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通過沼氣工程的建設(shè)運營,不但可以處理工業(yè)、  農(nóng)業(yè)以及養(yǎng)殖業(yè)等各種有機廢棄物,而且可以產(chǎn)生  沼氣、沼渣和沼液。沼氣可以做飯、照明、發(fā)電、車用  燃料、工業(yè)原料用等,而且沼渣和沼液是非常好的優(yōu)  質(zhì)農(nóng)作物肥料。因此,近年來,特別是在農(nóng)業(yè)以及養(yǎng)  殖業(yè)方面,為貫徹落實中央關(guān)于建設(shè)生態(tài)文明、做好  三農(nóng)”工作的總體部署,適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、農(nóng)村  居住方式、農(nóng)民用能方式的變化對農(nóng)村沼氣發(fā)展的  新要求,積極發(fā)展規(guī)?；?a data-mid="118" href="http://www.roughlife.net/a/221.html">大型沼氣工程,并開展規(guī)模  化生物天然氣工程,以推動農(nóng)村沼氣工程向規(guī)模發(fā)  展、綜合利用、科學(xué)管理、效益拉動的方向轉(zhuǎn)型升級,  全面發(fā)揮農(nóng)村沼氣工程在提供可再生清潔能源、防  治農(nóng)業(yè)面源污染和大氣污染、改善農(nóng)村人居環(huán)境、發(fā)  展現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)、提高農(nóng)民生活水平等方面的重要作用。因此,沼氣工程建設(shè)已步入了快速發(fā)展的軌道為適應(yīng)新的形勢和機遇,保障沼氣工程的運行安全,本文對沼氣工程整體的防雷設(shè)計進行了系統(tǒng)梳理,以期提高我國沼氣工程防雷擊設(shè)計方面的整體水平。

1沼氣的特性

沼氣中的主要成分是甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)和少量的硫化氫(H2S)、氫(H2)、一氧化碳(CO)、氮(N2)等氣體。其中甲烷占50%~70%,二氧化碳占30%-40%,其他成分含量極少。

甲烷是無色、無臭的氣體,分子式CH4,分子量

為16.04,在0℃101325Pa標準狀態(tài)下,甲烷對空  氣的相對密度為0.5548,沼氣約為0.94;甲烷的熱  值為35.9M·m3,沼氣低熱值20.25M,m3  由表1可以看出,甲烷(沼氣)是一種易燃、易爆、易擴散的甲類可燃氣體,遇熱源、明火或雷電極易發(fā)生爆炸,產(chǎn)生嚴重的后果,所以必須在設(shè)計及施工階段予以重視。筆者主要對沼氣工程的防雷設(shè)計及注意事項進行探討

2沼氣工程防雷設(shè)計依據(jù)

沼氣工程防雷設(shè)計依據(jù)以下標準

《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》(GB501602008);《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》(GB501832004);《石油庫設(shè)計規(guī)范》(GB50074);《石油與石油設(shè)施雷電安全規(guī)范》(GB159200);《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB50057-2010);《建筑物防雷工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB5001-2010);《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》(CB50582014);《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》(GB503432012);《建筑物電氣裝置第5-53部分第534節(jié)》(GB16895  2204);(低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器(SPD)第  12部分》(GB/T18802.12-2006);《低壓電涌保護器  第22部分:電信和信號網(wǎng)絡(luò)的電涌保護器(SPD)選  擇和使用導(dǎo)則》(GB/T18802.22);《建筑物防雷裝  置檢測技術(shù)規(guī)范》(GB/T21431-2015);《民用建

筑電氣設(shè)計規(guī)范》(JGJ16-2008);《建筑設(shè)計防火規(guī)  806014):(電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》(68720)供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(005200)

3沼氣工程主要建構(gòu)筑物爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境區(qū)域及范圍劃分

沿氣工程的主要構(gòu)筑物有原料(秸稈)堆場、原

料(秸稈)粉碎間、進料間、厭氧消化器、脫硫裝置脫碳裝置、沼氣凈化間、氣柜、放散火炬、鍋爐房、發(fā)電機房、壓縮機房、控制室、高低壓配電室、固液分離車間、有機肥車間、有機肥庫房、維修間、辦公樓等,按照《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》(CB50058-2014)以及上面相關(guān)規(guī)范,各主要構(gòu)筑物爆炸性危險區(qū)域及危險區(qū)域范圍劃分如表2。

4沼氣工程主要建構(gòu)筑物的防雷分類及依據(jù)

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB50057-  2010)《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》(JGJ162008)、

《石油與石油設(shè)施雷電安全規(guī)范》GB1599200以  及筆者多年的實際工程建設(shè)經(jīng)驗,沼氣工程主要建  構(gòu)筑物的防雷分類及依據(jù)見表3。

5沼氣工程防雷設(shè)計主要問題

沼氣工程各類防雷建筑物均應(yīng)設(shè)防直擊雷的外  部防雷裝置,并應(yīng)采取防閃電電涌侵入和雷電電磁  感應(yīng)(第三類除外)的措施,具體在設(shè)計時還應(yīng)注意以下幾個方面的問題

5.1接閃器問題  在一般情況下,除去1類雷建筑物(秸稈堆放  場和膜式沼氣氣柜)需要采用獨立避雷針、獨立接  地保護外,其余類別沼氣工程建筑物的接閃器均可采用避雷  帶、網(wǎng)帶保護。保護范圍的計算分別可按一,二,三  類防雷建筑物的滾球半徑(30m,45m,60m)計算。  建筑物頂部和外墻上的接閃器必須與建筑物欄桿、  金屬房頂、吊車梁、管道、設(shè)備、門窗、幕墻支架等外露的金屬物進行電氣連接。

5.2引下線問題

各類防雷建筑物的引下線不應(yīng)少于兩根,并應(yīng)沿建筑物周圍均勻布設(shè),其平均間距不應(yīng)大于12m,18m和25m;引下線兩端應(yīng)與接閃器和接地裝置做可靠的電氣連接;引下線安裝與易燃材料的墻壁或墻體(或罐壁)保溫層間距應(yīng)大于0.1m;引下線可利用建筑物的鋼梁、鋼柱、消防梯、檢修梯等金屬構(gòu)件作為自然引下線,金屬構(gòu)件之間應(yīng)電氣貫通。

5.3接地及接地沖擊電阻的問題  盡可能利用建筑物樁基、梁、柱內(nèi)鋼筋做接地裝  置的自然接地體;在有人員常經(jīng)過或停留的引下線  與接地體連接處3m范圍內(nèi),應(yīng)采用防止跨步電壓  對人員造成傷害的措施;接地體與建筑物之間的距  離按設(shè)計要求,無設(shè)計要求時,人工接地體與建筑物  外墻或基礎(chǔ)之間的水平距離不宜小于1m;如果建  筑物的防雷接地是獨立接地,一般要離開建筑物基  礎(chǔ)3m以外;接地體的連接應(yīng)采用焊接,并在焊接處  做防腐處理;一、二類防雷建筑物的接地沖擊電阻<10歐,三類防雷建筑物接地沖擊電阻<30歐。

5.4等電位連接問題

對進出建(構(gòu))筑物的所有金屬管線做等電位連接,并在建筑物入戶處做總等電位連接;建筑物等電位連接干線與接地裝置應(yīng)有不少于兩處的連接第1類防雷建筑物和具有1區(qū),2區(qū),21區(qū)和22區(qū)爆炸危險場所的第二類防雷建筑物內(nèi)外的金屬管道、構(gòu)架和電纜金屬外皮等長物體的跨接,其凈距小于100m時應(yīng)采用金屬線跨接,跨接點的間距不應(yīng)大于30m,交叉凈距小于100m時,其交叉處也應(yīng)跨接;當長金屬物的彎頭、閥門、法蘭盤等連接處的過度電阻大于0.03歐姆時,連接處應(yīng)用金屬線跨  接;室內(nèi)電子設(shè)備的等到電位的連接方式應(yīng)采用  點式方法接地,而不應(yīng)互相串聯(lián)連接接地,以免引起

干擾現(xiàn)象  

5.5屏蔽問題  對于沼氣工程一,二類防雷建筑物內(nèi)的電氣和  電子系統(tǒng)以及設(shè)在辦公樓內(nèi)的控制室內(nèi)的電子系統(tǒng)海  需要進行防雷擊電磁脈沖的設(shè)計。工作頻率小于  300kH的模擬線路,可采用星形結(jié)構(gòu)(S型)等電  位連接網(wǎng)絡(luò);頻率為兆赫(MH)級的數(shù)字線路,應(yīng)  采用網(wǎng)形結(jié)構(gòu)(M型)等電位連接網(wǎng)絡(luò)。對于管線  的屏蔽,整段管線應(yīng)金屬連接良好,不應(yīng)有空隙產(chǎn)生  漏磁現(xiàn)象,如果距離太長,中間也要接地一次。電子  設(shè)備的屏蔽應(yīng)將設(shè)備的金屬外殼采用一點的接地方  式接地,如果體積過大,應(yīng)有兩點接地。接地的線徑  應(yīng)大于6mm為宜。同理,電子設(shè)備的放置問題,也  應(yīng)離開外墻、梁柱有一定的安全距離。在需要保護  的空間內(nèi),采用屏蔽電纜時其屏蔽層應(yīng)至少在兩端  并宜在防雷區(qū)交界處做等電位連接,系統(tǒng)要求只在  端做等電位連接時,應(yīng)采取兩層屏蔽或穿鋼管敷  設(shè)。在分開的建筑物之間的連接線路,若無屏蔽層  線路應(yīng)敷設(shè)在金屬管、金屬格柵或鋼筋成格柵形的

凝土管道內(nèi),這些金屬物從一端到另一端是導(dǎo)電貫通的,并在兩端分別連到建筑物的等電位連接帶  上;若有屏黻層,屏蔽層的兩端應(yīng)連到建筑物的等電位連接帶上。另外,沼氣工程室內(nèi)的線纜布置應(yīng)避開外墻、梁柱等雷電流集中流過的地方,以免對線纜產(chǎn)生大的干擾現(xiàn)象

5.6綜合布線問題

應(yīng)注意以下幾個方面

(1)低壓配電線路(三相或單相)的單芯線纜不應(yīng)單獨穿于金屬管內(nèi)

(2)不同回路、不同電壓等級的交流和直流電線不應(yīng)穿于同一金屬管中,同一交流回路的電線應(yīng)  穿于同一金屬管內(nèi),管內(nèi)電線不得有接頭

(3)爆炸危險場所使用的電線(電纜)的額定耐  受電壓值不應(yīng)低于750V,且必須穿在金屬管中;  (4)當信息技術(shù)電纜和供配電電纜同屬一個電  纜管理系統(tǒng)和同一路由時,電纜布線系統(tǒng)的全部外  露可導(dǎo)電部分,均應(yīng)進行等電位連接  爭、(5)由分線箱引出的信息技術(shù)電纜和供配電電  行敷設(shè)的長度大于35m時,從分線箱起的20  m內(nèi)應(yīng)采取隔離措施,也可保持兩電纜之間有大于  30mm的間距,或在槽盒中加金屬板隔開;  冬(6)在條件許可時,宜采用多層走線槽盒強弱

5.7沼氣工程電涌保護器問題  

隨著沼氣工程自動化程度的提高,計算機、在線  監(jiān)測儀表,PC系統(tǒng),DCS系統(tǒng)等電子系統(tǒng)的應(yīng)用日  漸增多,但其耐沖擊電壓的能力不高,由雷電流產(chǎn)生  的強大電磁場變化與導(dǎo)體感應(yīng)出的過電壓、過電流  形成的雷擊,可能造成廠內(nèi)電子設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)丟失  等損失。因此,對于沼氣工程的一,二類防雷建筑物  內(nèi)的低壓配電系統(tǒng)和電子系統(tǒng)信號網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)設(shè)置電  涌保護器(SPD)。如果第一級不能有效的保護設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)信號時,應(yīng)設(shè)計二級、三級SPD;無明確的產(chǎn)品安裝指南時,開關(guān)型SPD與限壓型sPD之間的線  路長度不宜小于10m,限壓型SFD之間的線路長度不宜小于5m。當SPD之間的線路長度小于10m  和5m時應(yīng)加裝退藕的電感(電阻)元件

供電的形式最好采用TNS系統(tǒng)。供電線路最好埋地套鐵管引入。N線和PE線重復(fù)接地引出,電源裝電源避雷器。當電源采用TN系統(tǒng)時,從建筑物總配電箱起供電給本建筑物內(nèi)的配電線路和分

支線路必須采用TNS系統(tǒng)

6沼氣工程防雷設(shè)計的其他注意事項

(1)當一座建筑物僅有一部分為第一,二,三類防雷建筑物且可能遭直接雷擊時,宜按各自類別采取防雷措施以及相應(yīng)的防雷電感應(yīng)和防雷電電涌侵入的措施

(2)當采用接閃器保護建筑物、封閉氣罐時,其外表面的2區(qū)爆炸危險場所可不在滾球法確定的保護范圍內(nèi)。

(3)秸稈露天堆場,應(yīng)采用防直擊雷措施。當其年計算雷擊次數(shù)大于或等于0.05時,應(yīng)采用獨立避雷針或架空避雷線防直擊雷。獨立避雷針或架空  避雷線保護范圍的滾球半徑hr可取100m。在計算  雷擊次數(shù)時,建筑物的高度可按秸稈可能堆放的高  度計算,其長度和寬度可按可能堆放面積的長度和寬度計算。  (4)對于第二、三類防雷建筑物,沒有得到接閃  保護的屋頂孤立金屬物尺寸,在高出屋頂高度不  超出0.3m,上層表面總面積不超出1.0m2和上層  表面的長度不超出2m時,可不要求附加的保護措  施;金屬屋面的建筑物宜利用其屋面作為接閃器,設(shè)  計中需注意明確不同金屬材料的厚度要求,同時要  保證金屬板無絕緣被覆層

(5)除設(shè)計要求外,兼做引下線的承力鋼結(jié)構(gòu)  構(gòu)件、混凝土梁、柱內(nèi)鋼筋與鋼筋的連接,應(yīng)采用土  建施工的綁扎發(fā)或螺絲扣的機械連接,嚴禁熱加工連接。  

(6)工藝裝置內(nèi)露天布置的塔、容器等,當頂板  厚度大于或等于4mm時,可不設(shè)避雷針、線保護  但必須設(shè)防雷接地。如沼氣站濕式儲氣柜和脫碳裝  置(膜式裝置除外),可不裝設(shè)接閃器(但對于濕式  儲氣柜,應(yīng)將浮頂與外罐體用兩根截面不小于50  mm2的扁平鍍錫軟銅復(fù)絞線作電氣連接,連接點不  少于2處,間距不大于30m),容器外殼直接接地即  可,接地點不少于2處,兩接地點間距不大于30m;  但對于厭氧反應(yīng)器和生物脫硫裝置等露天布置的容  器,由于容器外壁裝設(shè)有保溫板等外殼,需要將容器  頂部的防護護欄作為接閃器,再用不低于2處引線  與人工接地體相連。人工接地體距離罐體基礎(chǔ)不低  于3m,人工接地體與罐體地基基礎(chǔ)鋼筋再連接在  起,沖擊接地電阻不大于109

7結(jié)論

(1)沼氣是易燃易爆的危險性氣體,在沼氣工  程設(shè)計時應(yīng)正確理解和研究防雷相關(guān)規(guī)范,對沼氣  工程相關(guān)設(shè)施的爆炸危險性進行分區(qū),是確定建筑物和相關(guān)設(shè)施防雷分類的基礎(chǔ)  

(2)確定合適的防雷類型及適宜的防雷措施  才能保證建筑物和相關(guān)電氣設(shè)備和電子系統(tǒng)的安全運行  (3)設(shè)計防雷工程要對工程所在地自然情況進  行詳細的分析,并與當?shù)叵嚓P(guān)部門結(jié)合,然后針對沼  氣工程的特點采取針對性方案,盡可能做到切合實  際、降低成本,力求做到經(jīng)濟、合理、完善、可靠,獲取更大潛在效益。

總的來說,多年來盡管國內(nèi)對沼氣工程相關(guān)工藝、設(shè)備、安全運行等技術(shù)進行了大量研究和報道并取得了不少的成果,但對沼氣工程整體防雷系統(tǒng)的設(shè)計探討較少,目前國內(nèi)在這方面的研究尚存在欠缺。隨著越來越多特大型沼氣工程的建設(shè)和運行,以及眾多學(xué)者不斷投身于沼氣工程防雷技術(shù)的研究,將會使得沼氣工程防雷理論體系更加完善、防雷措施不斷趨于成熟、安全運行必將會切實得到保障,以推動沼氣工程這一清潔能源的快速發(fā)展。

摘自《中國沼氣》2018第一期 盧新社 劉耕 袁建永 張林燦 陳燦軍 史曉光

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