火車(chē)裝卸油環(huán)節(jié)應(yīng)用雷電監(jiān)測(cè)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(dú)山子石化公司 新疆獨(dú)山子 833600

1 火車(chē)裝卸油作業(yè)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)和防雷需求

國(guó)內(nèi)鐵路裝卸油是成品油轉(zhuǎn)運(yùn)的重要環(huán)節(jié)。火車(chē)裝油作業(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(guò)程中，油氣會(huì)從火車(chē)罐口揮發(fā)，在夏季高溫環(huán)境下這一問(wèn)題更為突出（夏季油罐溫度可達(dá)40℃以上）。由于油品具有易燃、易爆特點(diǎn)，裝卸油作業(yè)時(shí)因各種原因揮發(fā)的油氣一旦遭受雷擊，往往會(huì)引起爆炸著火事故，造成重大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。而且，鐵路裝卸油作業(yè)區(qū)及附近的大型油庫(kù)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(duì)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(hù)方案是通過(guò)建筑工程設(shè)計(jì)安裝避雷針?lè)雷o(hù)，這些方案是依據(jù)GB500571[1]、IEC61312- 1[2]等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑進(jìn)行的被動(dòng)式防護(hù)。傳統(tǒng)防雷設(shè)施可以較好地避免直擊雷的傷害，但是對(duì)由于直擊雷帶來(lái)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(shí)，禁止收發(fā)油作業(yè)，并使設(shè)備復(fù)位。”

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(biāo)準(zhǔn)SY/ T6556- 2003（大型地面常壓儲(chǔ)罐防火和滅火）對(duì)已報(bào)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(dá)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(jì)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(xiàng)需要多方協(xié)同的較長(zhǎng)時(shí)間的作業(yè)活動(dòng)，為了高效地執(zhí)行該項(xiàng)活動(dòng)，需要良好的計(jì)劃。由于缺乏對(duì)雷電臨近可量化的觀測(cè)和預(yù)測(cè)手段，實(shí)踐中大量根據(jù)人工判斷執(zhí)行相應(yīng)的防護(hù)預(yù)案（根據(jù)安全規(guī)范，雷電來(lái)臨時(shí)停止收發(fā)油作業(yè)），從而導(dǎo)致兩個(gè)極端：要么過(guò)于保守，大大增加了無(wú)效工作時(shí)間，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)效率低下，同時(shí)裝卸油時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)使油氣揮發(fā)加大，也加大了安全風(fēng)險(xiǎn)；要么過(guò)于激進(jìn)，出現(xiàn)雷電漏報(bào)和安全時(shí)間窗不夠，導(dǎo)致預(yù)案失靈，造成雷擊安全事故。

2 在火車(chē)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(jiǎn)稱企業(yè)）地處云南省安寧市，屬高原低緯度亞熱帶季風(fēng)氣候，地形呈東南高、西北低，有八街、連然、祿 脿3 個(gè)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(wàn)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(duì)雷電高度敏感。該企業(yè)自2020 年6 月開(kāi)始應(yīng)用雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，根據(jù)2020 年6—11 月的雷電監(jiān)測(cè)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(jì)63 個(gè)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(cè)和預(yù)警技術(shù)。

2.1 三級(jí)四色雷電告警機(jī)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(cè)和預(yù)警系統(tǒng)為可能受到雷擊威脅的目標(biāo)區(qū)域提供警報(bào)。該預(yù)警系統(tǒng)需要基于一定區(qū)域范圍的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，根據(jù)火車(chē)裝卸油作業(yè)業(yè)務(wù)服務(wù)目標(biāo)，系統(tǒng)在運(yùn)行之前確定和配置好目標(biāo)區(qū)域(TA)、周邊區(qū)域(SA)和監(jiān)測(cè)區(qū)域（MA）[3]。

將企業(yè)火車(chē)裝卸油作業(yè)及油庫(kù)區(qū)域等重點(diǎn)防護(hù)的區(qū)域確定為目標(biāo)區(qū)域(TA)；將目標(biāo)區(qū)域外擴(kuò)1km 的區(qū)域確定為周邊區(qū)域(SA)；分別將目標(biāo)區(qū)域外擴(kuò)30km、60km、90km、120km 和150km 確定為不同的監(jiān)測(cè)區(qū)域(MA)。

在雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)上，每個(gè)雷的具體詳細(xì)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(shí)間、強(qiáng)度、類型(云閃或云地閃)，以及該結(jié)果是由多少個(gè)雷電定位儀一起參與定位得到的等。雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)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(shí)間內(nèi)就能確定雷電發(fā)生的準(zhǔn)確位置。

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

（1）藍(lán)色告警表示雷暴預(yù)警系統(tǒng)判斷雷暴可能會(huì)在預(yù)警準(zhǔn)備提前時(shí)間內(nèi)(1～2h)經(jīng)臨目標(biāo)區(qū)域。隨著時(shí)間的推進(jìn)和雷暴過(guò)程的實(shí)際演化，預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)一步的觀測(cè)數(shù)據(jù)作出新的預(yù)測(cè)：藍(lán)色告警有可能會(huì)升級(jí)為紅色告警或者黃色告警，也可能會(huì)摘除而進(jìn)入正常安全狀態(tài)（警報(bào)解除）。藍(lán)色告警的響應(yīng)動(dòng)作通常為準(zhǔn)備類動(dòng)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(cè)雷暴將在半小時(shí)內(nèi)經(jīng)臨目標(biāo)區(qū)域，兩者之間的區(qū)別在于：紅色告警代表較強(qiáng)的雷暴過(guò)程，往往表現(xiàn)為多個(gè)雷暴云團(tuán)或閃電密度很大的雷暴云團(tuán)；黃色告警代表較弱雷暴過(guò)程，往往表現(xiàn)為單個(gè)雷暴云團(tuán)或者閃電密度小的小型雷暴云團(tuán)。

（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(shí)發(fā)出黃色警報(bào)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(dòng)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(shí)發(fā)出紅色警報(bào)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(duì)應(yīng)的響應(yīng)動(dòng)作。

（5）當(dāng)雷擊發(fā)生在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)時(shí)，會(huì)觸發(fā)擊中告警。擊中告警的預(yù)警信息展示落在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的雷擊信息（包含位置、強(qiáng)度和時(shí)間）。擊中告警的落雷展示為炫目白色閃爍，同時(shí)發(fā)出擊中警報(bào)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(dòng)作。擊中警報(bào)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作多為應(yīng)急類、防護(hù)類和救援類。如果發(fā)現(xiàn)著火事故，根據(jù)安全規(guī)定進(jìn)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(chǎng)人員在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)事故、鎖定事故點(diǎn)，為緊急救援贏得“黃金時(shí)間”。

2.2 應(yīng)急決策和響應(yīng)流程

當(dāng)有雷擊風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，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(duì)預(yù)警信息進(jìn)行人工評(píng)估，結(jié)合雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)的可視化展示信息，確認(rèn)雷暴中心的位置、距離及移動(dòng)發(fā)展情況；同時(shí)，結(jié)合當(dāng)前的外部因素，綜合研判，按照預(yù)先制定的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)急響應(yīng)策略確定發(fā)布預(yù)警的級(jí)別和時(shí)間點(diǎn)；火車(chē)裝卸油各作業(yè)人員收到預(yù)警信息后，根據(jù)預(yù)警級(jí)別執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)急動(dòng)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(yùn)行前，要完成預(yù)警分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的制定、停工時(shí)間窗口、響應(yīng)策略，以及應(yīng)急預(yù)案聯(lián)動(dòng)各作業(yè)人員的應(yīng)急動(dòng)作。其中雷電應(yīng)急響應(yīng)及其解除分別見(jiàn)表1 和表2。

3 雷電監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)觀測(cè)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(hù)目標(biāo)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(cè)期限內(nèi)共有63 個(gè)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(xì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，全年80%的雷擊發(fā)生在8 個(gè)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(jì)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(bào)解除策略

圖3 高雷暴日分析

4 典型雷暴過(guò)程

從生成與運(yùn)移規(guī)律上，雷暴過(guò)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(dòng)特征明顯，運(yùn)移路徑有規(guī)律）。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，區(qū)域的雷暴過(guò)程主要是系統(tǒng)性雷暴，運(yùn)移方式東北向西南。系統(tǒng)性雷暴運(yùn)移規(guī)律的存在，為區(qū)域雷暴過(guò)程的早期識(shí)別提供了更好的條件和時(shí)間窗口。

在統(tǒng)計(jì)時(shí)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(cè)預(yù)警技術(shù)在某煉化企業(yè)火車(chē)裝卸油環(huán)節(jié)中主動(dòng)防雷的應(yīng)用，構(gòu)建了一個(gè)完整的火車(chē)裝卸油作業(yè)的雷電防護(hù)體系。包括充分利用雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)獲得可靠的預(yù)警結(jié)果，雷電分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的制定、停工時(shí)間窗口的管理、應(yīng)急預(yù)案的聯(lián)動(dòng)等。雷電預(yù)警能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出油庫(kù)作業(yè)地區(qū)受影響的時(shí)間區(qū)段、地理范圍及強(qiáng)度，并且根據(jù)相關(guān)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)第一時(shí)間確定復(fù)工時(shí)間，從而減少雷電對(duì)工作的影響，在保證安全的前提下提升火車(chē)裝卸油作業(yè)的運(yùn)行效率。應(yīng)用雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)為某煉化企業(yè)火車(chē)裝卸油作業(yè)提供了可靠、可執(zhí)行的雷電主動(dòng)式防護(hù)系統(tǒng)和方法。