王延昌錢志凡趙 辰肖 揚(yáng).北京駿隴國際石油工程技術(shù)有限公司 .中國石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司

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浮頂儲(chǔ)油罐雷電防護(hù)安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

王延昌1錢志凡2趙 辰1肖 揚(yáng)1
1.北京駿隴國際石油工程技術(shù)有限公司 2.中國石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司

【摘要】通過浮頂罐雷擊火災(zāi)致因分析，克服已有技術(shù)的不足，提出了一種浮頂罐防雷安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)浮頂罐浮盤可靠接地、接地阻抗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警報(bào)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，為保障外浮頂儲(chǔ)罐的防雷防靜電接地安全提供有效解決方法。系統(tǒng)的應(yīng)用取得了良好的使用效果。

【關(guān)鍵詞】浮頂罐；接地安全；阻抗監(jiān)測(cè)；監(jiān)控預(yù)警

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年近20起油罐火災(zāi)事故中約1/3由雷電引起。在我國各行業(yè)各類油罐火災(zāi)原因中，被確定為雷電的占總數(shù)61％。

近年來，國內(nèi)外大型原油儲(chǔ)罐日益增多，尤其是浮頂罐儲(chǔ)罐區(qū)總儲(chǔ)量及單罐容量越來越大，雷電導(dǎo)致的火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)不斷增大。如我國某公司先后在2006年發(fā)生15萬立原油儲(chǔ)罐雷擊導(dǎo)致油罐頂部火災(zāi)；2007年10萬立儲(chǔ)罐罐頂部遭受雷擊，引燃原油；同年10萬立外浮頂鋼制儲(chǔ)油罐遭受雷擊，一、二次密封間著火；2010年，10萬立外浮頂鋼制儲(chǔ)油罐遭雷擊引起油罐浮盤密封處火災(zāi)；2012年，日本三井化學(xué)石油化工總廠遭雷擊導(dǎo)致1死25傷，直接損失超4千萬美元；2011年，美國德州帝國石油天然氣廠雷擊導(dǎo)致設(shè)備損壞，直接損失超53萬美元。

由于原油具有易流失、易燃燒和易爆炸等性質(zhì)，一旦發(fā)生火災(zāi)或爆炸，將造成生命、財(cái)產(chǎn)的重大損失。

1　浮頂罐雷擊火災(zāi)發(fā)生機(jī)理

根據(jù)國內(nèi)外油罐火災(zāi)原因分析可知，多數(shù)油罐起火是由于發(fā)生雷擊時(shí)的感應(yīng)雷引起油罐的浮頂和罐壁產(chǎn)生電位差而發(fā)生閃絡(luò)造成。浮頂罐的浮盤與罐壁有間隙，雷擊過程中，導(dǎo)致浮盤滯留束縛電荷，其將通過非接地回路向罐體罐壁中和放電，形成二次電弧。二次電弧發(fā)生在儲(chǔ)罐一次和二次密封處，正處于爆炸危險(xiǎn)環(huán)境區(qū)域內(nèi)，遇達(dá)到爆炸混合比的油氣，即引起火災(zāi)。因此，有效消除油罐浮頂與罐壁之間的電位差是防止油罐雷擊著火的關(guān)鍵。

2　現(xiàn)有主要安全措施及不足

當(dāng)前，我國對(duì)油罐浮頂與罐壁等電位的解決方法主要采取以下幾種方式：

（1）設(shè)置分流片。

由于原油的絕緣性很好，分流片長期運(yùn)行極易發(fā)生接觸不良的情況，不管分流片在頂部還是底部，與罐體內(nèi)壁之間任何情況下都有可能產(chǎn)生電弧，如果分流板位于頂端，產(chǎn)生電弧的位置正好位于較高濃度油氣混合區(qū)。此外，由于雷電的高強(qiáng)度和指向性，即使少數(shù)分流片接觸不良，也能產(chǎn)生火花。

（2）扶梯連接。

由于在扶梯滾軸與其他節(jié)點(diǎn)之間接觸電阻存在不確定性。因此，浮盤和罐體之間有可能產(chǎn)生大的電位差。

（3）采用軟銅復(fù)絞線連接浮盤和罐體。

其存在問題是導(dǎo)線過長，高液位時(shí)纏繞導(dǎo)致交流阻抗較大，此外還存在腐蝕、老化引起有效面積減少、斷裂；兩端連接部位接觸不良等問題。

（4）采用伸縮式接地裝置，連接浮盤和儲(chǔ)罐罐壁，進(jìn)行等電位連接。

此法主要是發(fā)生損壞或接觸不良時(shí)不能實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警。

以上這幾種方法都存在一個(gè)共性問題就是目前只進(jìn)行罐壁接地電阻檢測(cè)，沒有開展浮頂與罐壁及浮頂對(duì)地電阻的檢測(cè)，即使罐壁的接地檢測(cè)也是非連續(xù)性的，發(fā)生電阻超標(biāo)是不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警，因此難以有效保障浮頂罐的有效接地和實(shí)時(shí)掌控浮頂罐的接地情況。為解決上述問題，開發(fā)可靠的浮頂與罐壁等電位連接設(shè)備，并具備接地安全實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警等功能于一體的浮頂罐雷電防護(hù)安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3　安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)

為克服已有技術(shù)的不足，開發(fā)了一種浮頂罐雷電防護(hù)安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，將浮頂罐浮盤有效接地、接地阻抗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警報(bào)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控很好的整合在一起，為保障外浮頂儲(chǔ)罐的防雷防靜電的安全提供有效解決方法。該系統(tǒng)主要由可伸縮式接地單元（RGA）、接地阻抗監(jiān)測(cè)單元、監(jiān)控預(yù)警單元和遠(yuǎn)程監(jiān)控單元組成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1。

圖1　浮頂罐防雷安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

可伸縮式接地單元（RGA）包括數(shù)個(gè)可伸縮式接地設(shè)備，用于連接儲(chǔ)罐浮盤和罐壁，RGA通過導(dǎo)線將浮盤與罐壁連接形成等電位，RGA導(dǎo)線隨浮盤下降和上升而自動(dòng)伸出和縮回卷起，使得導(dǎo)線始終處于最短狀態(tài)，具有最小的電阻，減小浮盤對(duì)罐體電容放電的時(shí)間常數(shù)，加快電流釋放速率，抑制電弧發(fā)生，可伸縮接地單元，如圖2。第三代的RGA導(dǎo)線采用特別制材料制作，快速伸縮無火花產(chǎn)生，防風(fēng)擺，耐腐蝕性強(qiáng)，保證浮盤和罐壁有效的電氣通路。RGA使得浮盤和罐壁間始終保持最小阻抗，典型的浮頂儲(chǔ)罐儲(chǔ)量在80％時(shí)，可伸縮性接地裝置的阻抗只有常規(guī)旁路導(dǎo)體15％。RGA配置數(shù)量由儲(chǔ)罐儲(chǔ)存介質(zhì)、儲(chǔ)罐容量等因素綜合決定。

接地阻抗監(jiān)測(cè)單元由監(jiān)控卷盤、接線盒和監(jiān)控器組成，接地阻抗監(jiān)測(cè)單元通過三根電纜分別與儲(chǔ)罐浮盤、儲(chǔ)罐底座連接點(diǎn)和接地點(diǎn)連接，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)罐浮頂?shù)慕拥刈杩?，分析、處理、判斷接地阻抗是否大于接地?biāo)準(zhǔn)值，在線顯示并儲(chǔ)存儲(chǔ)罐接地狀態(tài)信息，若監(jiān)測(cè)到阻抗值超過標(biāo)準(zhǔn)值則顯示紅色，未超過設(shè)定值，顯示綠色，如圖3。接線盒連接監(jiān)控卷盤和監(jiān)控器，實(shí)時(shí)地發(fā)送信號(hào)，得到浮盤與外浮頂油氣儲(chǔ)罐接地即時(shí)的電阻值，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到大于10Ω，顯示紅色，工作人員可在收到紅色警報(bào)后，立即采取措施，及時(shí)進(jìn)行維修，避免儲(chǔ)罐遭遇雷擊時(shí)電流不能有效泄流入地導(dǎo)致事故。

圖2　可伸縮接地單元

圖3　接地阻抗監(jiān)測(cè)單元

監(jiān)控預(yù)警單元包括采集傳輸模塊、監(jiān)控工控機(jī)、聲光報(bào)警器和工業(yè)路由器，采集傳輸模塊從各防爆接地阻抗監(jiān)測(cè)器采集到阻抗信號(hào)并傳輸?shù)奖O(jiān)控工控機(jī)，監(jiān)控工控機(jī)對(duì)各儲(chǔ)罐接地情況進(jìn)行智能處理分析判斷儲(chǔ)罐接地情況，若分析得出狀態(tài)異常發(fā)出預(yù)警報(bào)警信號(hào)，觸發(fā)聲光報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒相關(guān)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)接地設(shè)備進(jìn)行及時(shí)處理和維修。

遠(yuǎn)程監(jiān)控單元包括Internet、3G/4G網(wǎng)絡(luò)、路由器、計(jì)算機(jī)和移動(dòng)智能終端，其中，移動(dòng)智能終端通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)各儲(chǔ)罐接地狀況并接收來預(yù)警工控機(jī)的預(yù)警報(bào)警信號(hào)，計(jì)算機(jī)通過路由器和Internet網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控儲(chǔ)罐的狀態(tài)。防爆接地阻抗監(jiān)測(cè)器與采集傳輸模塊通過線纜連接；采集傳輸設(shè)備與監(jiān)控預(yù)警工控機(jī)通過485總線連接；監(jiān)控預(yù)警工控機(jī)與工業(yè)路由器通過網(wǎng)線連接；工業(yè)路由器與Internet通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接；PC機(jī)與工業(yè)路由器通過網(wǎng)線連接，移動(dòng)智能終端通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。

4　系統(tǒng)特點(diǎn)和應(yīng)用效果

本系統(tǒng)將浮頂罐浮頂有效接地、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能集成一體。系統(tǒng)采用第三代防爆可伸縮式接地設(shè)備，隨儲(chǔ)罐浮盤升降而自動(dòng)伸縮始終保持最小阻抗，有效減少由雷電引起的浮頂罐油罐火花放電，同時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐整體接地阻抗，對(duì)接地安全和設(shè)備異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警報(bào)警，及時(shí)提醒相關(guān)人員對(duì)接地設(shè)備或相關(guān)設(shè)備進(jìn)行修理，從而有效保障浮頂罐的防雷接地安全。該系統(tǒng)在大型浮頂儲(chǔ)油罐進(jìn)行的應(yīng)用表明，系統(tǒng)的性能穩(wěn)定可靠，適用于腐蝕性、爆炸性環(huán)境，施工維修簡(jiǎn)單量少，安全狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，異常情況能及時(shí)報(bào)警，可有效降低因雷擊引起的火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)。

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