盧霽明，龔小燕

(1.云南省電力設(shè)計(jì)院，昆明市， 650051;2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都市， 610031)

0 引言

核電站制氯站是核電站配套設(shè)施中先行設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，技術(shù)含量較高，其安全性關(guān)系到核電站能否安全、可靠運(yùn)營(yíng)，局部的設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的事故可能會(huì)造成無(wú)法估量的巨大損失。本文以某裝機(jī)容量為2×1 000 MW的核電站為例，參考同類工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出核電站制氯站的防雷設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

1 制氯站功能

某裝機(jī)容量為2×1 000 MW的核電站的海水制氯站為獨(dú)立建筑，由整流間、電解間、酸洗間、冷卻設(shè)備間、控制室、電氣間等區(qū)域組成。制氯站設(shè)置循環(huán)水處理系統(tǒng)，每個(gè)機(jī)組設(shè)2組電解制氯裝置。循環(huán)水處理系統(tǒng)通過(guò)電解海水產(chǎn)生有效氯，將次氯酸鈉溶液投加至海水循環(huán)水和安全廠用水系統(tǒng)的管路，以抑制或殺死海生物的幼蟲(chóng)或孢子，防止其在海水管路上吸附滋生，從而保證管路暢通，避免核電站的各系統(tǒng)(循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、重要廠用水系統(tǒng))設(shè)備受海洋生物污損，使凝汽器和熱交換器具有良好的傳熱性能。海水經(jīng)電解產(chǎn)生的次氯酸鈉溶液及氫氣被導(dǎo)入次氯酸鈉儲(chǔ)罐。次氯酸鈉儲(chǔ)罐共2臺(tái)，設(shè)置在廠房外，氫氣在次氯酸鈉緩沖罐頂部通過(guò)空氣自然稀釋后排至大氣中。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)次氯酸鈉儲(chǔ)罐的防雷需重點(diǎn)考慮。

2 避雷針設(shè)計(jì)

確定建筑物防雷的適宜類別是合理選擇防雷措施的重要基礎(chǔ)，否則將會(huì)人為地提高防雷技術(shù)難度和工程投資。根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］，該核電站制氯站按照二類防雷建筑物進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，同時(shí)需兼顧電解間防爆設(shè)計(jì)的防雷需要。如圖1所示，室外次氯酸鈉儲(chǔ)罐(玻璃鋼材質(zhì))最高處的標(biāo)高為10.55 m，高于廠房標(biāo)高(8.8 m)，平時(shí)排放氫氣的濃度為1%，未達(dá)到氫氣的爆炸極限濃度。該罐體應(yīng)參照二類防雷建筑物進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。據(jù)了解，有的工程未對(duì)罐體設(shè)置獨(dú)立避雷針進(jìn)行保護(hù);有的工程在?柱與②、③柱軸線交叉位置設(shè)置了2根高度為8 m的避雷針對(duì)2個(gè)次氯酸鈉儲(chǔ)罐進(jìn)行保護(hù)。

圖1 次氯酸鈉儲(chǔ)罐及避雷針相對(duì)位置Fig.1Relative position of sodium hypochlorite storage tank and lightning rod

因?yàn)殡娊忾g產(chǎn)生氫氣存在爆炸危險(xiǎn)故設(shè)置為防爆隔間，采用防爆風(fēng)機(jī)并設(shè)有多個(gè)自然通風(fēng)口用以通風(fēng)換氣?？紤]到電解間的安全性關(guān)聯(lián)著核電站的平穩(wěn)運(yùn)行，其可靠性要求比火電廠電解間高得多，防雷設(shè)計(jì)考慮套用GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］的標(biāo)準(zhǔn)。另按DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》［3］第7.1.4條執(zhí)行。文獻(xiàn)［3］規(guī)定，發(fā)電廠和變電所有爆炸危險(xiǎn)且爆炸后可能波及發(fā)電廠和變電所內(nèi)主設(shè)備或嚴(yán)重影響發(fā)供電的建構(gòu)筑物(如制氫站、露天氫氣貯罐、氫氣罐儲(chǔ)存室、易燃油泵房、露天易燃油貯罐、廠區(qū)內(nèi)的架空易燃油管道、裝卸油臺(tái)和天然氣管道以及露天天然氣貯罐等)，應(yīng)用獨(dú)立避雷針保護(hù)，并應(yīng)采取防止雷電感應(yīng)的措施。避雷針與罐體呼吸閥的水平距離不應(yīng)小于3 m，避雷針的保護(hù)范圍邊緣高出呼吸閥頂部不應(yīng)小于2 m。

按規(guī)范要求，次氯酸鈉儲(chǔ)罐的防雷保護(hù)應(yīng)用滾球法對(duì)避雷針的保護(hù)范圍進(jìn)行計(jì)算。第二類防雷建筑物滾球半徑hr為45 m，本電解間建筑物高為8.8 m，按針高8 m計(jì)算，避雷針整體高度h=16.8 m，h≤hr，2針之間的距離D=6 m，則有

1號(hào)次氯酸鈉儲(chǔ)罐如圖2所示，罐頂高為10.55 m，留2.5 m的安全裕量，即避雷針在罐頂處需要保護(hù)的高度為13.05 m。

圖21 號(hào)罐頂Fig.2No.1 tank top

如圖3所示，雙支等高避雷針在四邊形AEBC外側(cè)的保護(hù)范圍按照單支避雷針來(lái)確定。

圖3 雙支等高避雷針保護(hù)范圍Fig.3Protective range of dual equal-height lightning rods

單支避雷針在hx高度的xx'平面上的保護(hù)半徑為

式中:rx為單支避雷針在hx高度的xx＇平面上的保護(hù)半徑，m;h為避雷針高度，m;hr為滾球半徑，m;hx為被保護(hù)物高度，m。

當(dāng)hx=13.05 m時(shí)，將相關(guān)數(shù)值代入式(1)，得rx=3.38 m。如圖1所示，避雷針中心距離罐帽4.031 m，大于保護(hù)半徑，故不足以保護(hù)。當(dāng)上述避雷針高度設(shè)置為9 m時(shí)可以對(duì)罐帽予以保護(hù)。

在圖3中AOB軸線上距中心線距離x處，其在保護(hù)范圍邊線上的保護(hù)高度hx為

式中:D為2針之間的距離，m。

以式(2)求得的hx為假想避雷針的高度h，代入式(3)求出假想避雷針在h'x高度的保護(hù)半徑，對(duì)避雷針的保護(hù)寬度進(jìn)行計(jì)算判斷。

式中h'x為被保護(hù)物高度，m。

綜上所述，本工程若將避雷針針高設(shè)置為9 m，則與已運(yùn)行的方案相比能更有效地防止雷害，此結(jié)果可供新建工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。

如圖4所示，電解間屋頂設(shè)置了2個(gè)用于強(qiáng)制通風(fēng)的防爆風(fēng)機(jī)，預(yù)留了3個(gè)鋼管通風(fēng)孔。電解間女兒墻高度為0.5 m，上設(shè)有φ12 mm鍍鋅圓鋼明裝避雷帶。防爆風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)高為0.55 m，風(fēng)機(jī)高出避雷帶。國(guó)內(nèi)有的核電站未對(duì)此防爆風(fēng)機(jī)設(shè)置獨(dú)立避雷針進(jìn)行保護(hù)。按GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.3.2條(排放爆炸危險(xiǎn)氣體、蒸氣或粉塵的放散管、呼吸閥、排風(fēng)管等的管口外的以下空間應(yīng)處于接閃器的保護(hù)范圍內(nèi))，考慮到所排氣體為氫氣，存在爆炸危險(xiǎn)，建議設(shè)置避雷針予以保護(hù)。按DL 5027—93《電力設(shè)備典型消防規(guī)程》［4］第7.2.28條(氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)的廠房和貯氫罐等應(yīng)有可靠的防雷設(shè)施。避雷針與自然通風(fēng)口的水平距離不應(yīng)小于1.5 m，與強(qiáng)迫通風(fēng)口的距離不應(yīng)小于3 m，與放空管口的距離不應(yīng)小于5 m，避雷針的保護(hù)范圍應(yīng)高出管口1 m以上。)，應(yīng)對(duì)防爆風(fēng)機(jī)及通風(fēng)孔考慮設(shè)置獨(dú)立避雷針進(jìn)行保護(hù)。?柱與③柱軸線交點(diǎn)處的柱子距離防爆風(fēng)機(jī)中心約為2.942 m，建議在?柱與③柱軸線交點(diǎn)右側(cè)沿B軸1 m處，按規(guī)范要求及風(fēng)機(jī)實(shí)際標(biāo)高，采用滾球法確定避雷針高度。在計(jì)算過(guò)程中需注意±0.00 m的正確選擇。另一防爆風(fēng)機(jī)與此處理方法相同。

由于該核電站地址臨海，氣象條件相對(duì)復(fù)雜，所以建議避雷針的實(shí)際設(shè)置應(yīng)在滿足當(dāng)?shù)仫L(fēng)壓的條件下參照當(dāng)?shù)氐牧?xí)慣做法。

圖4 電解間屋頂通風(fēng)布置Fig.4Ventilation arrangement on the electrolytic room roof

3 接地及防雷電感應(yīng)設(shè)計(jì)

在廠房外敷設(shè)1圈185 mm2裸銅纜作為淺埋接地網(wǎng)，距外墻1 m，埋深為1 m。淺埋接地網(wǎng)通過(guò)室外防雷接地井與電站的接地主網(wǎng)相連。每個(gè)建(構(gòu))筑物的接地網(wǎng)原則上應(yīng)至少有2點(diǎn)與接地主網(wǎng)相連。埋地導(dǎo)體的連接應(yīng)采用熱劑焊，外涂樹(shù)脂保護(hù)。埋地或架空的金屬管道應(yīng)在進(jìn)出制氯站處和防雷裝置相連。

在電氣間、整流間、電解間、控制室應(yīng)設(shè)置接地母排，各種電氣和保護(hù)接地通過(guò)沿橋架敷設(shè)的50 mm2裸銅纜匯合后，再通過(guò)185 mm2裸銅纜與建筑物外的淺埋接地網(wǎng)相連，從而使室內(nèi)的安全接地網(wǎng)與電站接地主網(wǎng)相連。

屋頂避雷帶利用柱內(nèi)2根直徑不小于16 mm的鋼筋做引下線?；A(chǔ)內(nèi)鋼筋作為自然接地極與室外防雷接地井可靠連接。室外金屬罐體與淺埋接地網(wǎng)的連接應(yīng)不少于2點(diǎn)。380 V電源系統(tǒng)的接地采用TN-S系統(tǒng)。

建筑物內(nèi)應(yīng)采用總等電位聯(lián)結(jié)，工作接地、安全接地、防雷接地、防靜電接地、電子接地應(yīng)設(shè)置共用接地極，總接地電阻不大于0.5 Ω［5］。為防止雷電感應(yīng)，建筑物內(nèi)的設(shè)備、管道、構(gòu)架等主要金屬物應(yīng)就近接地。防雷電感應(yīng)的接地干線與接地裝置的連接不應(yīng)少于2處。平行敷設(shè)的管道、構(gòu)架等長(zhǎng)金屬物其凈距小于100 mm時(shí)，應(yīng)采用金屬線跨接，跨接點(diǎn)的間距不應(yīng)大于30 mm;交叉凈距小于100 mm時(shí)，其交叉處也應(yīng)跨接。彎頭、閥門(mén)、法蘭盤(pán)等連接處應(yīng)用金屬線跨接。對(duì)可能產(chǎn)生靜電的設(shè)備和管道，均應(yīng)采取防靜電接地措施?？扇?xì)怏w、可燃液體的管道在下列部位應(yīng)采取防靜電接地措施:進(jìn)出裝置或設(shè)施處，爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的邊界處，管道、泵及其過(guò)濾器、緩沖器處。

4 結(jié)語(yǔ)

從核電站的安全性出發(fā)，參考制氫站的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合同類已運(yùn)行核電站的經(jīng)驗(yàn)提出核電站制氯站防雷設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。鑒于核電站對(duì)安全的特殊要求，此方案突出了安全性和可靠性，同時(shí)兼顧了經(jīng)濟(jì)性和合理性，盡量不增加施工難度和工程成本。此優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可供同類工程參考。

［1］GB 50057—2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［2］GB 50177—2005氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［3］DL/T 620—1997交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合［S］.北京:中國(guó)電力出版社，1997.

［4］DL 5027—93電力設(shè)備典型消防規(guī)程［S］.北京:中國(guó)電力出版社，1993.

［5］陸建鶯，牛麗.發(fā)電廠制氫站電氣設(shè)計(jì)探討［J］.電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2010(1):25-28.

(編輯:楊大浩)