沼气工程防雷设计探讨

卢新社， 刘 耕， 袁建永， 张林灿， 陈焕军， 史晓光

(1.河南省漯河市临颍县农林局， 河南 临颍 462600； 2.河南省农村能源环境保护总站， 河南 石家庄 450002)

通过沼气工程的建设运营，不但可以处理工业、农业以及养殖业等各种有机废弃物，而且可以产生沼气、沼渣和沼液。沼气可以做饭、照明、发电、车用燃料、工业原料用等，而且沼渣和沼液是非常好的优质农作物肥料。因此，近年来，特别是在农业以及养殖业方面，为贯彻落实中央关于建设生态文明、做好“三农”工作的总体部署，适应农业生产方式、农村居住方式、农民用能方式的变化对农村沼气发展的新要求，积极发展规模化大型沼气工程，并开展规模化生物天然气工程，以推动农村沼气工程向规模发展、综合利用、科学管理、效益拉动的方向转型升级，全面发挥农村沼气工程在提供可再生清洁能源、防治农业面源污染和大气污染、改善农村人居环境、发展现代生态农业、提高农民生活水平等方面的重要作用。因此，沼气工程建设已步入了快速发展的轨道。为适应新的形势和机遇，保障沼气工程的运行安全，本文对沼气工程整体的防雷设计进行了系统梳理，以期提高我国沼气工程防雷击设计方面的整体水平。

1 沼气的特性

沼气中的主要成分是甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)和少量的硫化氢(H2S)、氢(H2)、一氧化碳(CO)、氮(N2)等气体。其中甲烷占50%～70%，二氧化碳占30%～40%，其他成分含量极少。

甲烷是无色、无臭的气体，分子式CH4，分子量为16.04，在0℃ 101325 Pa标准状态下，甲烷对空气的相对密度为0.5548，沼气约为0.94；甲烷的热值为35.9 MJ·m-3，沼气低热值20.25 MJ·m-3。 由表1可以看出，甲烷(沼气)是一种易燃、易爆、易扩散的甲类可燃气体，遇热源、明火或雷电极易发生爆炸，产生严重的后果，所以必须在设计及施工阶段予以重视。笔者主要对沼气工程的防雷设计及注意事项进行探讨。

2 沼气工程防雷设计依据

沼气工程防雷设计依据以下标准：

《石油化工企业设计防火规范》(GB50160-2008);《石油天然气工程设计防火规范》(GB50183-2004);《石油库设计规范》 (GB50074)；《石油与石油设施雷电安全规范》 (GB15599-2009);《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2010);《建筑物防雷工程施工与质量验收规范》(GB50601-2010);《爆炸危险环境电力装置设计规范》(GB50058-2014);《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB50343-2012);《建筑物电气装置 第5-53部分 第534节》(GB16895.22-2004);《低压配电系统的电涌保护器(SPD)第12部分》(GB/T18802.12-2006);《低压电涌保护器 第22部分：电信和信号网络的电涌保护器(SPD)选择和使用导则》(GB/T18802.22);《建筑物防雷装置检测技术规范》(GB/T21431-2015);《民用建筑电气设计规范》(JGJ16-2008);《建筑设计防火规范》(GB50016-2014);《电力工程电缆设计规范》(GB50217-2007);《供配电系统设计规范》(GB50052-2009)。

表1 沼气特性表

3 工程主要建构筑物爆炸和火灾危险环境区域及范围划分

沼气工程的主要构筑物有原料(秸秆)堆场、原料(秸秆)粉碎间、进料间、厌氧消化器、脱硫装置、脱碳装置、沼气净化间、气柜、放散火炬、锅炉房、发电机房、压缩机房、控制室、高低压配电室、固液分离车间、有机肥车间、有机肥库房、维修间、办公楼等，按照《爆炸危险环境电力装置设计规范》(GB 50058-2014)以及上面相关规范，各主要构筑物爆炸性危险区域及危险区域范围划分如表2。

表2 主要构筑物爆炸性危险区域及危险区域范围划分表

4 工程主要建构筑物的防雷分类及依据

根据《建筑物防雷设计规范》(GB 50057-2010)、《民用建筑电气设计规范》(JGJ16-2008)、《石油与石油设施雷电安全规范》 GB15599-2009以及笔者多年的实际工程建设经验，沼气工程主要建构筑物的防雷分类及依据见表3。

表3 主要建构筑物的防雷分类及依据

5 工程防雷设计主要问题

沼气工程各类防雷建筑物均应设防直击雷的外部防雷装置，并应采取防闪电电涌侵入和雷电电磁感应(第三类除外)的措施，具体在设计时还应注意以下几个方面的问题：

5.1 接闪器问题

在一般情况下，除去1类雷建筑物(秸秆堆放场和膜式沼气气柜)需要采用独立避雷针、独立接地保护外，其余类别建筑物的接闪器均可采用避雷带、网带保护。保护范围的计算分别可按一，二，三类防雷建筑物的滚球半径(30 m，45 m，60 m)计算。建筑物顶部和外墙上的接闪器必须与建筑物栏杆、金属房顶、吊车梁、管道、设备、门窗、幕墙支架等外露的金属物进行电气连接。

5.2 引下线问题

各类防雷建筑物的引下线不应少于两根，并应沿建筑物周围均匀布设，其平均间距不应大于12 m，18 m和25 m；引下线两端应与接闪器和接地装置做可靠的电气连接；引下线安装与易燃材料的墙壁或墙体(或罐壁)保温层间距应大于0.1 m；引下线可利用建筑物的钢梁、钢柱、消防梯、检修梯等金属构件作为自然引下线，金属构件之间应电气贯通。

5.3 接地及接地冲击电阻的问题

尽可能利用建筑物桩基、梁、柱内钢筋做接地装置的自然接地体；在有人员常经过或停留的引下线与接地体连接处3 m范围内，应采用防止跨步电压对人员造成伤害的措施；接地体与建筑物之间的距离按设计要求，无设计要求时，人工接地体与建筑物外墙或基础之间的水平距离不宜小于1 m；如果建筑物的防雷接地是独立接地，一般要离开建筑物基础3 m以外；接地体的连接应采用焊接，并在焊接处做防腐处理； 一、二类防雷建筑物的接地冲击电阻<10欧，三类防雷建筑物接地冲击电阻<30欧。

5.4 等电位连接问题

对进出建(构)筑物的所有金属管线做等电位连接，并在建筑物入户处做总等电位连接；建筑物等电位连接干线与接地装置应有不少于两处的连接；第1类防雷建筑物和具有1区，2区，21区和22区爆炸危险场所的第二类防雷建筑物内外的金属管道、构架和电缆金属外皮等长物体的跨接，其净距小于100 mm时应采用金属线跨接，跨接点的间距不应大于30 m，交叉净距小于100 mm时，其交叉处也应跨接；当长金属物的弯头、阀门、法兰盘等连接处的过度电阻大于0.03欧姆时，连接处应用金属线跨接；室内电子设备的等到电位的连接方式应采用一点式方法接地，而不应互相串联连接接地，以免引起干扰现象。

5.5 屏蔽问题

对于沼气工程一，二类防雷建筑物内的电气和电子系统以及设在办公楼内的控制室内的电子系统需要进行防雷击电磁脉冲的设计。工作频率小于300 kHz的模拟线路，可采用星形结构(S型)等电位连接网络；频率为兆赫(MHz)级的数字线路，应采用网形结构(M型)等电位连接网络。对于管线的屏蔽，整段管线应金属连接良好，不应有空隙产生漏磁现象，如果距离太长，中间也要接地一次。电子设备的屏蔽应将设备的金属外壳采用一点的接地方式接地，如果体积过大，应有两点接地。接地的线径应大于6 mm为宜。同理，电子设备的放置问题，也应离开外墙、梁柱有一定的安全距离。在需要保护的空间内，采用屏蔽电缆时其屏蔽层应至少在两端并宜在防雷区交界处做等电位连接，系统要求只在一端做等电位连接时，应采取两层屏蔽或穿钢管敷设。在分开的建筑物之间的连接线路，若无屏蔽层，线路应敷设在金属管、金属格栅或钢筋成格栅形的混凝土管道内，这些金属物从一端到另一端是导电贯通的，并在两端分别连到建筑物的等电位连接带上；若有屏蔽层，屏蔽层的两端应连到建筑物的等电位连接带上。另外，室内的线缆布置应避开外墙、梁柱等雷电流集中流过的地方，以免对线缆产生大的干扰现象。

5.6 综合布线问题

应注意以下几个方面：

(1)低压配电线路(三相或单相)的单芯线缆不应单独穿于金属管内；

(2)不同回路、不同电压等级的交流和直流电线不应穿于同一金属管中，同一交流回路的电线应穿于同一金属管内，管内电线不得有接头；

(3)爆炸危险场所使用的电线(电缆)的额定耐受电压值不应低于750 V，且必须穿在金属管中；

(4)当信息技术电缆和供配电电缆同属一个电缆管理系统和同一路由时，电缆布线系统的全部外露可导电部分，均应进行等电位连接；

(5)由分线箱引出的信息技术电缆和供配电电缆平行敷设的长度大于35 m时，从分线箱起的20 m内应采取隔离措施，也可保持两电缆之间有大于30 mm的间距，或在槽盒中加金属板隔开；

(6)在条件许可时，宜采用多层走线槽盒，强弱电线路宜分层布设。

5.7 电涌保护器问题

随着沼气工程自动化程度的提高，计算机、在线监测仪表，PLC系统，DCS系统等电子系统的应用日渐增多，但其耐冲击电压的能力不高，由雷电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压、过电流形成的雷击，可能造成厂内电子设备损坏、数据丢失等损失。因此，对于沼气工程的一，二类防雷建筑物内的低压配电系统和电子系统信号网络中应设置电涌保护器(SPD)。如果第一级不能有效的保护设备和网络信号时，应设计二级、三级SPD；无明确的产品安装指南时，开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于10 m，限压型SPD之间的线路长度不宜小于5 m。当SPD之间的线路长度小于10 m和5 m时应加装退藕的电感(电阻)元件。

5.8 供电形式问题

供电的形式最好采用TN-S系统。供电线路最好埋地套铁管引入。N线和PE线重复接地引出，电源装电源避雷器。当电源采用TN系统时，从建筑物总配电箱起供电给本建筑物内的配电线路和分支线路必须采用TN-S系统。

6 沼气工程防雷设计的其他注意事项

(1)当一座建筑物仅有一部分为第一，二，三类防雷建筑物且可能遭直接雷击时，宜按各自类别采取防雷措施以及相应的防雷电感应和防雷电电涌侵入的措施。

(2)当采用接闪器保护建筑物、封闭气罐时，其外表面的2区爆炸危险场所可不在滚球法确定的保护范围内。

(3)秸秆露天堆场，应采用防直击雷措施。当其年计算雷击次数大于或等于0.05时，应采用独立避雷针或架空避雷线防直击雷。独立避雷针或架空避雷线保护范围的滚球半径hr可取100 m。在计算雷击次数时，建筑物的高度可按秸秆可能堆放的高度计算，其长度和宽度可按可能堆放面积的长度和宽度计算。

(4)对于第二、三类防雷建筑物，没有得到接闪器保护的屋顶孤立金属物尺寸，在高出屋顶高度不超出0.3 m，上层表面总面积不超出1.0 m2和上层表面的长度不超出2 m时，可不要求附加的保护措施；金属屋面的建筑物宜利用其屋面作为接闪器，设计中需注意明确不同金属材料的厚度要求，同时要保证金属板无绝缘被覆层。

(5)除设计要求外，兼做引下线的承力钢结构构件、混凝土梁、柱内钢筋与钢筋的连接，应采用土建施工的绑扎发或螺丝扣的机械连接，严禁热加工连接。

(6)工艺装置内露天布置的塔、容器等，当顶板厚度大于或等于4 mm时，可不设避雷针、线保护，但必须设防雷接地。如沼气站湿式储气柜和脱碳装置(膜式装置除外)，可不装设接闪器(但对于湿式储气柜，应将浮顶与外罐体用两根截面不小于50 mm2的扁平镀锡软铜复绞线作电气连接，连接点不少于2处，间距不大于30 m)，容器外壳直接接地即可，接地点不少于2处，两接地点间距不大于30 m；但对于厌氧反应器和生物脱硫装置等露天布置的容器，由于容器外壁装设有保温板等外壳，需要将容器顶部的防护护栏作为接闪器，再用不低于2处引线与人工接地体相连。人工接地体距离罐体基础不低于3 m，人工接地体与罐体地基基础钢筋再连接在一起，冲击接地电阻不大于10Ω。

7 结论

(1)沼气是易燃易爆的危险性气体，在沼气工程设计时应正确理解和研究防雷相关规范，对沼气工程相关设施的爆炸危险性进行分区，是确定建筑物和相关设施防雷分类的基础。

(2)确定合适的防雷类型及适宜的防雷措施，才能保证建筑物和相关电气设备和电子系统的安全运行。

(3)设计防雷工程要对工程所在地自然情况进行详细的分析，并与当地相关部门结合，然后针对沼气工程的特点采取针对性方案，尽可能做到切合实际、降低成本，力求做到经济、合理、完善、可靠，获取更大潜在效益。

总的来说，多年来尽管国内对沼气工程相关工艺、设备、安全运行等技术进行了大量研究和报道，并取得了不少的成果，但对沼气工程整体防雷系统的设计探讨较少，目前国内在这方面的研究尚存在欠缺。随着越来越多特大型沼气工程的建设和运行，以及众多学者不断投身于沼气工程防雷技术的研究，将会使得沼气工程防雷理论体系更加完善、防雷措施不断趋于成熟、安全运行必将会切实得到保障，以推动沼气工程这一清洁能源的快速发展。

[1] GB50160-2008，石油化工企业设计防火规范[S].

[2] GB50183-2004,石油天然气工程设计防火规范[S].

[3] GB15599-2009,石油与石油设施雷电安全规范[S].

[4] GB50074,石油库设计规范[S].

[5] GB50057-2010,建筑物防雷设计规范[S].

[6] GB50601-2010,建筑物防雷工程施工与质量验收规范[S].

[7] GB50058-2014,爆炸危险环境电力装置设计规范[S].

[8] GB50343-2012,建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].

[9] GB16895.22-2004,建筑物电气装置 第5-53部分 第534节[S].

[10] GB/T18802.12-2006,低压配电系统的电涌保护器(SPD)第12部分[S].

[11] GB/T18802.22,低压电涌保护器 第22部分：电信和信号网络的电涌保护器(SPD)选择和使用导则[S].

[12] GB/T21431-2015,建筑物防雷装置检测技术规范[S].

[13] JGJ16-2008,民用建筑电气设计规范[S].

[14] GB50016-2014,建筑设计防火规范[S].

[15] GB50217-2007,电力工程电缆设计规范[S].

[16] GB50052-2009,供配电系统设计规范[S].