天然气行业电气系统安全运行技术与应用探析

董常龙 马倩倩

（1.江西省天然气管道有限公司 2.江西省天然气集团有限公司）

0 引言

天然气场站肩负着将天然气分输到城市燃气、工厂、商业用户等分输任务，现代化天然气场站都具备高度自动化的控制系统，自动完成天然气分输任务，天然气场站的电气系统是决定着自动化控制系统能否稳定运行的关键，一旦电气系统供电中断或发生故障，自动控制系统将无法正常开展调节控制，将会造成天然气供气中断、管道压力失控等后果，影响工业生产、居民生活，严重时可能造成火灾爆炸等严重事故，因此，可靠的电气系统是天然气稳定供应的可靠保障。根据天然气场站的特点和生产工况，要强化场站电气系统的可靠性保障、防爆设计施工及防雷管理，才能实现电气系统的稳定供电，保障场站的平稳运行。

1 天然气场站电气系统的特殊性

天然气具有易燃易爆的特点，大多数天然气场站都建在偏离市区的远郊、山区地段，同时，天然气场站需要全天候供气，具有持续生产的特点，因此，天然气场站的电气系统与普通工厂的电气系统存在较大差异。一是连续生产，电气系统不能停电，要24小时提供稳定电源供应，需要电气系统可靠性运行；二是天然气场站属于爆炸危险区域，普通电气设备在使用中易产生火花、高温遇到天然气泄漏等情况将导致火灾爆炸，天然气场站需要使用具备防爆功能的电气设备；三是天然气场站设备多处于室外布置，容易遭受雷电侵扰，造成电气设备损坏，影响电气系统稳定运行，需要做好电气系统防雷保护工作。

2 天然气场站电气系统组成及可靠性措施

2.1 天然气场站电气系统组成

天然气场站供电系统一般包括电网公司提供的外部供电系统和天然气场站设置的发电机、UPS等内部供电系统组成。外部供电主要由高压架空线路或高压埋地线路、高压开关柜、变压器、低压配电柜等组成；内部供电主要由发电机、UPS主机、UPS蓄电池、双电源切换开关等设备组成。一般外部供电系统为主供电线系统，内部供电系统为备用供电系统，只有当主电发生故障或长时间停电的情况下，备用供电系统才启动使用。

2.2 天然气场站电气系统可靠性影响因素

天然气场站是输气管道对接终端的转运枢纽，管道内的天然气通过场站源源不断地输送给工商业用户及千家万户，因此，天然气场站运行具有连续性、不可间断性。为确保天然气场站连续运行，场站电气系统也要具备连续性和不可间断性，场站电气系统一旦发生故障或供电中断，场站控制系统停机，各设备供电失电，无法正常运行，轻则造成供气中断，重则造成火灾爆炸等事故。因此，天然气场站电气系统要具备扎实的可靠性，确保天然气场站的稳定供电。一般影响天然气场站电气系统可靠性的因素主要有供电设备可靠性、电气系统管理、人员素质、电气系统运行环境等因素。

2.3 提高天然气场站电气系统可靠性的措施

天然气场站电气系统可靠性影响着场站的安全运行，为确保天然气场站电气系统安全可靠运行，可通过提高供电设备可靠性、加强电气系统管理、强化人员培训、改善电气系统运行环境等措施强化供电保证。对于提高设备可靠性：一是通过设计2套UPS来实现UPS冗余供电，在其中一套UPS发生故障时，不断电的情况下自动切换到另外一台UPS上来保证控制系统、电子系统供电；二是PLC机柜、ESD机柜、计量机柜等关键控制设备采用双电源独立供电方式；三是设置发电机后备电源装置，在长时间停电时，UPS电量不足以提供长时间供电的情况下，可使用发电机供电来提供保障。在电气系统管理方面，可通过配备专业电工人员，安排专业电工或专业队伍定期做好现场设备维护，确保电气系统正常运转。加强人员培训方面可通过开展电气专业知识培训，强化电气系统操作人员水平来提高电气系统运行保障能力。改善电气系统运行环境主要通过使电气系统提高合适的温度、湿度等运行环境，降低电气设备周边电磁干扰，做好电气系统防雷使用适合防爆环境的防爆电气设备来确保电气系统正常运行。

3 天然气场站电气系统的防爆要求

3.1 天然气场站的电气防爆原因

天然气属于易燃易爆的气体，在天然气场站运行过程中设备泄漏、检修放空等场景下，天然气设备周边将积存大量天然气，同时，天然气管道阀门的电动执行机构、温度变送器、压力变送器及流量计等仪表及各类传感器等电气设备都需要电力供应，在供电过程，电气设备的供电线路常存在接触不良等因素导致端子发热、产生电火花等点火能，在天然气浓度达到爆炸极限时，如遇到电气系统产生的电火花会点燃天然气，造成火灾爆炸事故，造成人身伤亡和财产损失。因此，天然气场站的电气系统要设计为专用的防爆电气设备，确保天然气场站的安全运行。

3.2 天然气场站爆炸危险区域的划分

根据爆炸性混合物出现的频次、存在的时间及通风条件，常将爆炸性区域分为0区、1区和2区，按照天然气场站运行情况、现场设备及生产特点，天然气场站内一般没有天然气大量长时间聚集的情况，只有在螺纹密封不严、设备故障、管道腐蚀穿孔情况下才会偶尔出现天然气泄漏，且一般出现天然气泄漏时，现场值班运行人员都会及时进行故障处理，杜绝天然气长时间大量积存。因此，一般天然气场站按照2区来划分，但考虑到阀室、发电机房等部分密闭场所通风不畅，可能存在天然气长期集聚的现象，部分场所可划为1区。

3.3 天然气场站电气系统防爆设备的选型

天然气场站电气系统防爆设备的选型要根据天然气场站爆炸危险区的分析及划分来选定，按照天然气场站运行情况、现场设备及生产特点，天然气场站一般按照2区来划分，部分密闭场所可划为1区。按照防爆电气设备的分类、功能及应用分区，天然气场站常选用本质型、隔爆型、增安型等类型。其中隔爆型主要用于防爆开关、防爆照明灯、防爆指示灯、防爆按钮及防爆配电箱等设备；本质型主要用于现场的温度变送器、压力变送器及流量计等仪表及各类传感器、调节器及通讯设备；增安型主要用于现场防爆挠性管、防爆接线盒、防爆接线箱等电气连接设备。

3.4 天然气场站电气系统防爆设备安装要求

在天然气场站爆炸性环境内，低压电力、照明线路采用的绝缘导线和电缆的额定电压应高于或等于工作电压，中性线的额定电压应与相线电压相等，并应在同一护套或保护管内敷设。在爆炸危险区内，除在配电盘、接线箱或采用金属导管配线系统内，无护套的电线不应作为供配电线路。在1区内应采用铜芯电缆，除本质安全电路外，在2区内宜采用铜芯电缆，当采用铝芯电缆时，其截面不得小于16mm2，且与电气设备的连接应采用铜-铝过渡接头。敷设在爆炸性粉尘环境20区、21区以及在22区内有剧烈振动区域的回路，均应采用铜芯绝缘导线或电缆。当电缆或导线的终端连接时，电缆内部的导线如果为绞线，其终端应采用定型端子或接线鼻子进行连接。铝芯绝缘导线或电缆的连接与封端应采用压接、熔焊，当与设备（照明灯具除外）连接时，应采用铜-铝过渡接头。架空电力线路不得跨越爆炸性气体环境，架空线路与爆炸性气体环境的水平距离不应小于杆塔高度的1.5倍。在特殊情况下，采取有效措施后，可适当减少距离。

4 天然气场站电气系统防雷技术及措施

4.1 雷电对电气系统的危害

常见电气系统的雷电危害有直击雷、雷电波浸入和过电压。常见的降雨过程中的雷电即为直击雷，直击雷可短时间内释放出大量的电能，可瞬时摧毁电气系统、电子系统，导致停电、控制系统失效，造成天然气场站失电、阀门关闭、供气中断等事故，严重的可造成火灾爆炸等恶劣事件；雷电波浸入常指雷电对暴露在室外的电缆进行放电，造成电缆连接的各电气设备遭受雷击损害；雷电波浸入常由雷电过程中产生的感应磁场，也就是感应雷，它会因为在电气设备周边产生很强烈的磁场造成周围电气设备、电子系统破坏，造成控制系统失效，各压力变送器、温度变送器等电子仪表及各传感器瞬间破坏，给天然气供气生产造成严重隐患。

4.2 常见电气系统的雷电防护系统组成

电气系统的雷电防护系统常由外部防雷装置和内部防雷装置组成。外部防雷装置的防雷原理主要将直击雷中释放的大量雷电流通过接线器、引下线和接地装置引入到大地中，达到释放电流的目的，从而保护电气系统安全稳定运行。内部防雷装置主要通过等电位连接、屏蔽、接地及电浪涌保护等装置大大降低雷电波浸入或过电压形成的电磁效应而保护电气系统关键部件免受侵害。

4.3 电气系统防雷措施

按照电气系统结构及空间分布情况，电气系统防雷措施常有高压防雷措施、间隙保护措施及避雷器保护措施。高压防雷措施主要针对室外架空线路，在架空线路设立几处绝缘性能相对较差的点，在有雷电波侵入时，较高的电压会击穿设立的几处绝缘性能相对较差的点，通过接地装置将雷电流引入大地，从而保护电气系统安全运行；间隙保护措施常指将变压器中性点间隙接地装置，在有电弧发生时会随着电流减小自行熄灭；避雷器措施常指直接雷释放的大量电能通过避雷器泄入大地，保护设备免受直接雷的侵扰。因此，对雷电活动强烈地区的天然气电气系统以及经常发生雷击故障的杆塔和线段，应加强雷电防护，可采取降低接地电阻、架设接闪线、增加绝缘子或架设耦合地线等措施。

4.4 电子系统防雷措施

电子系统防雷主要通过电涌保护器进行防护，对于电磁干扰防护要求较高的场所，应结合被保护设备的重要性、建筑物特征及雷电环境因素确定电涌保护配置方案，一般电涌保护器选用组合型，安装位置在配电断路器的负荷侧。低压电源侧的配电装置装设一组电涌能量承受能力符合Ⅰ级试验、电压保护水平不大于2.5kV的电涌保护器作为第一级保护。重要电气、电子设备的配电箱以及建筑物的总电源配电箱，装设一组电压保护水平不大于2.5kV的电涌保护器作为第二级保护。在重要电气、电子设备输入端装设一组电压保护水平不大于1.5kV的设备级电涌保护器作为第三级保护。露天电气设备的配电回路，若断路器经常处于断开状态，电涌保护器安装在断路器电源侧。各级电涌保护器电压保护水平应低于其保护范围内被保护设备的冲击耐受水平，并留有裕度。

5 结束语

天然气场站运行过程中需要提供稳定的电力供应，一旦电气系统故障，容易引发供气中断、火灾爆炸等事故，因此，天然气场站的电气系统要具备可靠性、防爆性及防雷性。本文结合天然气场站的特点，结合现在的电气系统现状，系统探讨了天然气场站电气系统在可靠性、防爆性及防雷等方面的技术要求及建议，为从事天然气相关产业的企业提供电气系统稳定运行可借鉴的经验，强化天然气场站电气系统的设计、建设及运行管理，确保天然气场站电气系统的稳定运行，为社会提供稳定的天然气能源保障，促进社会的经济发展，改善人民生活水平，实现国家共同富裕。