汽车加氢站防雷防静电及接地设计.doc

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1、汽车加氢站防雷防静电及接地设计摘要：氢气作为新型能源，已被运用于汽车领域，而作为燃料电池汽车发展的基础配套设施，加氢站有着举足轻重的地位。文章阐述了上海第一座汽车加氢站安亭加氢站在其设计过程中遇到的防雷、防静电及接地的相关问题，提出了在爆炸危险环境中，建筑与工艺设备的防雷、防静电要求，和整个加氢站区内采用的接地形式，以及采取的相应解决方案。可供今后加氢站的相关设计提供借鉴。1汽车加氢站的地位和重要性近年来，由于石油资源日益匾乏以及环境污染等问题，世界各国都在投人巨资加大新能源、清洁能源的开发力度。由于氢来源丰富、循环利用、热值高、无污染且能够储存，不产生温室效应气体等优点，逐渐成为新能源热点。

2、以氢为动力的燃料电池汽车是氢能应用的主要途径，也是节能环保汽车的最佳形态，作为一种真正实现零排放的交通工具，氢燃料电池车唯一排放的是纯净水，而且氢燃料电池制造过程和内部构件都对环境无毒害，它在降低大气污染、调整能源结构、提高经济效益等方面具有显著功效，已经得到了广泛的关注。汽车的车载储罐储存能量有限，当充注能源将耗尽时，必须有后续能源注人，才能使汽车继续行驶，为促进燃料电池汽车的商业化，加快氢燃料电池汽车从实验室走向市场，不仅需要汽车厂商的不懈努力，更需要基础设施的跟进配套。为此，上海市政府制定了发展计划，到2010年世博会时达到千辆级规模。为了给燃料电池汽车提供氢加注服务，上海在2007年底

3、建成了第一座固定式加氢站，并在今后数年内陆续建设多座加氢站以满足燃料电池汽车的发展需要。加氢站作为地面加注系统是实现能源注人的必要工具。氢燃料电池汽车能否快速投人市场且被大众所接纳，建设和发展加氢站起到重要作用。汽车加氢站的建设是将来清洁能源汽车基础设施发展的一个重要里程碑。2安亭加氢站的总体概况介绍安亭加氢站位于上海安亭国际汽车城，于2007年11月建成，是上海首座固定加氢站，是以同济大学为主承担的国家863项目“燃料电池汽车高压氢气加氢站及供氢技术研发”的一部分，其主要任务是为同济大学承担的国家863项目“燃料电池轿车”及其示范运行车队提供氢气加注服务，同时也与GEF-UNDP(全球环境基

4、金和联合国计划署)、国家科技部和上海市政府合作，将为上海使用氢燃料电池的轿车和公交车提供压缩氢气，是推进我国燃料电池汽车商用化进程的重要一步。安亭加氢站最大氢气存储容量可达800kg，可连续为20辆燃料电池轿车和6辆燃料电池公交车加注氢气，可满足近期现有车辆以及今后一段时期内发展需求。安亭加氢站总占地面积880m2，总建筑面积为196m2(站房建筑面积93m2，压缩机、卸车处、储氢瓶组区103m2)，绿化面积为74m2，绿化率为8.4%，建筑容积率为0.22。安亭加氢站属于外供氢型加氢站。通过管束车、液氢槽车或管道等方式输送氢至站内，氢气经压缩机压缩后利用储氢瓶高压储存，然后通过加气机为车辆加

5、注氢气。整个站分为输送系统、储存系统、压缩系统、加注系统、控制系统和安全监控系统等子系统。目前加氢站在国内建设仅处于起步阶段，经验较少，技术方面不是很全面，在设计过程中遇到的困难和问题有：(1)作为本市首座固定加氢站，在整个工程设计上少有先例。在某些部分只能参照汽车加气站(CNG)的设计思路，并且针对氢气的特性进行设计。(2)对于汽车加氢站来说，到目前为止，我国并不具备完善的氢气加注站的规范。在设计的同时只能借鉴其他相关规范，例如，汽车加油加气站设计与施工规范、城镇燃气设计规范、氢气站设计规范、建筑物防雷设计规范和爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范等。(3)与其他可以作为能源的气体相比，氢气具

6、有更宽的着火范围，更低的着火能，更易泄漏，火焰速度更高，更容易爆炸等不利的性质特点，逐渐累积易导致着火或爆炸。因此在设计尺度的把握上相比较而言会更严格。本文主要介绍安亭加氢站在设计过程中遇到的防雷、防静电及接地的相关问题。3安亭加氢站的防雷设计3.1加氢站的防雷等级首先根据爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范第2.2.1条中关于1区和2区的定义，确定加氢站的防爆等级为1区或2区，而再根据建筑物防雷设计规范中关于1区和2区爆炸危险环境的建筑物的防雷等级的规定，加氢站的防雷等级应不小于第二类防雷建筑物。根据安亭加氢站为固定加氢站，即加氢站内无制氢环节，气源由氢气罐束车拖至站内卸车处经卸车，经压缩机增

7、压后至中间储氢罐，加气时通过加注器将氢气加入氢燃料电池汽车内。在正常工况下，不可能出现爆炸性气体混合物，即使出现也是短时存在的爆炸性气体混合物，且达不到爆炸性气体爆炸下限，因此整个工艺系统均为2区爆炸危险环境。确定了爆炸危险环境等级后，再根据建筑物防雷设计规范中防雷建筑等级的划分，因此定性为第二类防雷建筑物。3.2加氢站建筑分别采用不同的防雷措施3.2.1防直击雷措施放散管的保护采用了预放电避雷针做接闪器保护。安亭加氢站的放散管，管高10m，带管帽，放散压力为1.6MPa。根据建筑物防雷设计规范3.3.2条规定，第二类防雷建筑物的防雷措施中，排放爆炸危险气体、蒸气或粉尘的放散管、呼吸阀、排风管

8、等的管口外的以下空间应处于接闪器的保护范围内，当有管帽时应按表1确定，接闪器与雷闪的接触点应设在上述空间之外。而爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范2.3.7条规定，对于易燃物质轻于空气，通风良好且为第二级释放源的主要生产装置区，其爆炸危险区域的范围划分，宜符合下列规定，以释放源为中心，半径为4.5m，顶部与释放源的距离为7.5m，及释放源至地坪以上的范围内划为2区。根据前面已经阐述的氢的本身性质特点，参照爆炸危险环境的区域划分，因此考虑爆炸危险区域需在防雷保护范围内，所以在计算避雷针高度的时候，避雷针接闪点在2区爆炸危险区域外，本设计对于放散管的防雷保护采用预放电避雷针作为防雷接闪器。预放电避

9、雷针的保护半径Rp根据法国国家标准提前放电避雷针应用和测试标准(NFC17-102：1995)计算(国内关于预放电避雷针无相关标准规范，特参照法国国家标准)。安亭加氢站的放散管高度为10m，管口上方7.5m应是保护范围。根据20m高度提前预防电时间为50s的预放电避雷针的保护曲线和安亭加氢站的站区平面布置图，得出：设计中的预放电避雷针可以保护放散管及其管口外的区域，见图1。通过以上对于预放电避雷针的保护曲线的计算，站区生产设备区内的压缩机、卸车处、储氢瓶组区以及其2区爆炸危险环境均已在保护曲线内，因此，站区内其他工艺设备区域不在单独设置防雷接闪装置。3.2.2防雷电感应和防雷电波侵入措施加氢站

10、内所有的工艺设备、管道、建筑物构架、电缆金属外皮、保护钢管两端、天棚钢屋架、铁窗和突出屋面的放散管、风管等均接到站区接地网上。站房内配电箱以及现场设备控制箱均装有SPD电涌吸收装置，以此防雷电感应以及雷电波侵入。3.3对于接地的设计思路3.3.1站区内防雷、防静电以及工作接地对于防雷接地、防静电接地以及工作接地采用总等电位接地，共用接地装置，接地电阻不大于1。在接地中采用了总等电位接地，将防雷接地、防静电接地以及工作接地全部接入站区接地网中。例如，雷击时，高电压击中避雷针，大电流通过放电进入到地下，避雷针接地系统电位被迅速抬高，这时如果避雷针没有与站区的接地网连接，站区的接地网的电位还维持在原

11、状，这时避雷针的接地网的电位与站区内接地网的电位之间就形成了电位差，如果两个接地网之间的距离保持足够大的话，不会形成放电间隙，不会发生反击，但是安亭加氢站占地面积有限，安全间距不够，这样就会造成避雷针的接地网对站区内接地网进行放电，形成反击，同样这时人如果在避雷针边时，在两脚间会形成跨步电压，发生雷击事故。因此，在站区内使用共用接地装置，并形成网格，采用了总等电位的设计思路，避免形成独立接地网之间的电位差，从而避免雷击事故。3.3.2站区内防静电措施以及防静电接地(1)防静电措施：防静电主要考虑站区内地面以上以及在管沟内的工艺管道。在工艺管道的始端、终端、分支处用镀锌扁钢把所有管道跨接。工艺管

12、道的法兰接头、金属软管两端、胶管两端（装卸接头与金属管道）间,采用断面不小于6mm2的绞铜线跨接。在平行管道之间采用绞铜线跨接，跨接点的间距不大于30m，在氢气压缩机、氢气压力调节阀组间、加氢机等设备的进出管道处、不同爆炸危险环境边界、可燃气体管道分岔处及长距离无分支管道每隔50m处，均设防静电接地卡。(2)防静电接地的考虑：在氢气卸车区、氢气罐束车区、压缩机区和加氢区均设置了防静电接地装置，接地装置接入站区接地网内，以便于工艺设备、氢气槽车、加氢车辆以及地面以上工艺管道和人员操作需要临时就近防静电接地，在工艺管沟内预留了接地扁铁，并与沟边角钢连接，且接入站区接地网内。4结论安亭加氢站于2006年底完成建设并投入运营。目前，已正常运营两年有余。通过这次加氢站的设计，对加氢站的建设提供了可参照的先例，是爆炸危险环境中的防雷、防静电、接地等安全措施在加氢站中的一次实践，并且针对加氢站的特殊性，提出了特殊的解决方案。为加快燃料汽车的发展提供了客观条件以及物质基础。9