中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 侯 彪

國(guó)內(nèi)首座10 000 m3LNG全容儲(chǔ)罐的電氣設(shè)計(jì)

中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 侯 彪

針對(duì)國(guó)內(nèi)首座10 000 m3LNG全容罐的電氣設(shè)計(jì)，對(duì)外方設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行了闡述，并給出了與我方在相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計(jì)的異同；同時(shí)對(duì)我方配套設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行了論述，意在引起業(yè)內(nèi)專業(yè)人士對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的重視。

LNG 全容儲(chǔ)罐 潛液泵 加壓泵 斷路器

0 概述

國(guó)內(nèi)首座10 000 m3LNG全容儲(chǔ)罐本體由某國(guó)外公司設(shè)計(jì)，該罐砼壁內(nèi)側(cè)直徑28 m，拱形罐頂距地面33 m。本體設(shè)計(jì)所含電氣專業(yè)部分包括儲(chǔ)罐爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分、防雷保護(hù)、接地裝置、走道照明和頂部電纜橋架等方面內(nèi)容。與該罐有關(guān)的用電設(shè)備包括罐頂LNG潛液泵及罐外LNG加壓泵的配電設(shè)計(jì)由我方配套完成。為便于業(yè)內(nèi)人士對(duì)該型儲(chǔ)罐電氣設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)就外方及我方配套設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容簡(jiǎn)介如下。

1 外方設(shè)計(jì)中的電氣部分

1.1 爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分

儲(chǔ)罐所處爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的危險(xiǎn)介質(zhì)是甲烷、其分級(jí)分組為ⅡAT1。危險(xiǎn)介質(zhì)及其分級(jí)分組與《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50058—1992)附錄三中氣體或蒸氣爆炸性混合物分級(jí)分組舉例完全一致。

危險(xiǎn)區(qū)域的劃分是從全容罐罐壁和罐頂向外沿各方向4.5 m以內(nèi)為爆炸性氣體危險(xiǎn)環(huán)境2區(qū)；罐頂設(shè)備為從釋放源算起沿各方向4.5 m以內(nèi)，以及此球的水平赤道面與罐頂面之間的圓柱體為爆炸性氣體危險(xiǎn)環(huán)境2區(qū)；罐頂壓力安全閥為從排放管中心算起1.5 m以內(nèi)的球體為爆炸性氣體危險(xiǎn)環(huán)境1區(qū)。這些區(qū)域的界定和圖面表達(dá)與國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)基本相同，所不同的是外方設(shè)計(jì)圖紙的依據(jù)是美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)頒布的《化工危險(xiǎn)場(chǎng)所易燃液體、氣體、蒸汽的分類及相應(yīng)場(chǎng)所的電氣安裝》(NFPA497 classification of flammable liquids, gases, or vapors and of hazardous (classified) locations for electrical installations in chemical process areas)，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)依據(jù)是《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》(GB/T 20368—2006)，并且依據(jù)第7.6.2款，外方設(shè)計(jì)圖中未見罐頂壓力安全閥從排放管中心算起沿各方向1.5 m以外4.5 m以內(nèi)為爆炸性氣體危險(xiǎn)環(huán)境2區(qū)的內(nèi)容。

圖1 爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分示意

1.2 防雷保護(hù)

外方設(shè)計(jì)圖紙中沒有明確全容罐屬于幾類防雷建筑物，但從具體做法上判斷全容罐被劃為第二類防雷建筑物。其圖中防直擊雷的措施是在全容罐罐頂及罐壁安裝接閃帶，接閃帶采用截面為70 mm2鍍錫裸銅絞線組成不大于10 m×10 m網(wǎng)格，引下線截面亦為70 mm2鍍錫裸銅絞線，間隔不大于10 m。接閃帶之間采用壓接方式連接，用膨脹螺栓固定，固定點(diǎn)間距0.9 m。對(duì)比國(guó)內(nèi)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50057—2010)第4.3.1款規(guī)定，其防直擊雷設(shè)計(jì)更嚴(yán)格，并且在材料選擇上與發(fā)達(dá)國(guó)家一致。

為保護(hù)置于罐頂管線和設(shè)備免受雷害損壞，全容罐罐頂平臺(tái)多處設(shè)置有接閃桿。接閃桿由接閃端(air terminal)和支撐體(lightning support)組成，高度有5 m和7 m兩種，其接閃端采用直徑15 mm長(zhǎng)500 mm銅棒，并用截面為70 mm2鍍錫裸銅絞線沿支撐體引下與罐頂接閃帶連接，支撐體采用熱鍍鋅鋼管。在國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)中，接閃桿的接閃端采用熱鍍鋅圓鋼。

在全容罐罐壁距地2.0 m處，每根引下線與接地線連接處均設(shè)置有防雷保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試箱(test box for lightning protection system)。這種作法與國(guó)內(nèi)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50057—2010)第5.3.6 條的要求基本一致。

圖2 罐頂防雷平面示意

1.3 接地裝置

外方設(shè)計(jì)的接地裝置是在距全容罐外壁1.5 m處埋設(shè)第一圈環(huán)形水平接地裝置，埋深1.0 m，距第一圈環(huán)形水平接地裝置外3.0 m處埋設(shè)第二圈環(huán)形水平接地裝置，埋深1.5 m。第二圈接地裝置中間均布四處檢查坑，坑內(nèi)設(shè)有垂直接地棒及與廠區(qū)主接地網(wǎng)連接用接線端子。水平接地裝置采用截面為70 mm2鍍錫裸銅絞線，垂直接地裝置采用直徑20 mm長(zhǎng)3.0 m銅棒。

從接觸電壓和跨步電壓的角度分析，外方的這種設(shè)計(jì)讓人費(fèi)解。

罐區(qū)接地電阻4歐姆，以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)(這點(diǎn)與國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)要求相同)。接地裝置導(dǎo)體間連接采用熱熔焊接。

圖3 儲(chǔ)罐接地平面示意

1.4 設(shè)備接地

為滿足設(shè)備接地要求，外方利用在儲(chǔ)罐頂部沿接線箱、接線盒集中部位敷設(shè)的電纜橋架中通長(zhǎng)敷設(shè)的截面為70 mm2絕緣銅絞線(green insulated stranded copper conductor)作為接地線，該接地線與主接地網(wǎng)連接。罐頂設(shè)備包括橋架、平臺(tái)扶手、平臺(tái)出入口靜電消除器、放散管接地板和LNG潛液泵等，均采用截面為70 mm2絕緣銅絞線與橋架內(nèi)接地線連接。罐頂接線箱、插座等均采用截面為35 mm2絕緣銅絞線與橋架內(nèi)接地線連接。

圖4 罐頂設(shè)備接地平面示意

2 我方配套部分的電氣設(shè)計(jì)

與全容罐生產(chǎn)運(yùn)行有關(guān)的用電設(shè)備的供電和控制由我方完成。其中，與全容罐配套的地面上的罐外LNG加壓泵是容量最大的用電設(shè)備，共3臺(tái)，功率為250 kW/臺(tái)，其供電電纜長(zhǎng)度180 m。罐頂LNG潛液泵是供電距離最遠(yuǎn)的用電設(shè)備，共3臺(tái)，功率為50 kW/臺(tái)，其供電電纜長(zhǎng)度260 m。

2.1 電纜截面的選擇

電纜截面的選擇要考慮的因素較多，因該項(xiàng)目配套設(shè)備容量較大，供電距離較遠(yuǎn)，因此電纜截面的選擇要考慮的主要因素應(yīng)是允許溫升、熱穩(wěn)定、電壓損失等。

按允許溫升選擇，供電給罐外LNG加壓泵銅芯電纜最小截面應(yīng)為2根4芯150 mm2，供電給罐頂LNG潛液泵銅芯電纜最小截面應(yīng)為4芯35 mm2。

該項(xiàng)目配電線路的保護(hù)電器采用的是斷路器，其瞬時(shí)脫扣器的全分?jǐn)鄷r(shí)間(包括滅弧時(shí)間)極短，一般為10~20 ms。采用變壓器高壓側(cè)10 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)短路容量為無窮大計(jì)算出的保護(hù)開關(guān)安裝處的短路電流23.4 kA，及短路電流持續(xù)作用時(shí)間20 ms的最不利條件，按熱穩(wěn)定要求計(jì)算出的銅芯電纜最小截面為4芯35 mm2。

正常情況下，電動(dòng)機(jī)電壓偏差允許值為+5%~-5%，經(jīng)計(jì)算，變壓器的電壓損失為1.65%，因此在變壓器高壓側(cè)為穩(wěn)定的額定電壓時(shí)，低壓側(cè)線路允許電壓損失為8.35%。按電纜線路電壓損失6%計(jì)算出電纜截面分別為：供電給罐外LNG加壓泵的銅芯電纜最小截面為4芯185 mm2；供電給罐頂LNG潛液泵的銅芯電纜最小截面為4芯50 mm2。

綜合允許溫升、熱穩(wěn)定、電壓損失三大因素的結(jié)論：供電給罐外LNG加壓泵銅芯電纜最小截面應(yīng)為2根4芯150 mm2，供電給罐頂LNG潛液泵銅芯電纜最小截面應(yīng)為4芯50 mm2。

初步選擇的電纜截面最終還應(yīng)按照滿足保護(hù)用斷路器靈敏度要求進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 保護(hù)用斷路器的選擇

保護(hù)用斷路器的選擇涉及正常工作條件、短路工作條件和使用環(huán)境條件等諸多因素。正常工作條件和使用環(huán)境條件是最直接的、最受關(guān)注的選型條件，這兩個(gè)條件在選型過程中都會(huì)得到滿足。而最重要的短路工作條件因受供電電源等外部條件和供電系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜計(jì)算的限制往往得不到有效落實(shí)。

LNG泵供電電纜保護(hù)用斷路器應(yīng)滿足在短路條件下分段能力的要求。采用變壓器高壓側(cè)10 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)短路容量為無窮大計(jì)算出的保護(hù)開關(guān)安裝處的短路電流23.4 kA，因此保護(hù)用斷路器額定運(yùn)行短路分段能力最低應(yīng)為35 kA。

由于LNG泵的配電線路較長(zhǎng)，被保護(hù)線路末端接地故障電流不能滿足斷路器動(dòng)作靈敏性要求。在加大相導(dǎo)體及保護(hù)接地導(dǎo)體截面，進(jìn)一步降低電纜線路的電壓損失，提高接地故障電流的同時(shí)，在滿足熱穩(wěn)定要求的前提下，降低斷路器瞬時(shí)過電流脫扣器的整定值是提高TN系統(tǒng)接地故障保護(hù)靈敏性的重要措施。

為滿足斷路器動(dòng)作靈敏性要求，經(jīng)反復(fù)驗(yàn)算，最終選擇供電給罐外LNG加壓泵銅芯電纜截面應(yīng)為2根4芯185 mm2，斷路器短路瞬時(shí)動(dòng)作電流的整定值為過載長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作電流的7倍。供電給罐頂LNG潛液泵銅芯電纜截面為4芯120 mm2，斷路器短路瞬時(shí)動(dòng)作電流的整定值為過載長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作電流的8倍。

2.3 電機(jī)控制

拖動(dòng)LNG泵的電機(jī)采用變頻器控制，管網(wǎng)壓力信號(hào)作為反饋調(diào)節(jié)信號(hào)?？刂品桨钢性O(shè)有本地和遠(yuǎn)程控制選擇開關(guān)，LNG泄漏聯(lián)鎖電源進(jìn)線斷路器分勵(lì)脫扣。所有運(yùn)行及故障信號(hào)通過通訊接口上傳至控制室。

3 結(jié)語

國(guó)內(nèi)首座10 000 m3LNG全容儲(chǔ)罐已完成聯(lián)合設(shè)計(jì)，這是國(guó)際化背景下知識(shí)和思想融合的結(jié)果、更是標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化的結(jié)果。希望本文能對(duì)業(yè)內(nèi)專業(yè)人士有所啟發(fā)和幫助。

Electrical Design of the Domestic First 10,000 Cubic Meters’ LNG Full Containment Tank

North China Municipal Engineering Design and Research Institute Hou Biao

In the light of electrical design of the domestic first 10,000 cubic meters of LNG full containment tank, this paper explicates the design of foreign party, introducing the similarities and differences of design between China and foreign countries , discussing the key content of our party’s design as well ,which aim to cause attention by related industry professionals.

LNG, full containment tank, submersible pump, pressure pump, circuit breaker