核電站制氯站防雷設計優化方案

盧霽明，龔小燕

(1.云南省電力設計院，昆明市， 650051;2.西南交通大學電氣工程學院，成都市， 610031)

0 引言

核電站制氯站是核電站配套設施中先行設計的項目，技術含量較高，其安全性關系到核電站能否安全、可靠運營，局部的設計缺陷導致的事故可能會造成無法估量的巨大損失。本文以某裝機容量為2×1 000 MW的核電站為例，參考同類工程設計經驗，提出核電站制氯站的防雷設計優化方案。

1 制氯站功能

某裝機容量為2×1 000 MW的核電站的海水制氯站為獨立建筑，由整流間、電解間、酸洗間、冷卻設備間、控制室、電氣間等區域組成。制氯站設置循環水處理系統，每個機組設2組電解制氯裝置。循環水處理系統通過電解海水產生有效氯，將次氯酸鈉溶液投加至海水循環水和安全廠用水系統的管路，以抑制或殺死海生物的幼蟲或孢子，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(循環水過濾系統、循環水系統、重要廠用水系統)設備受海洋生物污損，使凝汽器和熱交換器具有良好的傳熱性能。海水經電解產生的次氯酸鈉溶液及氫氣被導入次氯酸鈉儲罐。次氯酸鈉儲罐共2臺，設置在廠房外，氫氣在次氯酸鈉緩沖罐頂部通過空氣自然稀釋后排至大氣中。設計時對次氯酸鈉儲罐的防雷需重點考慮。

2 避雷針設計

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，否則將會人為地提高防雷技術難度和工程投資。根據GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》［1］，該核電站制氯站按照二類防雷建筑物進行防雷設計，同時需兼顧電解間防爆設計的防雷需要。如圖1所示，室外次氯酸鈉儲罐(玻璃鋼材質)最高處的標高為10.55 m，高于廠房標高(8.8 m)，平時排放氫氣的濃度為1%，未達到氫氣的爆炸極限濃度。該罐體應參照二類防雷建筑物進行防雷設計。據了解，有的工程未對罐體設置獨立避雷針進行保護;有的工程在?柱與②、③柱軸線交叉位置設置了2根高度為8 m的避雷針對2個次氯酸鈉儲罐進行保護。

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

因為電解間產生氫氣存在爆炸危險故設置為防爆隔間，采用防爆風機并設有多個自然通風口用以通風換氣。考慮到電解間的安全性關聯著核電站的平穩運行，其可靠性要求比火電廠電解間高得多，防雷設計考慮套用GB 50177—2005《氫氣站設計規范》［2］的標準。另按DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》［3］第7.1.4條執行。文獻［3］規定，發電廠和變電所有爆炸危險且爆炸后可能波及發電廠和變電所內主設備或嚴重影響發供電的建構筑物(如制氫站、露天氫氣貯罐、氫氣罐儲存室、易燃油泵房、露天易燃油貯罐、廠區內的架空易燃油管道、裝卸油臺和天然氣管道以及露天天然氣貯罐等)，應用獨立避雷針保護，并應采取防止雷電感應的措施。避雷針與罐體呼吸閥的水平距離不應小于3 m，避雷針的保護范圍邊緣高出呼吸閥頂部不應小于2 m。

按規范要求，次氯酸鈉儲罐的防雷保護應用滾球法對避雷針的保護范圍進行計算。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號次氯酸鈉儲罐如圖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的高度為13.05 m。

圖21 號罐頂Fig.2No.1 tank top

如圖3所示，雙支等高避雷針在四邊形AEBC外側的保護范圍按照單支避雷針來確定。

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

單支避雷針在hx高度的xx'平面上的保護半徑為

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

當hx=13.05 m時，將相關數值代入式(1)，得rx=3.38 m。如圖1所示，避雷針中心距離罐帽4.031 m，大于保護半徑，故不足以保護。當上述避雷針高度設置為9 m時可以對罐帽予以保護。

在圖3中AOB軸線上距中心線距離x處，其在保護范圍邊線上的保護高度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高度的保護半徑，對避雷針的保護寬度進行計算判斷。

式中h'x為被保護物高度，m。

綜上所述，本工程若將避雷針針高設置為9 m，則與已運行的方案相比能更有效地防止雷害，此結果可供新建工程設計時參考。

如圖4所示，電解間屋頂設置了2個用于強制通風的防爆風機，預留了3個鋼管通風孔。電解間女兒墻高度為0.5 m，上設有φ12 mm鍍鋅圓鋼明裝避雷帶。防爆風機基礎高為0.55 m，風機高出避雷帶。國內有的核電站未對此防爆風機設置獨立避雷針進行保護。按GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》第4.3.2條(排放爆炸危險氣體、蒸氣或粉塵的放散管、呼吸閥、排風管等的管口外的以下空間應處于接閃器的保護范圍內)，考慮到所排氣體為氫氣，存在爆炸危險，建議設置避雷針予以保護。按DL 5027—93《電力設備典型消防規程》［4］第7.2.28條(氫氣生產系統的廠房和貯氫罐等應有可靠的防雷設施。避雷針與自然通風口的水平距離不應小于1.5 m，與強迫通風口的距離不應小于3 m，與放空管口的距離不應小于5 m，避雷針的保護范圍應高出管口1 m以上。)，應對防爆風機及通風孔考慮設置獨立避雷針進行保護。?柱與③柱軸線交點處的柱子距離防爆風機中心約為2.942 m，建議在?柱與③柱軸線交點右側沿B軸1 m處，按規范要求及風機實際標高，采用滾球法確定避雷針高度。在計算過程中需注意±0.00 m的正確選擇。另一防爆風機與此處理方法相同。

由于該核電站地址臨海，氣象條件相對復雜，所以建議避雷針的實際設置應在滿足當地風壓的條件下參照當地的習慣做法。

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

3 接地及防雷電感應設計

在廠房外敷設1圈185 mm2裸銅纜作為淺埋接地網，距外墻1 m，埋深為1 m。淺埋接地網通過室外防雷接地井與電站的接地主網相連。每個建(構)筑物的接地網原則上應至少有2點與接地主網相連。埋地導體的連接應采用熱劑焊，外涂樹脂保護。埋地或架空的金屬管道應在進出制氯站處和防雷裝置相連。

在電氣間、整流間、電解間、控制室應設置接地母排，各種電氣和保護接地通過沿橋架敷設的50 mm2裸銅纜匯合后，再通過185 mm2裸銅纜與建筑物外的淺埋接地網相連，從而使室內的安全接地網與電站接地主網相連。

屋頂避雷帶利用柱內2根直徑不小于16 mm的鋼筋做引下線。基礎內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的連接應不少于2點。380 V電源系統的接地采用TN-S系統。

建筑物內應采用總等電位聯結，工作接地、安全接地、防雷接地、防靜電接地、電子接地應設置共用接地極，總接地電阻不大于0.5 Ω［5］。為防止雷電感應，建筑物內的設備、管道、構架等主要金屬物應就近接地。防雷電感應的接地干線與接地裝置的連接不應少于2處。平行敷設的管道、構架等長金屬物其凈距小于100 mm時，應采用金屬線跨接，跨接點的間距不應大于30 mm;交叉凈距小于100 mm時，其交叉處也應跨接。彎頭、閥門、法蘭盤等連接處應用金屬線跨接。對可能產生靜電的設備和管道，均應采取防靜電接地措施。可燃氣體、可燃液體的管道在下列部位應采取防靜電接地措施:進出裝置或設施處，爆炸危險場所的邊界處，管道、泵及其過濾器、緩沖器處。

4 結語

從核電站的安全性出發，參考制氫站的設計標準并結合同類已運行核電站的經驗提出核電站制氯站防雷設計優化方案。鑒于核電站對安全的特殊要求，此方案突出了安全性和可靠性，同時兼顧了經濟性和合理性，盡量不增加施工難度和工程成本。此優化設計方案可供同類工程參考。

［1］GB 50057—2010建筑物防雷設計規范［S］.北京:中國標準出版社，2010.

［2］GB 50177—2005氫氣站設計規范［S］.北京:中國標準出版社，2005.

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

［4］DL 5027—93電力設備典型消防規程［S］.北京:中國電力出版社，1993.

［5］陸建鶯，牛麗.發電廠制氫站電氣設計探討［J］.電力勘測設計，2010(1):25-28.

(編輯:楊大浩)