浮顶储油罐雷电防护安全监控预警系统的开发与应用

王延昌钱志凡赵 辰肖 扬.北京骏陇国际石油工程技术有限公司 .中国石化管道储运有限公司



浮顶储油罐雷电防护安全监控预警系统的开发与应用

王延昌1钱志凡2赵 辰1肖 扬1
1.北京骏陇国际石油工程技术有限公司 2.中国石化管道储运有限公司

【摘要】通过浮顶罐雷击火灾致因分析，克服已有技术的不足，提出了一种浮顶罐防雷安全监控预警系统，可实现浮顶罐浮盘可靠接地、接地阻抗实时监测、预警报警和远程监控等功能，为保障外浮顶储罐的防雷防静电接地安全提供有效解决方法。系统的应用取得了良好的使用效果。

【关键词】浮顶罐；接地安全；阻抗监测；监控预警

据统计，全世界每年近20起油罐火灾事故中约1/3由雷电引起。在我国各行业各类油罐火灾原因中，被确定为雷电的占总数61％。

近年来，国内外大型原油储罐日益增多，尤其是浮顶罐储罐区总储量及单罐容量越来越大，雷电导致的火灾事故风险不断增大。如我国某公司先后在2006年发生15万立原油储罐雷击导致油罐顶部火灾；2007年10万立储罐罐顶部遭受雷击，引燃原油；同年10万立外浮顶钢制储油罐遭受雷击，一、二次密封间着火；2010年，10万立外浮顶钢制储油罐遭雷击引起油罐浮盘密封处火灾；2012年，日本三井化学石油化工总厂遭雷击导致1死25伤，直接损失超4千万美元；2011年，美国德州帝国石油天然气厂雷击导致设备损坏，直接损失超53万美元。

由于原油具有易流失、易燃烧和易爆炸等性质，一旦发生火灾或爆炸，将造成生命、财产的重大损失。

1　浮顶罐雷击火灾发生机理

根据国内外油罐火灾原因分析可知，多数油罐起火是由于发生雷击时的感应雷引起油罐的浮顶和罐壁产生电位差而发生闪络造成。浮顶罐的浮盘与罐壁有间隙，雷击过程中，导致浮盘滞留束缚电荷，其将通过非接地回路向罐体罐壁中和放电，形成二次电弧。二次电弧发生在储罐一次和二次密封处，正处于爆炸危险环境区域内，遇达到爆炸混合比的油气，即引起火灾。因此，有效消除油罐浮顶与罐壁之间的电位差是防止油罐雷击着火的关键。

2　现有主要安全措施及不足

当前，我国对油罐浮顶与罐壁等电位的解决方法主要采取以下几种方式：

（1）设置分流片。

由于原油的绝缘性很好，分流片长期运行极易发生接触不良的情况，不管分流片在顶部还是底部，与罐体内壁之间任何情况下都有可能产生电弧，如果分流板位于顶端，产生电弧的位置正好位于较高浓度油气混合区。此外，由于雷电的高强度和指向性，即使少数分流片接触不良，也能产生火花。

（2）扶梯连接。

由于在扶梯滚轴与其他节点之间接触电阻存在不确定性。因此，浮盘和罐体之间有可能产生大的电位差。

（3）采用软铜复绞线连接浮盘和罐体。

其存在问题是导线过长，高液位时缠绕导致交流阻抗较大，此外还存在腐蚀、老化引起有效面积减少、断裂；两端连接部位接触不良等问题。

（4）采用伸缩式接地装置，连接浮盘和储罐罐壁，进行等电位连接。

此法主要是发生损坏或接触不良时不能实时发出报警。

以上这几种方法都存在一个共性问题就是目前只进行罐壁接地电阻检测，没有开展浮顶与罐壁及浮顶对地电阻的检测，即使罐壁的接地检测也是非连续性的，发生电阻超标是不能及时发现并报警，因此难以有效保障浮顶罐的有效接地和实时掌控浮顶罐的接地情况。为解决上述问题，开发可靠的浮顶与罐壁等电位连接设备，并具备接地安全实时监控报警等功能于一体的浮顶罐雷电防护安全监控预警系统具有重要的现实意义。

3　安全监控预警系统开发

为克服已有技术的不足，开发了一种浮顶罐雷电防护安全监控预警系统，将浮顶罐浮盘有效接地、接地阻抗实时监测、预警报警和远程监控很好的整合在一起，为保障外浮顶储罐的防雷防静电的安全提供有效解决方法。该系统主要由可伸缩式接地单元（RGA）、接地阻抗监测单元、监控预警单元和远程监控单元组成，系统的总体结构，如图1。

图1　浮顶罐防雷安全监控预警系统总体结构

可伸缩式接地单元（RGA）包括数个可伸缩式接地设备，用于连接储罐浮盘和罐壁，RGA通过导线将浮盘与罐壁连接形成等电位，RGA导线随浮盘下降和上升而自动伸出和缩回卷起，使得导线始终处于最短状态，具有最小的电阻，减小浮盘对罐体电容放电的时间常数，加快电流释放速率，抑制电弧发生，可伸缩接地单元，如图2。第三代的RGA导线采用特别制材料制作，快速伸缩无火花产生，防风摆，耐腐蚀性强，保证浮盘和罐壁有效的电气通路。RGA使得浮盘和罐壁间始终保持最小阻抗，典型的浮顶储罐储量在80％时，可伸缩性接地装置的阻抗只有常规旁路导体15％。RGA配置数量由储罐储存介质、储罐容量等因素综合决定。

接地阻抗监测单元由监控卷盘、接线盒和监控器组成，接地阻抗监测单元通过三根电缆分别与储罐浮盘、储罐底座连接点和接地点连接，用于实时检测储罐浮顶的接地阻抗，分析、处理、判断接地阻抗是否大于接地标准值，在线显示并储存储罐接地状态信息，若监测到阻抗值超过标准值则显示红色，未超过设定值，显示绿色，如图3。接线盒连接监控卷盘和监控器，实时地发送信号，得到浮盘与外浮顶油气储罐接地即时的电阻值，监测系统监测到大于10Ω，显示红色，工作人员可在收到红色警报后，立即采取措施，及时进行维修，避免储罐遭遇雷击时电流不能有效泄流入地导致事故。

图2　可伸缩接地单元

图3　接地阻抗监测单元

监控预警单元包括采集传输模块、监控工控机、声光报警器和工业路由器，采集传输模块从各防爆接地阻抗监测器采集到阻抗信号并传输到监控工控机，监控工控机对各储罐接地情况进行智能处理分析判断储罐接地情况，若分析得出状态异常发出预警报警信号，触发声光报警器发出声光报警信号，提醒相关人员对现场接地设备进行及时处理和维修。

远程监控单元包括Internet、3G/4G网络、路由器、计算机和移动智能终端，其中，移动智能终端通过3G/4G网络随时随地远程监控现场各储罐接地状况并接收来预警工控机的预警报警信号，计算机通过路由器和Internet网络远程监控储罐的状态。防爆接地阻抗监测器与采集传输模块通过线缆连接；采集传输设备与监控预警工控机通过485总线连接；监控预警工控机与工业路由器通过网线连接；工业路由器与Internet通过光纤网络连接；PC机与工业路由器通过网线连接，移动智能终端通过3G/4G网络进行通讯。

4　系统特点和应用效果

本系统将浮顶罐浮顶有效接地、实时监测、预警报警、远程监控等功能集成一体。系统采用第三代防爆可伸缩式接地设备，随储罐浮盘升降而自动伸缩始终保持最小阻抗，有效减少由雷电引起的浮顶罐油罐火花放电，同时系统实时监测储罐整体接地阻抗，对接地安全和设备异常状态进行预警报警，及时提醒相关人员对接地设备或相关设备进行修理，从而有效保障浮顶罐的防雷接地安全。该系统在大型浮顶储油罐进行的应用表明，系统的性能稳定可靠，适用于腐蚀性、爆炸性环境，施工维修简单量少，安全状态实时监控，异常情况能及时报警，可有效降低因雷击引起的火灾事故风险。

参考文献

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