火車裝卸油環(huán)節(jié)應(yīng)用雷電監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的研究

吳化龍 呂志明 葛建立

1 中石油云南石化有限公司 云南安寧 650399；2 獨山子石化公司 新疆獨山子 833600

1 火車裝卸油作業(yè)的業(yè)務(wù)特點和防雷需求

國內(nèi)鐵路裝卸油是成品油轉(zhuǎn)運的重要環(huán)節(jié)?；疖囇b油作業(yè)為露天敞口作業(yè)，由于油品自身具有易揮發(fā)性，在裝油過程中，油氣會從火車罐口揮發(fā)，在夏季高溫環(huán)境下這一問題更為突出（夏季油罐溫度可達40℃以上）。由于油品具有易燃、易爆特點，裝卸油作業(yè)時因各種原因揮發(fā)的油氣一旦遭受雷擊，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。而且，鐵路裝卸油作業(yè)區(qū)及附近的大型油庫占地面積較大，且為都在露天作業(yè)，受雷電影響較大，可能因直接雷擊、雷電感應(yīng)、雷電波引入、反擊等對油罐和其他他設(shè)備（尤其是電子設(shè)備）造成危害。

傳統(tǒng)的雷電防護方案是通過建筑工程設(shè)計安裝避雷針防護，這些方案是依據(jù)GB500571[1]、IEC61312- 1[2]等標準對建筑進行的被動式防護。傳統(tǒng)防雷設(shè)施可以較好地避免直擊雷的傷害，但是對由于直擊雷帶來的感應(yīng)雷擊和由電力線傳入的感應(yīng)雷作用有限，而這些雷擊均可能引起電器設(shè)備損壞、著火，甚至爆炸。因此，《鐵路裝卸油區(qū)安全規(guī)定》“雷雨時，禁止收發(fā)油作業(yè)，并使設(shè)備復(fù)位?！?/p>

鐵路裝卸油作業(yè)的主要雷電危害如下：

（1）安全事故：比較典型的是火災(zāi)和人身傷害。根據(jù)石油行業(yè)標準SY/ T6556- 2003（大型地面常壓儲罐防火和滅火）對已報道的107 起油罐火災(zāi)案例的調(diào)查，65 例為雷擊火災(zāi)，比例高達61%。深入的調(diào)查表明，幾乎所有的油罐雷擊火災(zāi)均發(fā)生在收發(fā)油階段。

（2）生產(chǎn)事故：比較典型的是雷電導(dǎo)致電網(wǎng)跳閘、計量系統(tǒng)失靈。

（3）效率損失：鐵路裝卸油作業(yè)，尤其是大型鐵路裝卸油作業(yè)是一項需要多方協(xié)同的較長時間的作業(yè)活動，為了高效地執(zhí)行該項活動，需要良好的計劃。由于缺乏對雷電臨近可量化的觀測和預(yù)測手段，實踐中大量根據(jù)人工判斷執(zhí)行相應(yīng)的防護預(yù)案（根據(jù)安全規(guī)范，雷電來臨時停止收發(fā)油作業(yè)），從而導(dǎo)致兩個極端：要么過于保守，大大增加了無效工作時間，導(dǎo)致運營效率低下，同時裝卸油時間的延長會使油氣揮發(fā)加大，也加大了安全風險；要么過于激進，出現(xiàn)雷電漏報和安全時間窗不夠，導(dǎo)致預(yù)案失靈，造成雷擊安全事故。

2 在火車裝卸油作業(yè)中應(yīng)用雷電預(yù)警技術(shù)

某煉化企業(yè)（以下簡稱企業(yè)）地處云南省安寧市，屬高原低緯度亞熱帶季風氣候，地形呈東南高、西北低，有八街、連然、祿 脿3 個山間盆地，為雷電高發(fā)區(qū)域。公司占地300 公頃，原油加工能力1000 萬t/ a，可生產(chǎn)汽油、柴油、航煤、丙烯、液化氣、甲苯、混合二甲苯、硫磺和瀝青等16 類69 種產(chǎn)品，對雷電高度敏感。該企業(yè)自2020 年6 月開始應(yīng)用雷電監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，根據(jù)2020 年6—11 月的雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，周邊50km 內(nèi)共發(fā)生雷電11358 次，周邊10km 內(nèi)發(fā)生519 次，全年共計63 個雷暴日。

為保障鐵路裝卸油作業(yè)的安全，提升鐵路收發(fā)油效率，該企業(yè)啟用了雷電監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)。

2.1 三級四色雷電告警機制

為了提醒用戶，方便其采取一切可能的預(yù)防措施，雷電監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)為可能受到雷擊威脅的目標區(qū)域提供警報。該預(yù)警系統(tǒng)需要基于一定區(qū)域范圍的探測數(shù)據(jù)進行判斷，根據(jù)火車裝卸油作業(yè)業(yè)務(wù)服務(wù)目標，系統(tǒng)在運行之前確定和配置好目標區(qū)域(TA)、周邊區(qū)域(SA)和監(jiān)測區(qū)域（MA）[3]。

將企業(yè)火車裝卸油作業(yè)及油庫區(qū)域等重點防護的區(qū)域確定為目標區(qū)域(TA)；將目標區(qū)域外擴1km 的區(qū)域確定為周邊區(qū)域(SA)；分別將目標區(qū)域外擴30km、60km、90km、120km 和150km 確定為不同的監(jiān)測區(qū)域(MA)。

在雷電監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)上，每個雷的具體詳細信息顯示如圖1 所示，包括雷擊發(fā)生的位置 (經(jīng)緯度102.368324.9142)、時間、強度、類型(云閃或云地閃)，以及該結(jié)果是由多少個雷電定位儀一起參與定位得到的等。雷電監(jiān)測網(wǎng)實時監(jiān)測雷電的發(fā)生情況，并在雷擊發(fā)生后10s 內(nèi)將信息通知對應(yīng)的值班人員（短信/ 或微信），或者直接將信息發(fā)到應(yīng)急指揮系統(tǒng)。這樣，監(jiān)控人員在雷擊發(fā)生后極短的時間內(nèi)就能確定雷電發(fā)生的準確位置。

企業(yè)火車裝卸油作業(yè)雷暴告警機制為一整套預(yù)先制定好的協(xié)議、制度、方法、動作和措施，為了預(yù)警和響應(yīng)方便，告警機制確定預(yù)警級別及期相關(guān)的警報顏色。預(yù)警級別共三級：預(yù)警級、響應(yīng)級、擊中救援級。四色告警分別是藍色告警、黃色告警、紅色告警、擊中告警（白色閃爍）。

（1）藍色告警表示雷暴預(yù)警系統(tǒng)判斷雷暴可能會在預(yù)警準備提前時間內(nèi)(1～2h)經(jīng)臨目標區(qū)域。隨著時間的推進和雷暴過程的實際演化，預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)進一步的觀測數(shù)據(jù)作出新的預(yù)測：藍色告警有可能會升級為紅色告警或者黃色告警，也可能會摘除而進入正常安全狀態(tài)（警報解除）。藍色告警的響應(yīng)動作通常為準備類動作：比如檢查消防設(shè)施是否正常，提醒相關(guān)崗位人員注意等。

（2）黃色告警/ 紅色告警都表示雷暴預(yù)警系統(tǒng)預(yù)測雷暴將在半小時內(nèi)經(jīng)臨目標區(qū)域，兩者之間的區(qū)別在于：紅色告警代表較強的雷暴過程，往往表現(xiàn)為多個雷暴云團或閃電密度很大的雷暴云團；黃色告警代表較弱雷暴過程，往往表現(xiàn)為單個雷暴云團或者閃電密度小的小型雷暴云團。

（3）黃色告警的預(yù)警信息展示上以黃色顯示預(yù)警信息，提醒安全信息接收人員注意，同時發(fā)出黃色警報信息給安全信息接收人員；安全信息接收人員通知業(yè)務(wù)人員，相關(guān)業(yè)務(wù)人員根據(jù)預(yù)先確定的規(guī)則作出相應(yīng)的響應(yīng)動作。

（4）紅色告警的預(yù)警信息展示上以紅色顯示預(yù)警信息，提醒安全信息接收人員注意，同時發(fā)出紅色警報信息給安全信息接收人員；安全信息接收人員通知業(yè)務(wù)人員，相關(guān)人員根據(jù)預(yù)先確定的規(guī)則作出對應(yīng)的響應(yīng)動作。

（5）當雷擊發(fā)生在目標區(qū)域內(nèi)時，會觸發(fā)擊中告警。擊中告警的預(yù)警信息展示落在目標區(qū)域內(nèi)的雷擊信息（包含位置、強度和時間）。擊中告警的落雷展示為炫目白色閃爍，同時發(fā)出擊中警報給預(yù)警安全信息接收人員；安全信息接收人員緊急通知業(yè)務(wù)人員，業(yè)務(wù)相關(guān)人員根據(jù)預(yù)先確定的協(xié)議、規(guī)則作出相應(yīng)的動作。擊中警報對應(yīng)的動作多為應(yīng)急類、防護類和救援類。如果發(fā)現(xiàn)著火事故，根據(jù)安全規(guī)定進行火災(zāi)撲救措施，并立即通知消防人員等。其他擊中告警的主要目的是幫助中控室和現(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”。

2.2 應(yīng)急決策和響應(yīng)流程

當有雷擊風險時，預(yù)警網(wǎng)發(fā)出雷擊預(yù)警信息通知安全值班人員；值班人員對預(yù)警信息進行人工評估，結(jié)合雷電監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)的可視化展示信息，確認雷暴中心的位置、距離及移動發(fā)展情況；同時，結(jié)合當前的外部因素，綜合研判，按照預(yù)先制定的分級標準和應(yīng)急響應(yīng)策略確定發(fā)布預(yù)警的級別和時間點；火車裝卸油各作業(yè)人員收到預(yù)警信息后，根據(jù)預(yù)警級別執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)急動作（圖2）。

圖2 應(yīng)急決策及應(yīng)急響應(yīng)流程

2.3 應(yīng)急響應(yīng)策略

系統(tǒng)運行前，要完成預(yù)警分級標準的制定、停工時間窗口、響應(yīng)策略，以及應(yīng)急預(yù)案聯(lián)動各作業(yè)人員的應(yīng)急動作。其中雷電應(yīng)急響應(yīng)及其解除分別見表1 和表2。

3 雷電監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，2020 年6—11 月共有46 次雷擊發(fā)生在企業(yè)雷電防護目標區(qū)內(nèi)，其中云閃2 次、地閃44次，這些雷擊有可能導(dǎo)致安全事故。

高雷暴日分析（圖3）表明，觀測期限內(nèi)共有63 個雷暴日（周邊10km 內(nèi)雷擊數(shù)量大于1 的天數(shù)），大量的雷擊集中在少數(shù)天數(shù)。詳細的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，全年80%的雷擊發(fā)生在8 個雷暴日內(nèi)，分別是6 月30 日、6月25 日、8 月22 日、6 月10 日、7 月31 日、7 月2 日、8月5 日和8 月15 日。這為雷電防御計劃的制定提供了量化的決策依據(jù)。

表1 雷電應(yīng)急響應(yīng)策略

表2 警報解除策略

圖3 高雷暴日分析

4 典型雷暴過程

從生成與運移規(guī)律上，雷暴過程大體分為局地性熱雷暴（雷暴單體較少，原地生消）和系統(tǒng)性雷暴（多雷暴單體，移動特征明顯，運移路徑有規(guī)律）。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，區(qū)域的雷暴過程主要是系統(tǒng)性雷暴，運移方式東北向西南。系統(tǒng)性雷暴運移規(guī)律的存在，為區(qū)域雷暴過程的早期識別提供了更好的條件和時間窗口。

在統(tǒng)計時段（2020 年6 月30 日14:52～16:06）內(nèi)，共發(fā)生雷擊491 次。產(chǎn)生方式為自西北向東南，屬系統(tǒng)性雷暴。

5 結(jié)論

雷電監(jiān)測預(yù)警技術(shù)在某煉化企業(yè)火車裝卸油環(huán)節(jié)中主動防雷的應(yīng)用，構(gòu)建了一個完整的火車裝卸油作業(yè)的雷電防護體系。包括充分利用雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)獲得可靠的預(yù)警結(jié)果，雷電分級標準的制定、停工時間窗口的管理、應(yīng)急預(yù)案的聯(lián)動等。雷電預(yù)警能夠準確地預(yù)測出油庫作業(yè)地區(qū)受影響的時間區(qū)段、地理范圍及強度，并且根據(jù)相關(guān)作業(yè)標準第一時間確定復(fù)工時間，從而減少雷電對工作的影響，在保證安全的前提下提升火車裝卸油作業(yè)的運行效率。應(yīng)用雷電監(jiān)測預(yù)警技術(shù)為某煉化企業(yè)火車裝卸油作業(yè)提供了可靠、可執(zhí)行的雷電主動式防護系統(tǒng)和方法。