沿海大型LNG储罐的雷电危害风险浅析

2016-09-18郭燕龙陈绍东张生奇张儒晓

广东气象 2016年4期

关键词：珠海储罐雷电

郭燕龙，陈绍东，张生奇，张儒晓

（1.珠海市公共气象服务中心，广东珠海　519040；2.广东省防雷中心，广东广州　510000）

沿海大型LNG储罐的雷电危害风险浅析

郭燕龙1，陈绍东2，张生奇1，张儒晓1

（1.珠海市公共气象服务中心，广东珠海519040；2.广东省防雷中心，广东广州510000）

利用1999—2011年广东省地闪定位系统对研究项目场地附近4 km范围内的雷电数据进行提取分析，得出4 km范围内1%的地闪雷电流幅值达221.6 kA；储罐的年预计雷击次数为0.526次，考虑到闪电定位探测系统的效能，真实环境的年预计雷击次数大于统计值；取极限分析，当金属线路有屏蔽层时，由建筑物接闪雷电后，分流给单一芯线的雷电流最大值为18.47 kA；结合珠海LNG低温储罐设计文件、选址的环境，估算得出初步设计方案的人身伤亡损失风险大于GB/T21714.2-2008规定的容许值10-5，应针对风险分量采取雷电防护加强措施。

雷电防御；LNG储罐；雷电危害；雷电风险；珠海

郭燕龙，陈绍东，张生奇，等.沿海大型LNG储罐的雷电危害风险浅析［J］.广东气象，2016，38（4）：63-66.

广东珠海LNG项目坐落于珠海高栏岛平排山深水港区，该项目一期工程规模为350万吨/年，包括3座16万m3全容式LNG储罐和相应的工艺处理设施。项目投产后，弥补珠海西岸城市能源结构市场的缺口，完善珠三角地区的供气网络，与已有气源共同保障珠三角城市的供气安全，优化广东能源结构和改善生态环境。由于珠海LNG建设规模及投资额巨大，其安全可靠运行影响到千家万户。另外，大型项目尤其是易燃易爆等场所，因雷击而产生的火花导致的火灾或爆炸事故概率虽不大［1］，但是一旦发生事故，后果非常严重，关系到企业和员工的生命财产安危。基于此，本研究结合珠海LNG储罐的特性、地理环境、天气特征等雷击环境条件，分析珠海LNG储罐的雷电风险及危害。

1　LNG储罐

LNG储罐主要由内罐、预应力混凝土外罐、外罐内侧底部热角保护系统、内外罐之间的保冷系统以及工艺仪表等附件等组成。混凝土外罐内表面设有碳钢衬里板，以包容罐内介质蒸发气体，并为保冷材料提供保护。吊顶由吊顶铝合金板及吊杆组成。吊顶铝合金板的厚度为6 mm。储罐规格：（内罐内径×罐壁高度）80 000 mm× 36 100 mm；（外罐内径×罐壁高度）82 000 mm× 39 000 mm；储存介质：液化天然气（介质密度：458 kg/m3）；最大容积：172 928 m3；工作容积：160 000 m3；最高设计液位：内罐35 311 mm、外罐33 750 mm。储罐结构图如图1。

2　项目雷电危害分析

珠海LNG储罐所在位置处于亚热带地区，受西太平洋副热带高压、热带辐合带、季风槽等环流系统及热带气旋的影响较大，系统前后的干湿空气平流叠加后容易产生强对流天气，午后热对流容易形成不稳定层结，引发强对流天气，为雷暴产生提供了良好的条件。另外，珠海LNG储罐选址在高栏港平排山海陆交界处，受到海陆风或地形的影响在局部地区或迎风坡也容易产生强对流天气，闪电活动频繁。一般地说，在平原和山地，落雷点经常出现在河岸、地下水出口处，是比较容易遭受雷击的，且土壤电阻率较低，有利于下行先导感应出的反极性电荷在该处产生和聚积，从而使得在该处容易出现落雷点，加上储罐规模较大，高达60 m，在项目所在场地属于高耸的构筑物，因雷击的选择性［2］，使得珠海LNG储罐易成为雷击对象。

2.1储罐地闪概率

通过广东省闪电定位数据库查询系统，可以查询闪电探测站附近的云对地闪电，其字段包括时间、电流、经纬度等信息［3］，基于上述数据库得出珠海LNG储罐4 km范围内1999—2011年的雷电资料，分析得出该项目4 km范围内的地闪密度分布图（图2）。

图1　LNG罐内外剖面图

图2　项目地闪密度分布图（单位：次/km2）

由图2可知，1999—2011年，储罐所在地4 km范围内平均地闪密度Ng为6.248次/km2。储罐地处海湾，北面靠山，南面靠海，地闪密度分布图中，海洋片区地闪密度较小，北面迎风山地地闪密度较大。

储罐年预计雷击次数

其中，N为雷击次数；k为校正系数；Ng为地闪密度（次·km-2）；Ae为储罐等效面积（km2）；D为储罐扩大宽度（m）；H为顶部平台高度（m）；R为投影半径（m）。

式中各基础参数：κ=1.5、Ng=6.248次·km-2、2R=84 m、H=60 m。

经计算，储罐四周扩大宽度D=91.7 m，储罐等效面积Ae=0.056 km2，得出储罐预计雷击次数约为0.526次/年，项目遭受雷击的可能性非常高。

2.2雷电流强度及其危害

强大的雷电流对电缆线路或金属管道的放电，会造成建筑物或管线的绝缘层破坏或产生危险火花放电，由于LNG及其蒸发产生的天然气的最主要成分为甲烷，LNG属于液化烃，为甲A类火灾危险物质，甲烷气体属于甲类可燃气体［4］，属于高度易燃易爆物质，和空气混合后，遇电火花可引起爆炸和火灾事故。根据雷电统计数据，分析遭受直击雷的管线可能遭受的冲击放电电流Iimp（表略）。取录得累积概率为1%的雷电流参数I=221.6 kA，依据《建筑物防雷设计规范》2010版式4.2.6-7：Iimp=（0.5IRS）/（n×（mRS+RC））［5］，依据设计文件设计方案，取极限情况分析，仅设计1条输料管线、1条消防水管、1条控制线路，取管线总数n=3，取导体芯线m =1，屏蔽层及芯线电阻率RC=RS=1 Ω·km-1，计算得出Iimp=18.47 kA，即每根导体遭受最大的雷电流幅值为18.47 kA。雷击产生强大雷电流，能通过各种途径直接或间接地对地面物体造成破坏，给人们带来危害和损失［6］，建议电涌保护器通流量水平应根据计算值预留安全量。

2.3雷电风险估算

风险是指因雷电造成的年平均可能损失人和物与总保护对象人和物的总价值之比。经分析，储罐总估算的主要损失类型有L1（人身伤亡损失）和L4（经济损失）。依据GB/T21714.2-2008的评估模式，计算损失风险值时，可按损害成因或损害类型确定构成风险的各个风险分量（RA、RB、RC、RM、RU、RV、RW和RZ）［7］，然后计算出各个风险分量并求和即可得出人身伤亡损失风险值R1和经济损失风险值R4。

1）雷击风险计算公式。

各个风险分量可以用以下通用表达式来表示：Rx=Nx×Px×Lx（Nx为每年危险事件次数；Px为建筑物的损害概率；Lx为每一损害产生的损失率），其中危险事件次数Nx受到大地雷击密度（Nx）以及受保护对象的物理特性、其周围物体以及土壤性质的影响；损害概率Px受到需保护对象的特性以及所采取的保护措施的影响；损失率Lx受到保护对象的用途、现场人数、公众服务类型、受损商品的价值以及减小损失措施的影响。

总风险或风险分量的评估就是对Nx、Px、Lx3个量综合评估的过程。

2）雷击风险计算。

珠海LNG储罐离海约50 m，处于海岸凸角处，场地四周空旷，雷电环境恶劣，经防雷技术人员连续3 d在场地采用MI2127检测仪测得多组土壤电阻率数据，经过矫正分析，取平均值得到土壤电阻率值为40.96 Ω·m。经分析，场地原为海岸，地势低洼，地表下土壤电阻率理论值非常小，但是经人工回填碎石、干渣土后经压实而提升地基地表，短期内其含水量与地基下土壤的含水量及导电性有一定差值，现状土壤电阻率平均值为40.96 Ω·m与实际情况一致，故采用该值作为风险评估土壤电阻率参数。

储罐最大直径84 m，占地面积5 538 m2，顶部操作平台及通道高为60 m。储罐按2类防雷类别设计雷电防护措施。罐顶人行通道金属栏杆、吊臂设备、工艺管道等设备壁厚大于4 mm，均满足作为接闪器的要求，并在屋面设置放射型接闪网格。储罐罐体结构上下焊通，并沿储罐四周外壁敷设引下线，引下线间距为10 m，引下线上端与接闪器可靠焊接，下端与人工接地网汇流排接地点可靠连接。沿储罐四周埋设人工接地网，人工地网与全厂区地网多点可靠连接。储罐动力及照明配电引自厂区变电所，线缆经桥架线槽盒引至储罐用电设备，长度约为560 m。储罐信号及控制仪表线路经桥架线槽引自现场机柜间，长度为455 m，后经埋地55 m引入。

储罐雷击风险估算相关参数摘录于GB/ T21714.2-2008［7］。

根据IEC62305-2，容许值为10-5，可以得出，储罐的人身伤亡风险总值为1.635×10-3，超过了容许值，主要部分是雷击相连通信线路导致内部系统故障而产生的风险RZ（通信），占人身伤亡总风险R1的82.81%。储罐总的经济损失风险值为2.452×10-2，经济损失风险一般无固定容许值，建议采用参考的容许值为10-3，其主要部分是雷击相连通信系统线路导致建筑物物理损害而产生的风险RV（通信）和雷击相连通信系统线路导致内部系统故障产生的风险RZ（通信），珠海LNG储罐设有密集的控制系统，雷击电磁脉冲造成设备损坏和经济损失风险将会较为严重［8］。