1、LNG儲罐儀表系統防雷設計方法
雷電防護系統包括外部和內部雷電防護系統，其中外部雷電防護系統通常由接閃器、引下線和接地裝置組成，用于防護直擊雷；內部雷電防護系統通常由等電位連接系統、共用接地系統、屏蔽系統、合理布線、浪涌保護器等組成，主要用于減少和防止雷電流所產生的電磁效應。儀表系統雷電防護通過采用外部雷電防護和內部雷電防護措施進行綜合防護。
LNG儲罐一般設計為第二類防雷建筑物，在工程設計中，由電氣專業負責LNG儲罐的直擊雷防護設計，設置避雷針、接閃帶、接閃網、引下線及環形接地裝置。LNG儲罐上的現場儀表均在直擊雷防護范圍內。自控專業主要負責現場儀表的防雷設計、控制室儀表系統的防雷設計及電纜的屏蔽。
2、LNG儲罐現場儀表的防雷設計
現場儀表的防雷設計主要包括儀表的接地及安裝浪涌保護器。
①LNG儲罐現場儀表的接地
現場儀表及接線箱的金屬外殼應就近接地或與接地的金屬體相連接。通過接地可以抑制雷電電磁脈沖的電磁感應和靜電感應。LNG儲罐所有金屬結構全部采用等電位連接，鋼框架、爬梯、欄桿等與接閃網直接連接。在現場儀表及接線箱的安裝支架上設置接地螺栓，使用 6mm2接地線將儀表及接線箱的外殼與安裝支架連接，金屬支架的底板一般焊接在LNG儲罐平臺的鋼結構上，從而實現了現場儀表的接地。針對安裝在LNG儲罐罐頂環形通道內的儀表，其安裝支架通過膨脹螺栓固定在混凝土地面上，并且使用接地線將安裝支架就近與平臺鋼結構或欄桿連接。
②浪涌保護器
浪涌保護器是一種限制瞬態過電壓和分走浪涌電流的器件。浪涌保護器并接在被保護設備的前端，在無浪涌出現時為高阻抗(即開路狀態)，當出現浪涌時就在最短的時間內(納秒級)迅速將雷電流泄放到地，從而保護了被保護設備。現場儀表浪涌保護器的形式包括裝配式浪涌保護器、集成式浪涌保護器和通用式浪涌保護器3種。其中，集成式浪涌保護器由儀表廠家集成在儀表內部，性能和規格參差不齊，使用時應注意產品的技術規格是否滿足設計要求。工程設計中一般選用裝配式浪涌保護器及通用式浪涌保護器。
國家標準《液化天然氣接收站工程設計規范》GB51156-2015中，要求液化天然氣儲罐罐頂儀表應設置浪涌保護器。行業標準《石油化工儀表系統防雷設計規范》SH/T3164-2012中，列出了需要在現場端設置浪涌保護器的儀表類型。根據現行規范要求，針對LNG儲罐上變送器、閥門定位器、電磁閥、火焰檢測器、可燃氣體檢測器等現場儀表應設置浪涌保護器。
根據現場儀表的安裝方式、信號線制(兩線制或三線制)、電氣接口尺寸及電氣接口數量，對應選擇浪涌保護器的類型。針對有備用電氣接口的儀表(如壓力變送器等)，配置裝配式并聯浪涌保護器，將浪涌保護器安裝在儀表的備用電氣接口上，信號電纜通過單獨的電氣接口接入儀表內部；針對沒有備用電氣接口的儀表(如溫度變送器等)，配置裝配式串聯浪涌保護器，將浪涌保護器安裝在儀表的電氣接口上，信號電纜通過與浪涌保護器共用的電氣接口接入儀表內部。兩種類型的裝配式浪涌保護器接線示意圖如圖1和圖2所示。
圖1 裝配式并聯浪涌保護器接線示意圖
圖2 裝配式串聯浪涌保護器接線示意圖
針對安裝在接線箱內的儀表(如用于測量LNG儲罐內部表面溫度的分體式溫度變送器)，配置通用式浪涌保護器，通過金屬導軌與所保護的儀表安裝在同一個接線箱內。接線箱內變送器的輸出信號通過電纜接入浪涌保護器的輸出端子，去控制室的信號電纜接入浪涌保護器的輸入端子。通用式浪涌保護器的安裝示意圖如圖3所示，接線箱中上方為浪涌保護器，下方為溫度變送器模塊。
圖3 通用式浪涌保護器安裝示意圖
浪涌保護器的重要參數包括最大持續運行電壓Uc、標稱放電電流In、電壓保護水平Up、響應時間等。結合規范要求及主流產品的技術參數，工程設計中針對24VDC供電的儀表，要求浪涌保護器應滿足Uc≥36V、In(8/20μs)≥3kA、Up=60V、響應時間≤5ns。用于爆炸危險環境中本安儀表的裝配式浪涌保護器，還應取得本質安全認證。
3、LNG儲罐控制室儀表系統的防雷設計
控制室儀表系統的防雷設計主要包括機柜的接地及安裝室內浪涌保護器。
①機柜的接地
LNG儲罐儀表控制系統包括過程控制系統、安全儀表系統、火氣檢測系統及成套包控制系統(罐表系統、低壓泵振動監測系統等)。控制系統機柜一般設置有系統柜、安全柵柜、繼電器柜、端子柜、電源柜、網絡柜等。針對裝有浪涌保護器的機柜，在機柜內設置浪涌保護器匯流條、工作接地匯流條(LG)及保護接地匯流條(SG)，工作接地匯流條通過6mm2接地線與浪涌保護器匯流條相連接。浪涌保護器機柜內的接地原理圖如圖4所示。針對不安裝浪涌保護器的機柜，在機柜內設置工作接地匯流條及保護接地匯流條。
圖4 浪涌保護器機柜內的接地原理圖
在控制室機柜間設置工作接地排、保護接地排、分組接地排、總接地排。總接地排通過接地總干線與控制室外的全廠接地網相連。針對安裝浪涌保護器的機柜及與浪涌保護器機柜有線路聯系的機柜，機柜內的接地匯流條均通過接地線就近與分組接地排連接，分組接地排再通過接地干線與總接地排連接。針對不安裝浪涌保護器并且與浪涌保護器機柜沒有線路聯系的機柜，機柜內的工作接地匯流條、保護接地匯流條分別與工作接地排、保護接地排相連接，然后通過接地干線與總接地排連接。
②室內浪涌保護器
LNG 儲罐接入控制系統的信號分類如下:
1)模擬量輸入(AI)信號4-20mA信號，包括兩線制及三線制信號；主要為溫度/壓力/液位/流量變送器、火焰檢測器、可燃氣體檢測器等儀表輸 入的信號。
2)模擬量輸出(AO)信號4-20mA信號；主要為輸出到I/P定位器、PST控制器的信號。
3)數字量輸入(DI)信號包括NAMUR信號及無源接點信號；主要為閥位開關、手動按鈕輸入的信號及狀態信號、報警信號、系統間互傳信號等。
4)數字量輸出(DO)信號包括本安電磁閥驅動信號、無源接點信號、24VDC輸出信號；主要為輸出到電磁閥(本安/隔爆)、聲光報警器的信號及遠程啟停信號、聯鎖信號等。
5)通信信號包括MODBUS RUT及MODBUS TCP通信信號；主要為罐表系統、低壓泵振動監測系統等成套包設備的信號。
針對現場的模擬量輸入信號、模擬量輸出信號、數字量輸入信號、驅動本安電磁閥的數字量輸出信號，應在控制系統側配置浪涌保護器。針對現場數字量輸出信號中的無源接點信號及24VDC輸出信號，一般在控制系統側配置繼電器進行隔離，不再配置浪涌保護器。針對來自配電間、控制室的信號，如泵的遠程啟停信號、報警信號及成套設備的通信信號等，在控制系統側通常不需配置浪涌保護器。
針對本安電路，浪涌保護器和安全柵一般安裝在同一機柜內。可選擇插接式浪涌保護器，將浪涌保護器直接安裝在安全柵模塊上，從而進一步節省機柜內空間。
4、電纜的屏蔽
電纜是控制回路中最長的部分，容易通過近場的耦合將雷電浪涌引入儀表及控制系統。電纜屏蔽是儀表系統防雷設計的一項基本措施，利用電纜內屏蔽層和電纜外屏蔽層構成了雙層屏蔽。電纜內屏蔽層的單端接地可以抑制靜電感應(即電容性耦合)，但抑制不了由于電磁感應(即電感性耦合)所產生的干擾。通過電纜外屏蔽層的兩端或多端接地，可以有效抑制電感性耦合。
LNG儲罐與控制室之間設置有鋁合金槽式電纜橋架，電纜橋架與現場儀表或接線箱之間設置穿線鋼管，穿線鋼管之間通過鋁合金穿線盒連接。室 外的儀表電纜全程穿鋼管或在封閉橋架內敷設。LNG儲罐項目工程設計中儀表電纜一般選用分屏加總屏的非鎧裝電纜，電纜內屏蔽層利用電纜的分屏蔽層，電纜外屏蔽層利用電纜敷設的橋架及穿線鋼管。電纜內屏蔽層在控制室側單端接地，電纜橋架及穿線鋼管的兩端應與接地的鋼結構進行電氣連接。
儀表系統防雷工程是一項系統工程，應采用綜合防護的方法，由多專業配合完成。該文結合LNG儲罐的工程設計經驗，詳細介紹了LNG儲罐儀表系統的防雷設計工作，包括現場儀表的防雷設計、控制室儀表系統的防雷設計及電纜的屏蔽。儀表系統的雷電防護措施，應在工程設計階段予以充分考慮，并體現在設計文件中，以保證在項目采辦和施工階段的有效實施，從而避免或減少儀表系統雷電事故的損害。
作者：海洋石油工程股份有限公司 吳鑫、張喜強、王乃民、黃洲
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