淺談雷電預(yù)警系統(tǒng)在石油化工企業(yè)的應(yīng)用

孫偉心

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

石油及其衍生產(chǎn)品具有易揮發(fā)、易燃、易爆的特點，在其生產(chǎn)、加工、存儲和轉(zhuǎn)運過程中，一旦遭受雷擊，往往會引起爆炸著火事故，造成重大人員傷亡及財產(chǎn)損失。

但由于傳統(tǒng)雷電防御技術(shù)的局限，每年依然頻發(fā)嚴重的安全事故。因此世界各國均大力發(fā)展雷電監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，試圖在雷電發(fā)生早期能夠準確地預(yù)測雷電的發(fā)生區(qū)域、強度及運移規(guī)律，采取主動防御措施，防患于未然。

1 雷電的危害

雷電對于石油石化行業(yè)的危害主要體現(xiàn)在3個方面。一是雷電引發(fā)油庫火災(zāi)或人身傷害等安全事故；二是雷擊造成供電中斷，引發(fā)生產(chǎn)過程中斷、計量失靈等生產(chǎn)事故；三是對于雷電過度防御造成無效停工，影響作業(yè)效率。

1.1 安全事故

1.1.1雷擊是大型油庫火災(zāi)事故的第一大原因

多項研究表明，雷擊是油庫火災(zāi)事故的第一大火源。中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準SY/T 6556-2003[1]對1951～1995年期間107例大型地面儲罐火災(zāi)進行研究，65例確定為雷擊引發(fā)，占總數(shù)的61%。LASTFIRE對16家石油公司直徑40 m以上大型頂儲罐火災(zāi)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)62起火災(zāi)中有55起為密封圈火災(zāi)，其中52起由雷電引起。瑞典SP研究所對1951～2003年期間的480起油庫火災(zāi)進行調(diào)查，1/3是雷擊造成的。

利用公共情報分析工具對北美地區(qū)的油庫雷擊火災(zāi)進行查詢，僅2019年4～7月的4個月時間，在美國有公開報道的油庫雷擊火災(zāi)事故就超過20起。而國內(nèi)2006年儀征油庫、2007年鎮(zhèn)海煉化、2007年鎮(zhèn)海國儲庫、2011年大連新港油庫、2010年克拉瑪依商儲庫、2012年鶴山油庫的雷擊火災(zāi)事故，說明我國石油庫面臨的雷擊事故的問題和嚴重性與全球是類似的。

1.1.2雷電天氣下進行作業(yè)是主要的隱患環(huán)節(jié)

對大量油庫火災(zāi)案例的研究發(fā)現(xiàn)，雷擊引發(fā)油庫火災(zāi)多發(fā)生在如下作業(yè)環(huán)節(jié)：①油庫收發(fā)油作業(yè)環(huán)節(jié)。油庫收發(fā)油過程中，浮頂沉降導(dǎo)致罐體內(nèi)壁懸掛油品，在雙層密封圈之間的空間形成爆炸性混合物(這也是大型油罐火災(zāi)多為密封圈火災(zāi)的原因)，一旦遭遇雷擊，極易導(dǎo)致起火或閃爆。數(shù)據(jù)證實，大多數(shù)的油庫雷擊火災(zāi)都是發(fā)生在收發(fā)油過程中；②開罐作業(yè)環(huán)節(jié)。除收、發(fā)、輸轉(zhuǎn)油作業(yè)之外，量油、洗艙等開罐作業(yè)，也是因雷擊引發(fā)閃爆及火災(zāi)的隱患環(huán)節(jié)；③油輪作業(yè)環(huán)節(jié)。相比較陸上油庫，油輪處于空曠空間，并且缺乏防雷設(shè)施保護，雷擊后果格外嚴重，裝卸油、洗艙、掃艙作業(yè)過程是其中最危險的環(huán)節(jié)。

1.2 生產(chǎn)事故

雷電除了引起安全事故外，生產(chǎn)事故的影響后果也是相當(dāng)大的。其中，供電中斷和電氣設(shè)備雷擊故障往往對裝置是致命的。

1.2.1供電中斷

輸電線路夏季(雨季)斷電的主要原因是雷擊，國內(nèi)統(tǒng)計雷擊的比例高達60%～80%，配電網(wǎng)因雷擊跳閘的比例也達到40%～60%。由于技術(shù)和成本的原因，輸配電網(wǎng)無法完全避免雷擊跳閘事故的發(fā)生。因此，跳閘之后的及時修復(fù)、減少停電時間是降低損失的關(guān)鍵。

事故發(fā)生之后，搶維修人員需執(zhí)行巡線，確定故障類型和故障點。但由于輸電線路距離長，穿越地形復(fù)雜，并且雷雨天氣巡線作業(yè)難度高，導(dǎo)致修復(fù)時間過長。根據(jù)國內(nèi)油田的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，線路跳閘后的修復(fù)時間平均4～6 h，其中80%時間用于巡線查找故障點。

通過引入閃電定位技術(shù)，當(dāng)供電線路發(fā)生跳閘時，對電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)中的跳閘時間和故障線路與閃電定位系統(tǒng)中的雷擊信息進行匹配，就能夠精準地判斷跳閘是否由雷電引發(fā)，并且確定雷擊發(fā)生的桿塔位置。以此為依據(jù)，指導(dǎo)維修人員執(zhí)行強送電、緊急修復(fù)、事故原因確認等工作，進而大幅減少停電時間。

1.2.2電子電氣設(shè)備雷擊故障

電子電氣設(shè)備的雷電事故80%以上是因為雷電流脈沖沿市電線路竄入所致。主動防御的重點在于，雷暴臨近本場時，及時關(guān)停電氣系統(tǒng)，或者改由UPS/EPS供電，阻斷雷擊路徑；或關(guān)停災(zāi)備，以備極端狀況下自控系統(tǒng)的及時恢復(fù)；或?qū)⒙?lián)鎖自保改為手動，以免將雷電流脈沖誤識別為裝置故障引發(fā)停車。

1.3 效率損失

在石油石化的安全管理規(guī)定中，對雷電天氣下的作業(yè)做了嚴格的要求，一旦發(fā)現(xiàn)雷電，必須停止油庫、油輪作業(yè)和危險物品的裝卸作業(yè)。由于雷電臨近量化預(yù)測手段的缺失，導(dǎo)致現(xiàn)場人員有時在雷電很遠、沒有真實危險的狀況下，就頻繁停工，導(dǎo)致效益損失。實證研究表明：雷雨天氣下油庫、油輪作業(yè)和裝卸站的?；费b卸作業(yè)的停工，有80%以上屬非必要停工。

2 雷電預(yù)警的必要性

鑒于雷電對石油化工企業(yè)造成重大的影響，對雷電監(jiān)測預(yù)警的必要性提出的明確的要求。目前中國的安全生產(chǎn)主管部門和相關(guān)企業(yè)集團的規(guī)劃和條例中，也明確提出了對雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)要求。

2.1 國家對雷電預(yù)警的要求

原國家安監(jiān)總局《危險化學(xué)品安全生產(chǎn)“十三五”規(guī)劃》中明確了要推廣危險化學(xué)品庫區(qū)雷電預(yù)警等先進工藝技術(shù)和裝備。

《石油庫安全管理規(guī)定(送審稿)》中要求對多雷區(qū)或強雷區(qū)的二級以上石油庫應(yīng)建立本地雷電預(yù)警與遠程雷電預(yù)警相結(jié)合的綜合雷電預(yù)警系統(tǒng)。

2.2 企業(yè)對雷電預(yù)警的要求

中國石油化工集團公司《中國石化防雷防靜電安全管理辦法》中要求處于多雷區(qū)、強雷區(qū)的野外作業(yè)單位，以及油氣鉆井、集輸站場、大型油庫和煉化企業(yè)等應(yīng)建立雷電臨近預(yù)警系統(tǒng)。

2.3 裝置安全對雷電預(yù)警的要求

雷電對石油化工裝置造成的危害是顯而易見的，在目前嚴峻安全形勢下，減少和避免安全事故的發(fā)生是安全管理的重點。建設(shè)雷電預(yù)警系統(tǒng)，對減少雷電引起的安全事故、生產(chǎn)事故和生產(chǎn)效率損失是一種有效的手段之一。目前雷電精準探測和量化預(yù)警手段的缺失，導(dǎo)致雷電主動防御計劃多由人工根據(jù)經(jīng)驗來決定雷電敏感作業(yè)的啟停窗口。因此，需要大力發(fā)展雷電監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，在雷電發(fā)生早期就能準確地預(yù)測雷電的發(fā)生和運移趨勢，顯得非常有必要。

3 雷電預(yù)警系統(tǒng)

3.1 雷電預(yù)警模型

雷電預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是雷暴臨近預(yù)測模型，該模型能夠提前發(fā)出雷電預(yù)警信息，有效地避免雷擊對防護區(qū)域內(nèi)工作人員和設(shè)備造成的損害。

在氣象領(lǐng)域，雷暴的短臨預(yù)報使用的是主觀臨近預(yù)報和客觀算法的臨近預(yù)報[2]。主觀臨近預(yù)報基于多普勒天氣雷達觀測數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他資料(氣象衛(wèi)星云圖等)的臨近預(yù)報；客觀算法包括雷達回波或云圖外推算法和強對流天氣識別，但雷電的預(yù)報預(yù)警成功率相當(dāng)有限。

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，將海量的歷史雷電發(fā)生數(shù)據(jù)和其他氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)通過深度學(xué)習(xí)方法進行處理和建模，進而獲得更精準的局地雷電預(yù)警模型。

在實踐中，雷電預(yù)警多數(shù)是采用基于閃電定位數(shù)據(jù)和大氣電場數(shù)據(jù)的預(yù)測方法[3]。采用電場儀或電場儀組網(wǎng)方式，通過測量防護區(qū)近地大氣電場的場強及變化趨勢，判斷未來雷電發(fā)生的概率，進而通過設(shè)定場強閾值，定義不同的告警級別，在不同告警級別下制定應(yīng)急預(yù)案，執(zhí)行停止收發(fā)油作業(yè)等動作，達到主動防雷的目的。

3.2 雷電預(yù)警模型建立

新的雷暴臨近預(yù)報預(yù)警技術(shù)，以閃電定位數(shù)據(jù)和其他氣象觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以防護區(qū)域為主要研究本體，使用評分工程方法，利用XGB算法構(gòu)建防護區(qū)域雷擊發(fā)生概率的評分模型，解決0～2 h臨近預(yù)警問題，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模型結(jié)構(gòu)

其中A1、A2、…An為n個基礎(chǔ)特征數(shù)據(jù)，以上述n個特征數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個XGB雷電預(yù)測模型，輸出為防護區(qū)發(fā)生雷擊的概率值(0～1之間的概率數(shù)值)。

3.2.1數(shù)據(jù)來源

雷電預(yù)警模型數(shù)據(jù)來源于三維閃電定位儀以及其他氣象觀測數(shù)據(jù)如氣象雷達云圖等，其中閃電定位數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)。

三維閃電定位儀是由中科院空間中心雷電探測研究室研制的高精度雷暴云地回擊、云內(nèi)閃擊三維定位探測系統(tǒng)(LLS)，在毫秒級別對雷擊進行定位。探測精度平均在300 m左右，探測效率達95%。利用閃電定位儀采集區(qū)域范圍內(nèi)所發(fā)生的雷電定位數(shù)據(jù)信息，主要包括雷電發(fā)生的時間、雷電的發(fā)生的位置(經(jīng)緯度信息)、雷電發(fā)生時距離地面的高度等屬性信息。

3.2.2特征提取

在獲取雷電定位數(shù)據(jù)和防護區(qū)域的其他氣象觀測數(shù)據(jù)(如氣象雷達云圖等)之后，數(shù)據(jù)特征的提取是必要的，也是重要的。根據(jù)雷電的周期性、瞬時性、移動性等特點，對采集的數(shù)據(jù)源進行了如下針對性的特征提?。孩倮妆┙咏龋豪妆﹫F到防護點的距離；②近距離雷電總數(shù)量；③防護區(qū)的雷暴接近速度：雷暴團距離防護區(qū)最近的部位接近防護區(qū)的速度；④雷擊的增加趨勢：雷暴團在表現(xiàn)窗口內(nèi)能量的增強趨勢。

3.2.3模型訓(xùn)練與評估

模型訓(xùn)練所需的特征值選取完成后，接下來的任務(wù)是利用特征變量數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，得到最佳參數(shù)。采用XGB(extreme gradient boosting)集成機器機器學(xué)習(xí)的方法，對數(shù)據(jù)進行分類學(xué)習(xí)。在模型訓(xùn)練好以后，采用的模型評價指標(biāo)是AUC(Area Under roc Curve)值和ROC(Receiver Operating Characteristic)曲線，利用在石化區(qū)域監(jiān)測的雷電定位數(shù)據(jù)和其他氣象觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得到的模型的AUC值達到0.95(見公式1)，最佳的表現(xiàn)為1，表明該模型具有很好的分類效果[4]。

auc是roc曲線的面積，常用來評價二分類系統(tǒng)的好壞。

(1)

式中x，y分別是FPR和TPR，是roc曲線的橫縱坐標(biāo)；

TPR為真正例率，F(xiàn)PR為假正例率。

3.3 雷電預(yù)警系統(tǒng)告警標(biāo)準

3.3.1雷電主動防御計劃的基本執(zhí)行原則

石油化工行業(yè)雷電災(zāi)害主動防御的關(guān)鍵在于對雷暴全過程的有效探測和量化預(yù)警[4]。雷電主動防御計劃的基本執(zhí)行原則為：①在雷暴可能臨近本場時，推遲未開始的危險作業(yè)；②在雷暴即將到達本場時，終止所有危險作業(yè)；③雷暴經(jīng)過本場時，密切關(guān)注落雷點信息，以便及時救援；④在雷暴離開本場時，及時恢復(fù)作業(yè)，并展開應(yīng)急巡檢和隱患排查。

3.3.2雷電預(yù)警系統(tǒng)告警分級

雷電預(yù)警系統(tǒng)告警分為三級四色：Ⅲ級(藍色預(yù)警級)、Ⅱ級(黃色)/Ⅰ級(紅色)響應(yīng)級、擊中救援級(灰色預(yù)警級)。

a) Ⅲ級(藍色預(yù)警)：表示雷暴過程可能會在1 h內(nèi)經(jīng)臨本場。隨著時間的推進和雷暴過程的演化，藍色預(yù)警有可能會升級為黃或紅色告警，也可能會摘除。

b) Ⅱ級(黃色預(yù)警)/Ⅰ級(紅色預(yù)警)：都表示雷暴將在0.5 h內(nèi)經(jīng)臨本場。有所不同的是，紅色預(yù)警代表高雷暴過程，往往表現(xiàn)為多個雷暴云團陸續(xù)經(jīng)臨；黃色預(yù)警代表中低雷暴過程，往往表現(xiàn)為單個雷暴云團經(jīng)臨。在“雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”的界面上，通過查看50 km內(nèi)的雷電分布和雷暴走勢，可以直觀地理解紅色預(yù)警與黃色預(yù)警的不同。黃色預(yù)警情況下，往往表現(xiàn)為一個或少量幾個小型雷暴云；紅色預(yù)警情況下，往往是一大片或者數(shù)量非常多的雷暴云團。同時，黃色與紅色響應(yīng)動作的成本和代價是不一樣的。這樣設(shè)計的原因是：根據(jù)歷史雷暴過程的記錄，強雷暴與中低雷暴的比例嚴重不均衡。強雷暴占據(jù)不到10%的比例，但是雷擊數(shù)量超過80%以上。所以需要對強雷暴下的響應(yīng)動作與中低雷暴下的響應(yīng)動作進行區(qū)別，在保證安全的前提出下，盡量提高生產(chǎn)效率。

c) 雷電擊中告警(灰色預(yù)警級)：當(dāng)雷擊發(fā)生在本場時，實時(2～5 s)發(fā)布告警，并提示雷擊落點和強度?！皳糁懈婢睂?yīng)的動作多為應(yīng)急類、防護類和救援類。比如關(guān)注雷擊點附近的視頻監(jiān)控畫面，確認有無閃爆和燃點；查看儲罐消防光纖光柵有無報警，密切關(guān)注生產(chǎn)參數(shù)有無變化；以及消防戰(zhàn)斗員緊急進入事發(fā)區(qū)域等。“擊中告警”的主要任務(wù)是幫助中控室和現(xiàn)場人員在最短的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)事故、鎖定事故點，為緊急救援贏得黃金時間。由于雷擊具有偶發(fā)性，有可能出現(xiàn)紅色或黃色預(yù)警未發(fā)，而直接發(fā)出雷擊本場的擊中告警，因此應(yīng)確?！包S/紅響應(yīng)動作”與“擊中告警響應(yīng)動作”的設(shè)計盡量無依賴關(guān)系。

4 雷電預(yù)警防御在某石化的應(yīng)用

4.1 某石化區(qū)域雷電特征分析

對照雷電預(yù)警系統(tǒng)和某石化的區(qū)域位置，分析了近三年的雷電數(shù)據(jù)，總結(jié)出雷電影響的頻次和時間，確定雷電特征。

2017年,某石化周邊50 km內(nèi)共發(fā)生雷電83 604次，周邊10 km內(nèi)發(fā)生4 401次，某石化防護區(qū)發(fā)生334次，全年共計43個雷暴日。由圖2可知，雷暴主要分布在6月到10月之間，其中8月達到峰值。

圖2 2017年月度雷擊數(shù)量統(tǒng)計

2018年，某石化周邊50 km內(nèi)共發(fā)生雷電28 469次，周邊10 km 內(nèi)發(fā)生1 245次，某石化防護區(qū)發(fā)生93次，全年共計22個雷暴日。由圖3可知，雷暴主要分布在5月到9月之間，其中9月達到峰值。

圖3 2018年月度雷擊數(shù)量統(tǒng)計

2019年某石化周邊50 km內(nèi)共發(fā)生雷電19 017次，周邊10 km內(nèi)發(fā)生1 921次，某石化防護區(qū)發(fā)生232次，全年共計43個雷暴日。由圖4可知，雷暴主要分布在6月到9月之間，其中8月達到峰值。

圖4 2019年月度雷擊數(shù)量統(tǒng)計

4.2 某石化雷電預(yù)警采取的措施

根據(jù)某石化的雷電特征，結(jié)合石化裝置、庫區(qū)、裝卸站的實際情況，擬定了符合在各個預(yù)警級別下的具體操作指南，明確了在雷電預(yù)警系統(tǒng)三級四色預(yù)警機制下的對應(yīng)各個預(yù)警級別的執(zhí)行標(biāo)準[5]，具體見表1、表2。

表1 “三級四色”雷電告警分級標(biāo)準

表2 應(yīng)急處置卡示例

4.3 雷電預(yù)警實例分析

2020年3月25日，某石化受到雷電影響，影響時間為19:18～21:35。在雷電離石化廠30 km處，預(yù)警系統(tǒng)19:55分發(fā)出了雷電藍色預(yù)警。在雷電進入30 km范圍內(nèi)且有靠近防護區(qū)的趨勢后，20:11分發(fā)出了雷電紅色預(yù)警。經(jīng)過大約半小時，雷電進入某石化防護區(qū)范圍內(nèi)，并且在雷暴過程中，有一個雷擊落在防護區(qū)內(nèi)，此時預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出了雷電擊中告警信息。

通過對上述雷暴過程的闡述，可以看得到雷電預(yù)警模型很好地反映了雷暴發(fā)生的全過程，并通過預(yù)警系統(tǒng)，及時通知某石化現(xiàn)場作業(yè)人員，按照分級標(biāo)準和預(yù)警處置卡，采取了有效的應(yīng)急處置，避免雷電事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

雷電預(yù)警系統(tǒng)在雷電影響石油化工裝置保護區(qū)0.5 h以內(nèi)，通過預(yù)警系統(tǒng)向現(xiàn)場作業(yè)人員發(fā)出分級預(yù)警信息，并采取有效的應(yīng)急處置措施，有效避免了石油化工裝置的雷電事故的發(fā)生。同時也減少了由于雷電預(yù)警不準確，盲目采取停工停業(yè)造成的生產(chǎn)效率損失，影響了企業(yè)的經(jīng)濟損失。雷電預(yù)警系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，不僅對石油化工裝置發(fā)揮了積極作用，同時也對國家其他行業(yè)減少雷電影響起到了借鑒作用。