郭燕龍，陳紹東，張生奇，張儒曉

（1.珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東珠?！?19040；2.廣東省防雷中心，廣東廣州　510000）

沿海大型LNG儲(chǔ)罐的雷電危害風(fēng)險(xiǎn)淺析

郭燕龍1，陳紹東2，張生奇1，張儒曉1

（1.珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東珠海519040；2.廣東省防雷中心，廣東廣州510000）

利用1999—2011年廣東省地閃定位系統(tǒng)對(duì)研究項(xiàng)目場(chǎng)地附近4 km范圍內(nèi)的雷電數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，得出4 km范圍內(nèi)1%的地閃雷電流幅值達(dá)221.6 kA；儲(chǔ)罐的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為0.526次，考慮到閃電定位探測(cè)系統(tǒng)的效能，真實(shí)環(huán)境的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于統(tǒng)計(jì)值；取極限分析，當(dāng)金屬線(xiàn)路有屏蔽層時(shí)，由建筑物接閃雷電后，分流給單一芯線(xiàn)的雷電流最大值為18.47 kA；結(jié)合珠海LNG低溫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)文件、選址的環(huán)境，估算得出初步設(shè)計(jì)方案的人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)大于GB/T21714.2-2008規(guī)定的容許值10-5，應(yīng)針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分量采取雷電防護(hù)加強(qiáng)措施。

雷電防御；LNG儲(chǔ)罐；雷電危害；雷電風(fēng)險(xiǎn)；珠海

郭燕龍，陳紹東，張生奇，等.沿海大型LNG儲(chǔ)罐的雷電危害風(fēng)險(xiǎn)淺析［J］.廣東氣象，2016，38（4）：63-66.

廣東珠海LNG項(xiàng)目坐落于珠海高欄島平排山深水港區(qū)，該項(xiàng)目一期工程規(guī)模為350萬(wàn)噸/年，包括3座16萬(wàn)m3全容式LNG儲(chǔ)罐和相應(yīng)的工藝處理設(shè)施。項(xiàng)目投產(chǎn)后，彌補(bǔ)珠海西岸城市能源結(jié)構(gòu)市場(chǎng)的缺口，完善珠三角地區(qū)的供氣網(wǎng)絡(luò)，與已有氣源共同保障珠三角城市的供氣安全，優(yōu)化廣東能源結(jié)構(gòu)和改善生態(tài)環(huán)境。由于珠海LNG建設(shè)規(guī)模及投資額巨大，其安全可靠運(yùn)行影響到千家萬(wàn)戶(hù)。另外，大型項(xiàng)目尤其是易燃易爆等場(chǎng)所，因雷擊而產(chǎn)生的火花導(dǎo)致的火災(zāi)或爆炸事故概率雖不大［1］，但是一旦發(fā)生事故，后果非常嚴(yán)重，關(guān)系到企業(yè)和員工的生命財(cái)產(chǎn)安危?；诖?，本研究結(jié)合珠海LNG儲(chǔ)罐的特性、地理環(huán)境、天氣特征等雷擊環(huán)境條件，分析珠海LNG儲(chǔ)罐的雷電風(fēng)險(xiǎn)及危害。

1　LNG儲(chǔ)罐

LNG儲(chǔ)罐主要由內(nèi)罐、預(yù)應(yīng)力混凝土外罐、外罐內(nèi)側(cè)底部熱角保護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)外罐之間的保冷系統(tǒng)以及工藝儀表等附件等組成?；炷镣夤迌?nèi)表面設(shè)有碳鋼襯里板，以包容罐內(nèi)介質(zhì)蒸發(fā)氣體，并為保冷材料提供保護(hù)。吊頂由吊頂鋁合金板及吊桿組成。吊頂鋁合金板的厚度為6 mm。儲(chǔ)罐規(guī)格：（內(nèi)罐內(nèi)徑×罐壁高度）80 000 mm× 36 100 mm；（外罐內(nèi)徑×罐壁高度）82 000 mm× 39 000 mm；儲(chǔ)存介質(zhì)：液化天然氣（介質(zhì)密度：458 kg/m3）；最大容積：172 928 m3；工作容積：160 000 m3；最高設(shè)計(jì)液位：內(nèi)罐35 311 mm、外罐33 750 mm。儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)圖如圖1。

2　項(xiàng)目雷電危害分析

珠海LNG儲(chǔ)罐所在位置處于亞熱帶地區(qū)，受西太平洋副熱帶高壓、熱帶輻合帶、季風(fēng)槽等環(huán)流系統(tǒng)及熱帶氣旋的影響較大，系統(tǒng)前后的干濕空氣平流疊加后容易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣，午后熱對(duì)流容易形成不穩(wěn)定層結(jié)，引發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣，為雷暴產(chǎn)生提供了良好的條件。另外，珠海LNG儲(chǔ)罐選址在高欄港平排山海陸交界處，受到海陸風(fēng)或地形的影響在局部地區(qū)或迎風(fēng)坡也容易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣，閃電活動(dòng)頻繁。一般地說(shuō)，在平原和山地，落雷點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)在河岸、地下水出口處，是比較容易遭受雷擊的，且土壤電阻率較低，有利于下行先導(dǎo)感應(yīng)出的反極性電荷在該處產(chǎn)生和聚積，從而使得在該處容易出現(xiàn)落雷點(diǎn)，加上儲(chǔ)罐規(guī)模較大，高達(dá)60 m，在項(xiàng)目所在場(chǎng)地屬于高聳的構(gòu)筑物，因雷擊的選擇性［2］，使得珠海LNG儲(chǔ)罐易成為雷擊對(duì)象。

2.1儲(chǔ)罐地閃概率

通過(guò)廣東省閃電定位數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)系統(tǒng)，可以查詢(xún)閃電探測(cè)站附近的云對(duì)地閃電，其字段包括時(shí)間、電流、經(jīng)緯度等信息［3］，基于上述數(shù)據(jù)庫(kù)得出珠海LNG儲(chǔ)罐4 km范圍內(nèi)1999—2011年的雷電資料，分析得出該項(xiàng)目4 km范圍內(nèi)的地閃密度分布圖（圖2）。

圖1　LNG罐內(nèi)外剖面圖

圖2　項(xiàng)目地閃密度分布圖（單位：次/km2）

由圖2可知，1999—2011年，儲(chǔ)罐所在地4 km范圍內(nèi)平均地閃密度Ng為6.248次/km2。儲(chǔ)罐地處海灣，北面靠山，南面靠海，地閃密度分布圖中，海洋片區(qū)地閃密度較小，北面迎風(fēng)山地地閃密度較大。

儲(chǔ)罐年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)

其中，N為雷擊次數(shù)；k為校正系數(shù)；Ng為地閃密度（次·km-2）；Ae為儲(chǔ)罐等效面積（km2）；D為儲(chǔ)罐擴(kuò)大寬度（m）；H為頂部平臺(tái)高度（m）；R為投影半徑（m）。

式中各基礎(chǔ)參數(shù)：κ=1.5、Ng=6.248次·km-2、2R=84 m、H=60 m。

經(jīng)計(jì)算，儲(chǔ)罐四周擴(kuò)大寬度D=91.7 m，儲(chǔ)罐等效面積Ae=0.056 km2，得出儲(chǔ)罐預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)約為0.526次/年，項(xiàng)目遭受雷擊的可能性非常高。

2.2雷電流強(qiáng)度及其危害

強(qiáng)大的雷電流對(duì)電纜線(xiàn)路或金屬管道的放電，會(huì)造成建筑物或管線(xiàn)的絕緣層破壞或產(chǎn)生危險(xiǎn)火花放電，由于LNG及其蒸發(fā)產(chǎn)生的天然氣的最主要成分為甲烷，LNG屬于液化烴，為甲A類(lèi)火災(zāi)危險(xiǎn)物質(zhì)，甲烷氣體屬于甲類(lèi)可燃?xì)怏w［4］，屬于高度易燃易爆物質(zhì)，和空氣混合后，遇電火花可引起爆炸和火災(zāi)事故。根據(jù)雷電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析遭受直擊雷的管線(xiàn)可能遭受的沖擊放電電流Iimp（表略）。取錄得累積概率為1%的雷電流參數(shù)I=221.6 kA，依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》2010版式4.2.6-7：Iimp=（0.5IRS）/（n×（mRS+RC））［5］，依據(jù)設(shè)計(jì)文件設(shè)計(jì)方案，取極限情況分析，僅設(shè)計(jì)1條輸料管線(xiàn)、1條消防水管、1條控制線(xiàn)路，取管線(xiàn)總數(shù)n=3，取導(dǎo)體芯線(xiàn)m =1，屏蔽層及芯線(xiàn)電阻率RC=RS=1 Ω·km-1，計(jì)算得出Iimp=18.47 kA，即每根導(dǎo)體遭受最大的雷電流幅值為18.47 kA。雷擊產(chǎn)生強(qiáng)大雷電流，能通過(guò)各種途徑直接或間接地對(duì)地面物體造成破壞，給人們帶來(lái)危害和損失［6］，建議電涌保護(hù)器通流量水平應(yīng)根據(jù)計(jì)算值預(yù)留安全量。

2.3雷電風(fēng)險(xiǎn)估算

風(fēng)險(xiǎn)是指因雷電造成的年平均可能損失人和物與總保護(hù)對(duì)象人和物的總價(jià)值之比。經(jīng)分析，儲(chǔ)罐總估算的主要損失類(lèi)型有L1（人身傷亡損失）和L4（經(jīng)濟(jì)損失）。依據(jù)GB/T21714.2-2008的評(píng)估模式，計(jì)算損失風(fēng)險(xiǎn)值時(shí)，可按損害成因或損害類(lèi)型確定構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)分量（RA、RB、RC、RM、RU、RV、RW和RZ）［7］，然后計(jì)算出各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)分量并求和即可得出人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)值R1和經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)值R4。

1）雷擊風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式。

各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)分量可以用以下通用表達(dá)式來(lái)表示：Rx=Nx×Px×Lx（Nx為每年危險(xiǎn)事件次數(shù)；Px為建筑物的損害概率；Lx為每一損害產(chǎn)生的損失率），其中危險(xiǎn)事件次數(shù)Nx受到大地雷擊密度（Nx）以及受保護(hù)對(duì)象的物理特性、其周?chē)矬w以及土壤性質(zhì)的影響；損害概率Px受到需保護(hù)對(duì)象的特性以及所采取的保護(hù)措施的影響；損失率Lx受到保護(hù)對(duì)象的用途、現(xiàn)場(chǎng)人數(shù)、公眾服務(wù)類(lèi)型、受損商品的價(jià)值以及減小損失措施的影響。

總風(fēng)險(xiǎn)或風(fēng)險(xiǎn)分量的評(píng)估就是對(duì)Nx、Px、Lx3個(gè)量綜合評(píng)估的過(guò)程。

2）雷擊風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。

珠海LNG儲(chǔ)罐離海約50 m，處于海岸凸角處，場(chǎng)地四周空曠，雷電環(huán)境惡劣，經(jīng)防雷技術(shù)人員連續(xù)3 d在場(chǎng)地采用MI2127檢測(cè)儀測(cè)得多組土壤電阻率數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)矯正分析，取平均值得到土壤電阻率值為40.96 Ω·m。經(jīng)分析，場(chǎng)地原為海岸，地勢(shì)低洼，地表下土壤電阻率理論值非常小，但是經(jīng)人工回填碎石、干渣土后經(jīng)壓實(shí)而提升地基地表，短期內(nèi)其含水量與地基下土壤的含水量及導(dǎo)電性有一定差值，現(xiàn)狀土壤電阻率平均值為40.96 Ω·m與實(shí)際情況一致，故采用該值作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估土壤電阻率參數(shù)。

儲(chǔ)罐最大直徑84 m，占地面積5 538 m2，頂部操作平臺(tái)及通道高為60 m。儲(chǔ)罐按2類(lèi)防雷類(lèi)別設(shè)計(jì)雷電防護(hù)措施。罐頂人行通道金屬欄桿、吊臂設(shè)備、工藝管道等設(shè)備壁厚大于4 mm，均滿(mǎn)足作為接閃器的要求，并在屋面設(shè)置放射型接閃網(wǎng)格。儲(chǔ)罐罐體結(jié)構(gòu)上下焊通，并沿儲(chǔ)罐四周外壁敷設(shè)引下線(xiàn)，引下線(xiàn)間距為10 m，引下線(xiàn)上端與接閃器可靠焊接，下端與人工接地網(wǎng)匯流排接地點(diǎn)可靠連接。沿儲(chǔ)罐四周埋設(shè)人工接地網(wǎng)，人工地網(wǎng)與全廠(chǎng)區(qū)地網(wǎng)多點(diǎn)可靠連接。儲(chǔ)罐動(dòng)力及照明配電引自廠(chǎng)區(qū)變電所，線(xiàn)纜經(jīng)橋架線(xiàn)槽盒引至儲(chǔ)罐用電設(shè)備，長(zhǎng)度約為560 m。儲(chǔ)罐信號(hào)及控制儀表線(xiàn)路經(jīng)橋架線(xiàn)槽引自現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間，長(zhǎng)度為455 m，后經(jīng)埋地55 m引入。

儲(chǔ)罐雷擊風(fēng)險(xiǎn)估算相關(guān)參數(shù)摘錄于GB/ T21714.2-2008［7］。

根據(jù)IEC62305-2，容許值為10-5，可以得出，儲(chǔ)罐的人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)總值為1.635×10-3，超過(guò)了容許值，主要部分是雷擊相連通信線(xiàn)路導(dǎo)致內(nèi)部系統(tǒng)故障而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)RZ（通信），占人身傷亡總風(fēng)險(xiǎn)R1的82.81%。儲(chǔ)罐總的經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)值為2.452×10-2，經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)一般無(wú)固定容許值，建議采用參考的容許值為10-3，其主要部分是雷擊相連通信系統(tǒng)線(xiàn)路導(dǎo)致建筑物物理?yè)p害而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)RV（通信）和雷擊相連通信系統(tǒng)線(xiàn)路導(dǎo)致內(nèi)部系統(tǒng)故障產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)RZ（通信），珠海LNG儲(chǔ)罐設(shè)有密集的控制系統(tǒng)，雷擊電磁脈沖造成設(shè)備損壞和經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)較為嚴(yán)重［8］。

3　結(jié)論

通過(guò)分析珠海LNG儲(chǔ)罐特性、地理位置、雷電環(huán)境、雷擊風(fēng)險(xiǎn)及雷電流強(qiáng)度，得出：

1）廣東珠海LNG儲(chǔ)罐所在項(xiàng)目附近的地理位置為海陸交界處，地勢(shì)由低升高，且背靠鳳鷹山，對(duì)海面暖濕氣流形成抬升作用，易促成午后對(duì)流引發(fā)場(chǎng)地上空雷電的發(fā)生。

2）基于地閃統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出的場(chǎng)地地閃密度值為6.248次/km2，從而計(jì)算得出儲(chǔ)罐的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為0.526次/年的概率值。另一方面，基于閃電定位系統(tǒng)設(shè)備的探測(cè)效率和傳感器的精度不足［9］，真實(shí)環(huán)境的地閃密度值比統(tǒng)計(jì)得出的地閃密度值6.248次/km2會(huì)高，因而，年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)將相應(yīng)增大。

3）極限情況下，建筑物接閃雷電后，分流給單一芯線(xiàn)的沖擊電流最大值為18.47 kA，對(duì)于配電線(xiàn)路、弱電線(xiàn)路而言應(yīng)當(dāng)做好接地，并配合電涌保護(hù)器進(jìn)行防護(hù)，電涌保護(hù)器的通流量值應(yīng)預(yù)留安全值。

4）LNG儲(chǔ)罐初步設(shè)計(jì)方案的人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)值大于IEC62305-2規(guī)定的容許值，主要部分是風(fēng)險(xiǎn)RZ（通信），占人身傷亡總風(fēng)險(xiǎn)R1的82.81%，設(shè)計(jì)方案應(yīng)重點(diǎn)對(duì)配電線(xiàn)路、控制及通信線(xiàn)路的雷電電涌進(jìn)行防護(hù)，可采取金屬管屏蔽、兩端接地、進(jìn)出防雷界面處安裝匹配的電涌保護(hù)器等措施，降低人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)。

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P49

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.04.016

2015-12-20

郭燕龍（1988年生），男，助理工程師，本科，主要從事雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防護(hù)技術(shù)工作。E-mail：939055728@qq.com