1、 本科毕业论文 （ 20 届） 大型储油罐区防雷击安全关键技术应用研究 所在学院 专业班级 油气储运工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 2 目 录 中文摘要 . 错误 !未定义书签。 英文摘要 . 错误 !未定义书签。 1. 前言 . 1 2.雷电 . 1 2.1 雷电的形成 . 1 2.2 雷电引发油罐起火的形式 . 1 2.2.1 直击雷 . 1 2.2.2 感应雷 . 2 2.2.3 雷电波侵入 . 2 2.2.4 高电位反击 . 2 2.2 5 球形雷击 . 3 2.3雷电的危害 . 3 2.4 舟山群岛雷电活动特征分析 . 3 3.防雷电关键技术 . 4 3.1
2、现代防雷体系概述 . 4 3.1.1 现代防雷体系的组成 . 5 3.1.2 现代防雷体系的特点 . 5 3.2 综合防雷技术 . 6 3.2.1 直击雷防护技术 . 6 3.2.2 雷电感应过电压防护技术 . 6 3.2.3 共用接地 . 6 3.2.4 一点接地 . 8 3.2.5 等电位连接技术 . 8 3.2.6 屏蔽技术 . 9 4.大型油罐区防雷击安全措施方案 . 10 4.1 从技术入手 . 10 4.1.1 浮顶油罐结构 . 10 4.1.2 浮顶罐遭雷击引发火灾事故 原因分析 . 11 4.1.3 浮顶油罐充氮防雷技术 . 12 4.1.4 浮顶油罐充氮防雷措施方案分析 .
3、16 4.2 从管理入手 . 17 4.2.1 防雷设施的检查及应注意的问题 . 17 4.2.2 储油罐区灭火系统的检查维护 . 18 小结 . 19 参考文献 . 19 I 摘要 近几年来我国国内储油罐的设计水平及建造技术不断提高，但据相关行业数据记载，各类油罐火灾事故中因雷电引发的占总数的 60%以上，因此可见，雷电是造成油罐区起火的重要原因之一。本课题主要研究范围位于中国东海的浙江省舟山市，一个雷电活动频繁的地区，处于该地区的大型油罐区遭受雷击的危险性很大。本文综合分析现代防雷技术（ 直击雷防护技术、共用接地系统、等电位连接 技术、屏蔽技术、安装电子避雷器、综合布线技术 ）的优缺点，并
4、结合舟山岛屿雷电活动特点，发现传统的安装避雷针、避雷带或者接地等措施并不适合用于大型油罐的有效防雷，于是提出了向浮顶罐二次密封腔内填充氮气的防雷措施。浮顶罐充氮技术是一种具有创新性的设想，首先 在二次密封腔内增设可燃气体浓度监测报警器，当油气浓度达到设定值时进行报警。其次，当浓度超出设定范围报警后，向二次密封腔内填充氮气，驱赶油气及氧气，控制二次密封腔内可燃物及助燃剂的浓度。同时，在浮盘靠近罐壁一周增至导静电连接导线，以加强静电导除措施。在浮顶油罐的二 次密封圈处设置热点探测预警系统，当温度超过设定值时及时报警进入消防灭火程序。除此之外，加强油罐区的消防安全管理，对于减少油罐区遭雷击爆炸火灾事
5、件的发生具有重要的意义。 关键词 雷电灾害；现代防雷体系；浮顶罐充氮技术 II Abstract In recent years, the design level of domestic oil tank and construction technology in China has been unceasingly enhancing, and the capacity and the number of large-scale oil tank is growing. But according to relevant industry data records, all kinds
6、of oil tank fire accidents were caused by lightning, 60% in the total. So lightning is one of the important reasons causing the tank area fire visibly. This topic is in the range of research in the China east sea city， Zhoushan, in Zhejiang province, which is a frequent activity area of lightening.
7、In this region, the large-scale oil tank area may suffer the risk from lightning badly. This article analysis the advantages and disadvantages of modern lightning proof technique ,including direct lightning protection technology, common grounding system, equipotent connection technology, shielding t
8、echniques, install electronic lightning arrester, integrated wiring technology. And according to zhoushan island nature of lightning activities, we find the traditional installations such as lightning rods and lightning belt are not suitable for the effective lightning protection of large tanks. So
9、we put forwards to the lightning protection measure filling nitrogen into tanks floating dish. Tanks filling nitrogen technology is an innovative idea. First, add combustible gas concentration monitoring alarm in the second sealing lumen, when oil and gas concentrations reach to the police. Secondly
10、, fill nitrogen to the second sealing cavity when the concentration of oil and gas beyond the limit, drive the oxygen and the oil gas, and control the concentration of the burnable and the accelerant in the second sealing lumen. Meanwhile, conduct electrostatic interconnects around the wall near the
11、 float in order to strengthen the static conductance except measures. Set the hot detection warning system in the second sealing of floating tank when the temperature exceeds the police, and take the fire extinguishing procedures timely. In addition, strengthening the fire safety management has the
12、vital significance for reducing fires events of oil tank areas which are struck by lightning. Key words Lightning disasters; Modern lightning protection systems; Tanks filling nitrogen technology 1 1. 前言 在经济全球化的当今社会，石油是世界各国经济发展的重要资源，也是影响国际局势的重要影响因素。石油的资源分布、产出能力、价格波动、与出口国之间的友好关系等都关联着各国政治政策方针的变化，竞相开采和
13、储备石油能源已成为各国应对重大政治、经济危机的重要战略措施。同时，我国石油资源面临着严峻的考验，把加快 发展油罐大型化以提高我国石油储备能力作为我国能源战略规划的重要措施刻不容缓。 近几年来我国国内储油罐的设计水平及建造技术不断提高，大型储油罐的容量和数量也与日俱增。 2000年后我国已经掌握了大型油罐的设计方法和建设施工技术，中国石油天然气集团公司，中国石油化工集团公司已拥有专业化的大型储罐设计、施工队伍。 2003年在镇海、岙山、黄岛、大连四个沿海地区建设了第一批战略石油储备基地，标志着我国大型油罐建设水平走向成熟。目前浙江舟山地区分布多个大型储油罐区，其中最大单个油罐容量已达到 15万立
14、方米。 然而，储油罐遭 雷击起火爆炸的事件连续发生。最近一次是在 2010年 3月，镇海国家石油储备库 G- 49号 10 104 m3储油罐遭雷击，造成浮顶与罐壁间的二次密封局部起火，二次密封80%损坏， 7个呼吸阀断裂。 雷电是造成油罐起火爆炸的重要原因之一，尤其是用于储存原油的大型浮顶储罐，遭雷击后有可能引发爆炸火灾事故。因此，认识雷电的形成、类型、危害，尤其是对大型浮顶油罐的危害，对于研究浮顶罐有效防雷的关键技术有其重要的意义。 2.雷电 2.1 雷电的形成 雷是一种常见的自然现象。雷电是带有异性电荷的雷云或者是一部分带点的云层对大 地进行放电，发生强烈的闪光并伴随巨大的声音。这种放电
15、主要对地面上的建筑物、建筑物内的设备，以及对人、牲畜产生巨大的杀伤力，这就是雷击。 雷电与油品储运收发作业过程中产生的静电不同，它的形成与大气温度、湿度及大地地形等诸多因素有关。其特点是放电电压高（ 50 万伏以上）、电流幅值大（ 10-330 千安）、变化速度快、电波过程时间短（几百微妙），比一般静电的能量大 1。 雷电主要以其热效应、机械效应、反击电压、雷电流的电磁感应及跨步电压等产生破坏作用，从而给人类带来巨大的危害。 雷击的形式主要有三种：一种是带电的云层 与大地的某一点之间发生迅猛的放电现象，叫“直击雷”。其次一种是当直击雷放电以后，带电的云层迅速消失，但地面上某一范围内由于电阻大，
16、散流慢，出现了局部高电压并发生电磁感应现象，称为“感应雷”。另外一种雷叫做“球形雷”。所谓“球形雷”是指在雷雨天，一些带颜色的火球（如蓝色、紫色、红色等）在空中、地面水平方向移动或滚动，其直径十至几十厘米，有些甚至超过 1 米。这种火球能通过烟囱、开着的窗户、门和其他建筑物缝隙进入室内，或无声的消失，或发出丝丝的声音，或发生剧烈的爆炸 2。 2.2 雷电引发油罐起火的形式 2.2.1 直击雷 大气中的正电荷移动到油罐上方及周边地区，与油罐上方的负电荷形成垂直向上的大气2 电场。当积聚电荷大于放点的临界点时，雷电强大的电流接触油罐金属物体放电，产生直击雷。 直击雷击中油罐时伴随热效应和机械效应，
17、由于电能向热能的转换 , 雷击点会产生强烈的电弧 , 使金属熔化或飞溅 , 直接点燃此处存在的油气与空气的混合物 , 引起爆炸火灾事故 。由此可见，直击雷是引发油罐雷击起火的主要方式。 目前针对直击雷的频繁活动采取的防雷安全措施主要是在油罐顶部安装避雷针，将雷电电流引入大地，保护油罐。但是避雷针除了可以消除直击雷 的破坏之外自身却有放电效应，实际上又起到引雷作用，增加了油罐遭雷击的概率。根据 GB50074-2002石油库设计规范中 14.2.3的第 2条：浮顶油罐或内浮顶油罐不应装设避雷针 3。所以对于直径 80-100m的大型浮顶储油罐来言，安装避雷针已不再现实，而要采取其他的防雷措施。
18、2.2.2 感应雷 当直击雷发生以后，大气电离层所带的正电荷消失，油罐由于接地电阻大会出现局部高电压，或在直击雷放电过程中产生的电流对油罐周围的金属物体电磁感应出高电压，再次发生闪击现象即感应雷。电效应产生的电流在比如油罐没有设置 接地装置或者油罐相对绝缘物体上的静电荷变成自由电荷向大地泄散受阻的情况下 ,如果 存在空气间隙就产生电弧火花 ，与油气混合物接触发起爆炸火灾事故。 雷电感应破坏多是因为油罐周围的金属物体及电源或监控线路引起的，宜采取电缆直接埋地敷设和屏蔽线路，做好接地方式。另外针对感应雷的预防措施还有采用静电屏蔽，就是用金属网构成笼式防雷网罩住储油罐 ,防止感应雷进入绕击储油罐 ,
19、 从而保护储油罐 4。现在也有人正在研究一种新的防雷技术 半导体消雷器，对直击雷和感应雷的预防都有一定的效果，有待在油罐防雷技术实践中验证。 2.2.3 雷电波侵入 当雷电击中户外架空线路、地下电缆或者其他金属管道是，雷电波就会沿着这些管线侵入室内，使与之连接的用电设备遭受破坏，或引起人身伤亡，这种形式的雷击称为雷电波侵入。 雷电波侵入与雷电感应具有基本相同的特点，但所形成的电压电流幅度比一般雷电感应要大，带来的破坏也更严重。防止雷电波侵入的方法，对不同类别建筑物有不同要求，最主要的措施是： 1）在输电线、信号线进户处安装电涌保护器； 2）将电缆穿金属管道埋地引入，并将金属管道可靠接地。 2.
20、2.4 高电位反击 在装有防雷装置的场所，都有专用的接地点，各接地 点都有一定数值的接地电阻。当通过防雷装置的雷电流泄放入地时，接地点将产生瞬时高电位。雷电流越大，则产生的电位越高。尤其是避雷针，当雷电流通过引下线入地时，产生的瞬时高电位可达数千伏至数万伏。这种高电位，对附近的电气线路和电气设备将产生反击，导致电气线路和设备内部的绝缘击穿或电器损坏。 为了防止高电位反击，应尽可能减小接地电阻和雷电流幅度；应使附近的金属物和电气线路与防雷接地体之间保持足够的距离；对新建筑物宜采用以其基础钢筋为接地体的共用接地系统，并将室内电气设备金属外壳、支架、管道、电缆桥架等与共用接地系统 进行等电位3 连接
21、。 2.2 5 球形雷击 球形雷是伴随大气中雷电现象而产生的一种球形闪电，简称球闪。一般是在雷电频繁的雨天发生，呈现圆球状，看上去像一团发光的火球，常常缓慢地再空中飘忽游荡，有时会从门窗、烟囱登堂入室，碰到障碍物就会发生爆炸。球雷的能量比较小，发生的几率也较少，但由于它飘忽不定，人们防不胜防，常常遭到它的袭击。 2.3 雷电的危害 自然界每年都有几百万次闪电。由相关数据表明，在全球每年发生的自然灾害中由于雷电造成的损失已经上升到了第三位，造成人员伤亡事故数不胜数、财产损失无法估计。在我国，每年 因雷电灾害造成的人员伤亡达 3000 多人，财产损失在 50 亿元人民币以上。 当今人类社会己进入高
22、度信息化的发展阶段，但仍然受到能源、环境和安全这三大因素的困扰，特别是安全。安全是维持人们正常生活、工作的基本条件，造成不安全的因素很多，主要包括自然灾害和人为灾害。一直以来人类始终以顽强不息的精神与各种灾害进行着顽强的搏斗，对雷电的防护也不例外。 雷电引发的自然灾害对人类生活和工作环境有巨大的破坏。欧洲著名的保险机构德国慕尼黑 TELA 保险公司在 1994 年统计过欧洲各国用户由于部分自然灾害造成的损失，如图 2-1所示。 由图可见，在所有灾害中雷电引发的自然灾害占比重最大。据统计，因雷电造成的经济损失我国在亿元以上。 图 2-1 1994年部分灾害造成的损害统计 Figure 2-1 D
23、isaster in 1994 caused some damage to the census and statistics 2.4 舟山群岛雷电活动特征分析 位于中国东海的浙江省舟山市，不同于内陆地区，舟山由 1390 个岛屿组成，其中人居岛屿为 98 个，陆地面积共约 1440 平方千米，海洋面积共约 1440 平方千米。舟 山群岛的大地构造复杂，多为海岛丘陵，地貌构造为高丘 一低丘一平原一滩涂一海域。群岛的气候类型为受海洋影响明显的北亚热带季风气候。其独特的地理位置和气候，在雷电活动规律方面，显示33.8%11.1%9.3%8.7%4.3%3.6%3.4%2.2%23.6%0 5 10
24、 15 20 25 30 35 40其他偷机动车火灾水灾短路过失、失取破门盗窃摔损过电压/间接雷击4 出与邻近大陆不同的地域特征。 根据统计，定海站测得的年平均雷电活动日数 42.4d/a，平均雷暴日数 29.3d/a，年平均闪电日数 13.1d/a。嵊泗站测得的年平均雷电活动日数 39.5d/a，年平均雷暴日数 22.1d/a，年平均闪电日数 17.4d/a7。 舟山为双峰型，主峰在 7、 8 两月；次峰在 3 月，如图 2-2 所示。舟山地区的平均初雷 日出现在 2 月底 3 月初；平均终雷日出现在 10 月中旬；全年雷电（暴）日初终日跨度最大为 289 天。 而雷暴活动在每天各个时间段分
25、布也不均匀，相对旺盛时期是午后和上半夜，晚上 20 至 21 点是全天的最高峰。 另外舟山其独特的地理位置和气候对闪电的密度分布也有其一定的影响，山丘、空旷地带（尤其是滩涂）的闪电密度较大。可见，舟山是一个雷电活动频繁的地区，处于该地区的大型油罐区遭受雷击的危险性很大。 图 2-2 逐月雷电日数变化对比图 Figure2-2 Comparison of monthly thunderstorm and lightning days between Dinghai and Shengsi stations 3.防雷电关键技术 3.1 现代防雷体系概述 随着科学技术的日益发展，虽然人类目前还不能完
26、全控制雷电，但是经过长期的探索与实践，已积累了很多的防雷知识和经验，形成了一系列行之有效的防雷方法，逐步建立起现代防雷体系。所谓现代防雷体系，就是在分析雷害成因的基础上，划分不同层次的防雷区域，采用不同的防雷措施，全方位、多层次安设保护装置，在很大程度上提高了整体防雷的可靠性。 现代防雷体系是一项重大的系统 工程，它正面临着一个观念上、方法上的转变。常规的避雷针和避雷线主要是一位空间防御；避雷带和避雷网是二维空间防御；现代防雷体系则是三位立体空间的防御。防御的界限也大大的延伸了，因为闪电和感应雷是发生在整个空间范围内，从大气对流层直到大地表层以下，全方位地危及人类的生命和财产，上自航空航天飞5
27、 行器，下至地下的电缆、光缆、油管、气管，矿井等，无不受到其侵袭之灾，因此应把防雷的界限延伸到更广阔的范围。把需要保护的空间划分为不同的防雷区，层层设防，既经济省事，又安全可靠。 3.1.1 现代防雷体系的组成 现代防雷体系从 大地及其外围空间来说课划分为三个防雷区域，即高空防雷区、低空防雷区和地下防雷区。这三个防雷区域各有一定的独立性，相互又有一定的关系，可以说三个防雷区域是三个子防雷体系，由三个子防雷系统组成一个总防雷体系。下面对三个防雷区域的雷害情况和防雷措施分别加以介绍。 1、 高空防雷区 高空防雷区位于大气对流层，在地面以上约 2-14km。在雷雨季节，该区域经常有大量雷云生成，易发
28、生云闪和直接雷击，同时形成感应雷，对现代宇航火箭、飞行器和航空、航天飞机等造成巨大的破坏。飞机遭雷击事故也很频繁，据美国联邦航空局调查，喷气式名航机平均飞行 5000-10000h 就要遭一次雷击。仅 1965-1966 两年中，该局就收到约 1000 份飞机被雷击的报告。近几年来我国民航机在武汉等地也多次遭到雷击事故。 2、低空防雷区 低空防雷区是地面上空的防雷区域，高度范围约 0-1km。在该区域内，雷击的主要形式是直击雷和感应雷，它给地面生物、建筑物、电力设备和信息系统等带来巨大的危害。由于这个区域是人类的主要生活空间，所以防雷也就特别重要。除了常规的防避直击雷的接闪装置外，为了防避雷击
29、电磁脉冲对现代电子信息系统的侵袭，必须采用一些新的综合防护措施，如整体的与局部的电磁屏蔽装置，联合接地与等电位连接装置等。 3、地下防雷区 地下防雷区是指在地面以下的防雷区域，例如埋在地下的电缆与光缆就时常会遭雷击，地下隧道、铁道和地下矿井作业也多次发生过雷害事故。以埋地电缆为例，埋地电缆遭雷击的形式，主要有直接雷击和高电压放电两种。如果电缆埋得距地面较近，落地雷正好击中电缆，造成电缆绝缘层损坏和芯线熔断等情况，即为直接雷击。土壤电阻率越高，埋地电缆越同意被雷击。 3.1.2 现代防雷体系的特点 根据上面的讨论分析，对现代防雷体系的主要特点可归纳如下： 1）现代防雷体 系的范围包含有高空防雷区
30、、低空防雷区和地下防雷区三个层次。这三个层次的防雷效果是互相有联系、有影响的。 2）现代防雷体系中要考虑的雷击形式，除直击雷外，还有雷击电磁脉冲、雷电波侵入和高电压放电等。 3）现代防雷体系的各种技术措施都不是孤立的，而是互相有影响、有联系的。譬如建筑物防直击雷安装避雷针，与室内电子设备防雷击电磁脉冲安装 SPD，两者都是互相有联系的，在总体防雷效果上是互补的。建筑物各防雷区 SPD 的防电涌效果，与接地和等电位连接关系又是密切的。 6 4）现代防雷技术是多科学知识的结晶。它应用到的技术和基础 理论包括：线性与非线性电路理论、电磁场理论、气体放电理论、高频传输线理论、计算机网络技术、现代通信技
31、术、固体及气体微电子技术、高电压技术、模拟及数字电路技术、新材料技术等。 5）现代防雷体系是一项重大的系统工程，从雷电防护专业性质来分，它主要包括下列三个子系统：直击雷防御系统、雷击电磁脉冲防御系统、雷电探测及预警系统。 现代防雷技术从防护效果方面来看，基本上是成功的、可靠的，对保护人民生命财产和信息系统的正常运行起了很大作用，但是还不能做到百分之百可靠。其主要原因在于现代防雷的技术措施基本上是被动式的。要变 被动为主动，必须从根本上控制雷电的形成和发展，即在高空区域就把雷害之源消除掉。这一方面依赖于新型消雷技术的发展，另一方面依赖于高性能雷电探测和预警系统的建立。 3.2 综合防雷技术 3.
32、2.1 直击雷防护技术 建筑物直击雷防护装置一般由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。 避雷针是最常见的接闪器，由于它高出被保护物，又和大地直接相连，当雷云接近时，它的顶部与云之间的电场强度最大，因而可将雷云的电荷吸引到避雷针本身，并经过引下线和接地装置将雷电流安全地泄放到大地中去，使被保护物免受直接雷击。 建筑物防雷设计要求 做到安全可靠、技术先进、经济合理。应在认真调查地理、地质、气象、环境等自然条件和雷电活动规律以及被被保护物的特点等基础上，详细选择防雷装置的形式，并合理布置。接闪器和引下线有足够大的截面积，避免雷电流通过时引起熔断，或温度过高而引起火灾，保证连接线路有合理的结构，防止电
33、动力的破坏，防止雷电流通过接地装置时产生的高电位及其它电气设备的反击。 3.2.2 雷电感应过电压防护技术 建筑物外部装设接闪器，不仅对防避直击雷是必要的，对防避感应雷也是需要的。因为当天空存在带有大量电荷的雷云时，如果没有避雷针将其对地泄放 掉，对可能对建筑物或建筑物附近的树木等进行放电，形成直接雷击。当其雷击电磁脉冲比较强大时，室内信息系统即使安装了 SPD，也难免不遭到破坏。因此建筑物一般都需要安装避雷针。有些建筑顶部不装避雷针，而是装避雷带或避雷网，其保护功能也是类同的。 值得注意的是：当接闪器通过引下线向大地泄放电流时，如果对雷电流幅度不加以限制，由此所产生的雷击电磁脉冲和高电压反击足以使引下线附近的微电子设备被击坏。为减小避雷针等接闪器雷电流带来的感应过电压和高电位反击，可以采取一些有效措施分散引下线中的雷电流。例如利用建筑物混凝土立柱 中的钢筋作为引下线，就是一种较好的技术措施，而且引下线的数量越多效果越明显。 从防护功能上来分，雷电感应过电压防护除了充分利用直击雷防护的措施外，主要有以下基本措施： 1）建筑物内部线路上装设电涌保护器； 2）电磁屏蔽措施； 3）接地与等电位连接措施。 3.2.3 共用接地 将电力系统或电气装置的某一部分经接地线连接到接地体称为接地。接地是防雷技术最
