火車裝卸油環節應用雷電監測預警技術的研究

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 火車裝卸油作業的業務特點和防雷需求

國內鐵路裝卸油是成品油轉運的重要環節。火車裝油作業為露天敞口作業，由于油品自身具有易揮發性，在裝油過程中，油氣會從火車罐口揮發，在夏季高溫環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，裝卸油作業時因各種原因揮發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損失。而且，鐵路裝卸油作業區及附近的大型油庫占地面積較大，且為都在露天作業，受雷電影響較大，可能因直接雷擊、雷電感應、雷電波引入、反擊等對油罐和其他他設備（尤其是電子設備）造成危害。

傳統的雷電防護方案是通過建筑工程設計安裝避雷針防護，這些方案是依據GB500571[1]、IEC61312- 1[2]等標準對建筑進行的被動式防護。傳統防雷設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雷擊和由電力線傳入的感應雷作用有限，而這些雷擊均可能引起電器設備損壞、著火，甚至爆炸。因此，《鐵路裝卸油區安全規定》“雷雨時，禁止收發油作業，并使設備復位。”

鐵路裝卸油作業的主要雷電危害如下：

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

（2）生產事故：比較典型的是雷電導致電網跳閘、計量系統失靈。

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

2 在火車裝卸油作業中應用雷電預警技術

某煉化企業（以下簡稱企業）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，為雷電高發區域。公司占地300 公頃，原油加工能力1000 萬t/ a，可生產汽油、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 種產品，對雷電高度敏感。該企業自2020 年6 月開始應用雷電監測預警技術，根據2020 年6—11 月的雷電監測數據，周邊50km 內共發生雷電11358 次，周邊10km 內發生519 次，全年共計63 個雷暴日。

為保障鐵路裝卸油作業的安全，提升鐵路收發油效率，該企業啟用了雷電監測和預警技術。

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防措施，雷電監測和預警系統為可能受到雷擊威脅的目標區域提供警報。該預警系統需要基于一定區域范圍的探測數據進行判斷，根據火車裝卸油作業業務服務目標，系統在運行之前確定和配置好目標區域(TA)、周邊區域(SA)和監測區域（MA）[3]。

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

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

企業火車裝卸油作業雷暴告警機制為一整套預先制定好的協議、制度、方法、動作和措施，為了預警和響應方便，告警機制確定預警級別及期相關的警報顏色。預警級別共三級：預警級、響應級、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警系統判斷雷暴可能會在預警準備提前時間內(1～2h)經臨目標區域。隨著時間的推進和雷暴過程的實際演化，預警系統根據進一步的觀測數據作出新的預測：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（警報解除）。藍色告警的響應動作通常為準備類動作：比如檢查消防設施是否正常，提醒相關崗位人員注意等。

（2）黃色告警/ 紅色告警都表示雷暴預警系統預測雷暴將在半小時內經臨目標區域，兩者之間的區別在于：紅色告警代表較強的雷暴過程，往往表現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）黃色告警的預警信息展示上以黃色顯示預警信息，提醒安全信息接收人員注意，同時發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務人員，相關業務人員根據預先確定的規則作出相應的響應動作。

（4）紅色告警的預警信息展示上以紅色顯示預警信息，提醒安全信息接收人員注意，同時發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務人員，相關人員根據預先確定的規則作出對應的響應動作。

（5）當雷擊發生在目標區域內時，會觸發擊中告警。擊中告警的預警信息展示落在目標區域內的雷擊信息（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，同時發出擊中警報給預警安全信息接收人員；安全信息接收人員緊急通知業務人員，業務相關人員根據預先確定的協議、規則作出相應的動作。擊中警報對應的動作多為應急類、防護類和救援類。如果發現著火事故，根據安全規定進行火災撲救措施，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場人員在最短的時間內發現事故、鎖定事故點，為緊急救援贏得“黃金時間”。

2.2 應急決策和響應流程

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

圖2 應急決策及應急響應流程

2.3 應急響應策略

系統運行前，要完成預警分級標準的制定、停工時間窗口、響應策略，以及應急預案聯動各作業人員的應急動作。其中雷電應急響應及其解除分別見表1 和表2。

3 雷電監測結果統計

根據觀測數據，2020 年6—11 月共有46 次雷擊發生在企業雷電防護目標區內，其中云閃2 次、地閃44次，這些雷擊有可能導致安全事故。

高雷暴日分析（圖3）表明，觀測期限內共有63 個雷暴日（周邊10km 內雷擊數量大于1 的天數），大量的雷擊集中在少數天數。詳細的數據統計顯示，全年80%的雷擊發生在8 個雷暴日內，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。

表1 雷電應急響應策略

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）和系統性雷暴（多雷暴單體，移動特征明顯，運移路徑有規律）。根據觀測數據，區域的雷暴過程主要是系統性雷暴，運移方式東北向西南。系統性雷暴運移規律的存在，為區域雷暴過程的早期識別提供了更好的條件和時間窗口。

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

5 結論

雷電監測預警技術在某煉化企業火車裝卸油環節中主動防雷的應用，構建了一個完整的火車裝卸油作業的雷電防護體系。包括充分利用雷電監測預警系統獲得可靠的預警結果，雷電分級標準的制定、停工時間窗口的管理、應急預案的聯動等。雷電預警能夠準確地預測出油庫作業地區受影響的時間區段、地理范圍及強度，并且根據相關作業標準第一時間確定復工時間，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的運行效率。應用雷電監測預警技術為某煉化企業火車裝卸油作業提供了可靠、可執行的雷電主動式防護系統和方法。