盧新社， 劉 耕， 袁建永， 張林燦， 陳煥軍， 史曉光

(1.河南省漯河市臨潁縣農(nóng)林局， 河南 臨潁 462600； 2.河南省農(nóng)村能源環(huán)境保護(hù)總站， 河南 石家莊 450002)

通過沼氣工程的建設(shè)運營，不但可以處理工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及養(yǎng)殖業(yè)等各種有機廢棄物，而且可以產(chǎn)生沼氣、沼渣和沼液。沼氣可以做飯、照明、發(fā)電、車用燃料、工業(yè)原料用等，而且沼渣和沼液是非常好的優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物肥料。因此，近年來，特別是在農(nóng)業(yè)以及養(yǎng)殖業(yè)方面，為貫徹落實中央關(guān)于建設(shè)生態(tài)文明、做好“三農(nóng)”工作的總體部署，適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、農(nóng)村居住方式、農(nóng)民用能方式的變化對農(nóng)村沼氣發(fā)展的新要求，積極發(fā)展規(guī)?；笮驼託夤こ蹋㈤_展規(guī)?；锾烊粴夤こ?，以推動農(nóng)村沼氣工程向規(guī)模發(fā)展、綜合利用、科學(xué)管理、效益拉動的方向轉(zhuǎn)型升級，全面發(fā)揮農(nóng)村沼氣工程在提供可再生清潔能源、防治農(nóng)業(yè)面源污染和大氣污染、改善農(nóng)村人居環(huán)境、發(fā)展現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)、提高農(nóng)民生活水平等方面的重要作用。因此，沼氣工程建設(shè)已步入了快速發(fā)展的軌道。為適應(yīng)新的形勢和機遇，保障沼氣工程的運行安全，本文對沼氣工程整體的防雷設(shè)計進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，以期提高我國沼氣工程防雷擊設(shè)計方面的整體水平。

1 沼氣的特性

沼氣中的主要成分是甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)和少量的硫化氫(H2S)、氫(H2)、一氧化碳(CO)、氮(N2)等氣體。其中甲烷占50%～70%，二氧化碳占30%～40%，其他成分含量極少。

甲烷是無色、無臭的氣體，分子式CH4，分子量為16.04，在0℃ 101325 Pa標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，甲烷對空氣的相對密度為0.5548，沼氣約為0.94；甲烷的熱值為35.9 MJ·m-3，沼氣低熱值20.25 MJ·m-3。 由表1可以看出，甲烷(沼氣)是一種易燃、易爆、易擴(kuò)散的甲類可燃?xì)怏w，遇熱源、明火或雷電極易發(fā)生爆炸，產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，所以必須在設(shè)計及施工階段予以重視。筆者主要對沼氣工程的防雷設(shè)計及注意事項進(jìn)行探討。

2 沼氣工程防雷設(shè)計依據(jù)

沼氣工程防雷設(shè)計依據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)：

《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》(GB50160-2008);《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》(GB50183-2004);《石油庫設(shè)計規(guī)范》 (GB50074)；《石油與石油設(shè)施雷電安全規(guī)范》 (GB15599-2009);《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB50057-2010);《建筑物防雷工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50601-2010);《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》(GB50058-2014);《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》(GB50343-2012);《建筑物電氣裝置 第5-53部分 第534節(jié)》(GB16895.22-2004);《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器(SPD)第12部分》(GB/T18802.12-2006);《低壓電涌保護(hù)器 第22部分：電信和信號網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器(SPD)選擇和使用導(dǎo)則》(GB/T18802.22);《建筑物防雷裝置檢測技術(shù)規(guī)范》(GB/T21431-2015);《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》(JGJ16-2008);《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50016-2014);《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》(GB50217-2007);《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB50052-2009)。

表1 沼氣特性表

3 工程主要建構(gòu)筑物爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境區(qū)域及范圍劃分

沼氣工程的主要構(gòu)筑物有原料(秸稈)堆場、原料(秸稈)粉碎間、進(jìn)料間、厭氧消化器、脫硫裝置、脫碳裝置、沼氣凈化間、氣柜、放散火炬、鍋爐房、發(fā)電機房、壓縮機房、控制室、高低壓配電室、固液分離車間、有機肥車間、有機肥庫房、維修間、辦公樓等，按照《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》(GB 50058-2014)以及上面相關(guān)規(guī)范，各主要構(gòu)筑物爆炸性危險區(qū)域及危險區(qū)域范圍劃分如表2。

表2 主要構(gòu)筑物爆炸性危險區(qū)域及危險區(qū)域范圍劃分表

4 工程主要建構(gòu)筑物的防雷分類及依據(jù)

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB 50057-2010)、《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》(JGJ16-2008)、《石油與石油設(shè)施雷電安全規(guī)范》 GB15599-2009以及筆者多年的實際工程建設(shè)經(jīng)驗，沼氣工程主要建構(gòu)筑物的防雷分類及依據(jù)見表3。

表3 主要建構(gòu)筑物的防雷分類及依據(jù)

5 工程防雷設(shè)計主要問題

沼氣工程各類防雷建筑物均應(yīng)設(shè)防直擊雷的外部防雷裝置，并應(yīng)采取防閃電電涌侵入和雷電電磁感應(yīng)(第三類除外)的措施，具體在設(shè)計時還應(yīng)注意以下幾個方面的問題：

5.1 接閃器問題

在一般情況下，除去1類雷建筑物(秸稈堆放場和膜式沼氣氣柜)需要采用獨立避雷針、獨立接地保護(hù)外，其余類別建筑物的接閃器均可采用避雷帶、網(wǎng)帶保護(hù)。保護(hù)范圍的計算分別可按一，二，三類防雷建筑物的滾球半徑(30 m，45 m，60 m)計算。建筑物頂部和外墻上的接閃器必須與建筑物欄桿、金屬房頂、吊車梁、管道、設(shè)備、門窗、幕墻支架等外露的金屬物進(jìn)行電氣連接。

5.2 引下線問題

各類防雷建筑物的引下線不應(yīng)少于兩根，并應(yīng)沿建筑物周圍均勻布設(shè)，其平均間距不應(yīng)大于12 m，18 m和25 m；引下線兩端應(yīng)與接閃器和接地裝置做可靠的電氣連接；引下線安裝與易燃材料的墻壁或墻體(或罐壁)保溫層間距應(yīng)大于0.1 m；引下線可利用建筑物的鋼梁、鋼柱、消防梯、檢修梯等金屬構(gòu)件作為自然引下線，金屬構(gòu)件之間應(yīng)電氣貫通。

5.3 接地及接地沖擊電阻的問題

盡可能利用建筑物樁基、梁、柱內(nèi)鋼筋做接地裝置的自然接地體；在有人員常經(jīng)過或停留的引下線與接地體連接處3 m范圍內(nèi)，應(yīng)采用防止跨步電壓對人員造成傷害的措施；接地體與建筑物之間的距離按設(shè)計要求，無設(shè)計要求時，人工接地體與建筑物外墻或基礎(chǔ)之間的水平距離不宜小于1 m；如果建筑物的防雷接地是獨立接地，一般要離開建筑物基礎(chǔ)3 m以外；接地體的連接應(yīng)采用焊接，并在焊接處做防腐處理； 一、二類防雷建筑物的接地沖擊電阻<10歐，三類防雷建筑物接地沖擊電阻<30歐。

5.4 等電位連接問題

對進(jìn)出建(構(gòu))筑物的所有金屬管線做等電位連接，并在建筑物入戶處做總等電位連接；建筑物等電位連接干線與接地裝置應(yīng)有不少于兩處的連接；第1類防雷建筑物和具有1區(qū)，2區(qū)，21區(qū)和22區(qū)爆炸危險場所的第二類防雷建筑物內(nèi)外的金屬管道、構(gòu)架和電纜金屬外皮等長物體的跨接，其凈距小于100 mm時應(yīng)采用金屬線跨接，跨接點的間距不應(yīng)大于30 m，交叉凈距小于100 mm時，其交叉處也應(yīng)跨接；當(dāng)長金屬物的彎頭、閥門、法蘭盤等連接處的過度電阻大于0.03歐姆時，連接處應(yīng)用金屬線跨接；室內(nèi)電子設(shè)備的等到電位的連接方式應(yīng)采用一點式方法接地，而不應(yīng)互相串聯(lián)連接接地，以免引起干擾現(xiàn)象。

5.5 屏蔽問題

對于沼氣工程一，二類防雷建筑物內(nèi)的電氣和電子系統(tǒng)以及設(shè)在辦公樓內(nèi)的控制室內(nèi)的電子系統(tǒng)需要進(jìn)行防雷擊電磁脈沖的設(shè)計。工作頻率小于300 kHz的模擬線路，可采用星形結(jié)構(gòu)(S型)等電位連接網(wǎng)絡(luò)；頻率為兆赫(MHz)級的數(shù)字線路，應(yīng)采用網(wǎng)形結(jié)構(gòu)(M型)等電位連接網(wǎng)絡(luò)。對于管線的屏蔽，整段管線應(yīng)金屬連接良好，不應(yīng)有空隙產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象，如果距離太長，中間也要接地一次。電子設(shè)備的屏蔽應(yīng)將設(shè)備的金屬外殼采用一點的接地方式接地，如果體積過大，應(yīng)有兩點接地。接地的線徑應(yīng)大于6 mm為宜。同理，電子設(shè)備的放置問題，也應(yīng)離開外墻、梁柱有一定的安全距離。在需要保護(hù)的空間內(nèi)，采用屏蔽電纜時其屏蔽層應(yīng)至少在兩端并宜在防雷區(qū)交界處做等電位連接，系統(tǒng)要求只在一端做等電位連接時，應(yīng)采取兩層屏蔽或穿鋼管敷設(shè)。在分開的建筑物之間的連接線路，若無屏蔽層，線路應(yīng)敷設(shè)在金屬管、金屬格柵或鋼筋成格柵形的混凝土管道內(nèi)，這些金屬物從一端到另一端是導(dǎo)電貫通的，并在兩端分別連到建筑物的等電位連接帶上；若有屏蔽層，屏蔽層的兩端應(yīng)連到建筑物的等電位連接帶上。另外，室內(nèi)的線纜布置應(yīng)避開外墻、梁柱等雷電流集中流過的地方，以免對線纜產(chǎn)生大的干擾現(xiàn)象。

5.6 綜合布線問題

應(yīng)注意以下幾個方面：

(1)低壓配電線路(三相或單相)的單芯線纜不應(yīng)單獨穿于金屬管內(nèi)；

(2)不同回路、不同電壓等級的交流和直流電線不應(yīng)穿于同一金屬管中，同一交流回路的電線應(yīng)穿于同一金屬管內(nèi)，管內(nèi)電線不得有接頭；

(3)爆炸危險場所使用的電線(電纜)的額定耐受電壓值不應(yīng)低于750 V，且必須穿在金屬管中；

(4)當(dāng)信息技術(shù)電纜和供配電電纜同屬一個電纜管理系統(tǒng)和同一路由時，電纜布線系統(tǒng)的全部外露可導(dǎo)電部分，均應(yīng)進(jìn)行等電位連接；

(5)由分線箱引出的信息技術(shù)電纜和供配電電纜平行敷設(shè)的長度大于35 m時，從分線箱起的20 m內(nèi)應(yīng)采取隔離措施，也可保持兩電纜之間有大于30 mm的間距，或在槽盒中加金屬板隔開；

(6)在條件許可時，宜采用多層走線槽盒，強弱電線路宜分層布設(shè)。

5.7 電涌保護(hù)器問題

隨著沼氣工程自動化程度的提高，計算機、在線監(jiān)測儀表，PLC系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)等電子系統(tǒng)的應(yīng)用日漸增多，但其耐沖擊電壓的能力不高，由雷電流產(chǎn)生的強大電磁場變化與導(dǎo)體感應(yīng)出的過電壓、過電流形成的雷擊，可能造成廠內(nèi)電子設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)丟失等損失。因此，對于沼氣工程的一，二類防雷建筑物內(nèi)的低壓配電系統(tǒng)和電子系統(tǒng)信號網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)設(shè)置電涌保護(hù)器(SPD)。如果第一級不能有效的保護(hù)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)信號時，應(yīng)設(shè)計二級、三級SPD；無明確的產(chǎn)品安裝指南時，開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不宜小于10 m，限壓型SPD之間的線路長度不宜小于5 m。當(dāng)SPD之間的線路長度小于10 m和5 m時應(yīng)加裝退藕的電感(電阻)元件。

5.8 供電形式問題

供電的形式最好采用TN-S系統(tǒng)。供電線路最好埋地套鐵管引入。N線和PE線重復(fù)接地引出，電源裝電源避雷器。當(dāng)電源采用TN系統(tǒng)時，從建筑物總配電箱起供電給本建筑物內(nèi)的配電線路和分支線路必須采用TN-S系統(tǒng)。

6 沼氣工程防雷設(shè)計的其他注意事項

(1)當(dāng)一座建筑物僅有一部分為第一，二，三類防雷建筑物且可能遭直接雷擊時，宜按各自類別采取防雷措施以及相應(yīng)的防雷電感應(yīng)和防雷電電涌侵入的措施。

(2)當(dāng)采用接閃器保護(hù)建筑物、封閉氣罐時，其外表面的2區(qū)爆炸危險場所可不在滾球法確定的保護(hù)范圍內(nèi)。

(3)秸稈露天堆場，應(yīng)采用防直擊雷措施。當(dāng)其年計算雷擊次數(shù)大于或等于0.05時，應(yīng)采用獨立避雷針或架空避雷線防直擊雷。獨立避雷針或架空避雷線保護(hù)范圍的滾球半徑hr可取100 m。在計算雷擊次數(shù)時，建筑物的高度可按秸稈可能堆放的高度計算，其長度和寬度可按可能堆放面積的長度和寬度計算。

(4)對于第二、三類防雷建筑物，沒有得到接閃器保護(hù)的屋頂孤立金屬物尺寸，在高出屋頂高度不超出0.3 m，上層表面總面積不超出1.0 m2和上層表面的長度不超出2 m時，可不要求附加的保護(hù)措施；金屬屋面的建筑物宜利用其屋面作為接閃器，設(shè)計中需注意明確不同金屬材料的厚度要求，同時要保證金屬板無絕緣被覆層。

(5)除設(shè)計要求外，兼做引下線的承力鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、混凝土梁、柱內(nèi)鋼筋與鋼筋的連接，應(yīng)采用土建施工的綁扎發(fā)或螺絲扣的機械連接，嚴(yán)禁熱加工連接。

(6)工藝裝置內(nèi)露天布置的塔、容器等，當(dāng)頂板厚度大于或等于4 mm時，可不設(shè)避雷針、線保護(hù)，但必須設(shè)防雷接地。如沼氣站濕式儲氣柜和脫碳裝置(膜式裝置除外)，可不裝設(shè)接閃器(但對于濕式儲氣柜，應(yīng)將浮頂與外罐體用兩根截面不小于50 mm2的扁平鍍錫軟銅復(fù)絞線作電氣連接，連接點不少于2處，間距不大于30 m)，容器外殼直接接地即可，接地點不少于2處，兩接地點間距不大于30 m；但對于厭氧反應(yīng)器和生物脫硫裝置等露天布置的容器，由于容器外壁裝設(shè)有保溫板等外殼，需要將容器頂部的防護(hù)護(hù)欄作為接閃器，再用不低于2處引線與人工接地體相連。人工接地體距離罐體基礎(chǔ)不低于3 m，人工接地體與罐體地基基礎(chǔ)鋼筋再連接在一起，沖擊接地電阻不大于10Ω。

7 結(jié)論

(1)沼氣是易燃易爆的危險性氣體，在沼氣工程設(shè)計時應(yīng)正確理解和研究防雷相關(guān)規(guī)范，對沼氣工程相關(guān)設(shè)施的爆炸危險性進(jìn)行分區(qū)，是確定建筑物和相關(guān)設(shè)施防雷分類的基礎(chǔ)。

(2)確定合適的防雷類型及適宜的防雷措施，才能保證建筑物和相關(guān)電氣設(shè)備和電子系統(tǒng)的安全運行。

(3)設(shè)計防雷工程要對工程所在地自然情況進(jìn)行詳細(xì)的分析，并與當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門結(jié)合，然后針對沼氣工程的特點采取針對性方案，盡可能做到切合實際、降低成本，力求做到經(jīng)濟(jì)、合理、完善、可靠，獲取更大潛在效益。

總的來說，多年來盡管國內(nèi)對沼氣工程相關(guān)工藝、設(shè)備、安全運行等技術(shù)進(jìn)行了大量研究和報道，并取得了不少的成果，但對沼氣工程整體防雷系統(tǒng)的設(shè)計探討較少，目前國內(nèi)在這方面的研究尚存在欠缺。隨著越來越多特大型沼氣工程的建設(shè)和運行，以及眾多學(xué)者不斷投身于沼氣工程防雷技術(shù)的研究，將會使得沼氣工程防雷理論體系更加完善、防雷措施不斷趨于成熟、安全運行必將會切實得到保障，以推動沼氣工程這一清潔能源的快速發(fā)展。

[1] GB50160-2008，石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范[S].

[2] GB50183-2004,石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范[S].

[3] GB15599-2009,石油與石油設(shè)施雷電安全規(guī)范[S].

[4] GB50074,石油庫設(shè)計規(guī)范[S].

[5] GB50057-2010,建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[S].

[6] GB50601-2010,建筑物防雷工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[7] GB50058-2014,爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范[S].

[8] GB50343-2012,建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].

[9] GB16895.22-2004,建筑物電氣裝置 第5-53部分 第534節(jié)[S].

[10] GB/T18802.12-2006,低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器(SPD)第12部分[S].

[11] GB/T18802.22,低壓電涌保護(hù)器 第22部分：電信和信號網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器(SPD)選擇和使用導(dǎo)則[S].

[12] GB/T21431-2015,建筑物防雷裝置檢測技術(shù)規(guī)范[S].

[13] JGJ16-2008,民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S].

[14] GB50016-2014,建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].

[15] GB50217-2007,電力工程電纜設(shè)計規(guī)范[S].

[16] GB50052-2009,供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].