西南交通大学电气工程学院，成都市， 610031)

0 引言

核电站制氯站是核电站配套设施中先行设计的项目，技术含量较高，其安全性关系到核电站能否安全、可靠运营，局部的设计缺陷导致的事故可能会造成无法估量的巨大损失。本文以某装机容量为2×1 000 MW的核电站为例，参考同类工程设计经验，提出核电站制氯站的防雷设计优化方案。

1 制氯站功能

某装机容量为2×1 000 MW的核电站的海水制氯站为独立建筑，由整流间、电解间、酸洗间、冷却设备间、控制室、电气间等区域组成。制氯站设置循环水处理系统，每个机组设2组电解制氯装置。循环水处理系统通过电解海水产生有效氯，将次氯酸钠溶液投加至海水循环水和安全厂用水系统的管路，以抑制或杀死海生物的幼虫或孢子，防止其在海水管路上吸附滋生，从而保证管路畅通，避免核电站的各系统(循环水过滤系统、循环水系统、重要厂用水系统)设备受海洋生物污损，使凝汽器和热交换器具有良好的传热性能。海水经电解产生的次氯酸钠溶液及氢气被导入次氯酸钠储罐。次氯酸钠储罐共2台，设置在厂房外，氢气在次氯酸钠缓冲罐顶部通过空气自然稀释后排至大气中。设计时对次氯酸钠储罐的防雷需重点考虑。

2 避雷针设计

确定建筑物防雷的适宜类别是合理选择防雷措施的重要基础，否则将会人为地提高防雷技术难度和工程投资。根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》［1］，该核电站制氯站按照二类防雷建筑物进行防雷设计，同时需兼顾电解间防爆设计的防雷需要。如图1所示，室外次氯酸钠储罐(玻璃钢材质)最高处的标高为10.55 m，高于厂房标高(8.8 m)，平时排放氢气的浓度为1%，未达到氢气的爆炸极限浓度。该罐体应参照二类防雷建筑物进行防雷设计。据了解，有的工程未对罐体设置独立避雷针进行保护;有的工程在Ⓓ柱与②、③柱轴线交叉位置设置了2根高度为8 m的避雷针对2个次氯酸钠储罐进行保护。

图1 次氯酸钠储罐及避雷针相对位置Fig.1Relative position of sodium hypochlorite storage tank and lightning rod

因为电解间产生氢气存在爆炸危险故设置为防爆隔间，采用防爆风机并设有多个自然通风口用以通风换气。考虑到电解间的安全性关联着核电站的平稳运行，其可靠性要求比火电厂电解间高得多，防雷设计考虑套用GB 50177—2005《氢气站设计规范》［2］的标准。另按DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》［3］第7.1.4条执行。文献［3］规定，发电厂和变电所有爆炸危险且爆炸后可能波及发电厂和变电所内主设备或严重影响发供电的建构筑物(如制氢站、露天氢气贮罐、氢气罐储存室、易燃油泵房、露天易燃油贮罐、厂区内的架空易燃油管道、装卸油台和天然气管道以及露天天然气贮罐等)，应用独立避雷针保护，并应采取防止雷电感应的措施。避雷针与罐体呼吸阀的水平距离不应小于3 m，避雷针的保护范围边缘高出呼吸阀顶部不应小于2 m。

按规范要求，次氯酸钠储罐的防雷保护应用滚球法对避雷针的保护范围进行计算。第二类防雷建筑物滚球半径hr为45 m，本电解间建筑物高为8.8 m，按针高8 m计算，避雷针整体高度h=16.8 m，h≤hr，2针之间的距离D=6 m，则有

1号次氯酸钠储罐如图2所示，罐顶高为10.55 m，留2.5 m的安全裕量，即避雷针在罐顶处需要保护的高度为13.05 m。

图21 号罐顶Fig.2No.1 tank top

如图3所示，双支等高避雷针在四边形AEBC外侧的保护范围按照单支避雷针来确定。

图3 双支等高避雷针保护范围Fig.3Protective range of dual equal-height lightning rods

单支避雷针在hx高度的xx'平面上的保护半径为

式中:rx为单支避雷针在hx高度的xx＇平面上的保护半径，m;h为避雷针高度，m;hr为滚球半径，m;hx为被保护物高度，m。

当hx=13.05 m时，将相关数值代入式(1)，得rx=3.38 m。如图1所示，避雷针中心距离罐帽4.031 m，大于保护半径，故不足以保护。当上述避雷针高度设置为9 m时可以对罐帽予以保护。

在图3中AOB轴线上距中心线距离x处，其在保护范围边线上的保护高度hx为

式中:D为2针之间的距离，m。

以式(2)求得的hx为假想避雷针的高度h，代入式(3)求出假想避雷针在h'x高度的保护半径，对避雷针的保护宽度进行计算判断。

式中h'x为被保护物高度，m。

综上所述，本工程若将避雷针针高设置为9 m，则与已运行的方案相比能更有效地防止雷害，此结果可供新建工程设计时参考。

如图4所示，电解间屋顶设置了2个用于强制通风的防爆风机，预留了3个钢管通风孔。电解间女儿墙高度为0.5 m，上设有φ12 mm镀锌圆钢明装避雷带。防爆风机基础高为0.55 m，风机高出避雷带。国内有的核电站未对此防爆风机设置独立避雷针进行保护。按GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》第4.3.2条(排放爆炸危险气体、蒸气或粉尘的放散管、呼吸阀、排风管等的管口外的以下空间应处于接闪器的保护范围内)，考虑到所排气体为氢气，存在爆炸危险，建议设置避雷针予以保护。按DL 5027—93《电力设备典型消防规程》［4］第7.2.28条(氢气生产系统的厂房和贮氢罐等应有可靠的防雷设施。避雷针与自然通风口的水平距离不应小于1.5 m，与强迫通风口的距离不应小于3 m，与放空管口的距离不应小于5 m，避雷针的保护范围应高出管口1 m以上。)，应对防爆风机及通风孔考虑设置独立避雷针进行保护。Ⓑ柱与③柱轴线交点处的柱子距离防爆风机中心约为2.942 m，建议在Ⓑ柱与③柱轴线交点右侧沿B轴1 m处，按规范要求及风机实际标高，采用滚球法确定避雷针高度。在计算过程中需注意±0.00 m的正确选择。另一防爆风机与此处理方法相同。

由于该核电站地址临海，气象条件相对复杂，所以建议避雷针的实际设置应在满足当地风压的条件下参照当地的习惯做法。

图4 电解间屋顶通风布置Fig.4Ventilation arrangement on the electrolytic room roof

3 接地及防雷电感应设计

在厂房外敷设1圈185 mm2裸铜缆作为浅埋接地网，距外墙1 m，埋深为1 m。浅埋接地网通过室外防雷接地井与电站的接地主网相连。每个建(构)筑物的接地网原则上应至少有2点与接地主网相连。埋地导体的连接应采用热剂焊，外涂树脂保护。埋地或架空的金属管道应在进出制氯站处和防雷装置相连。

在电气间、整流间、电解间、控制室应设置接地母排，各种电气和保护接地通过沿桥架敷设的50 mm2裸铜缆汇合后，再通过185 mm2裸铜缆与建筑物外的浅埋接地网相连，从而使室内的安全接地网与电站接地主网相连。

屋顶避雷带利用柱内2根直径不小于16 mm的钢筋做引下线。基础内钢筋作为自然接地极与室外防雷接地井可靠连接。室外金属罐体与浅埋接地网的连接应不少于2点。380 V电源系统的接地采用TN-S系统。

建筑物内应采用总等电位联结，工作接地、安全接地、防雷接地、防静电接地、电子接地应设置共用接地极，总接地电阻不大于0.5 Ω［5］。为防止雷电感应，建筑物内的设备、管道、构架等主要金属物应就近接地。防雷电感应的接地干线与接地装置的连接不应少于2处。平行敷设的管道、构架等长金属物其净距小于100 mm时，应采用金属线跨接，跨接点的间距不应大于30 mm;交叉净距小于100 mm时，其交叉处也应跨接。弯头、阀门、法兰盘等连接处应用金属线跨接。对可能产生静电的设备和管道，均应采取防静电接地措施。可燃气体、可燃液体的管道在下列部位应采取防静电接地措施:进出装置或设施处，爆炸危险场所的边界处，管道、泵及其过滤器、缓冲器处。