浅谈雷电预警系统在石油化工企业的应用

孙伟心

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

石油及其衍生产品具有易挥发、易燃、易爆的特点，在其生产、加工、存储和转运过程中，一旦遭受雷击，往往会引起爆炸着火事故，造成重大人员伤亡及财产损失。

但由于传统雷电防御技术的局限，每年依然频发严重的安全事故。因此世界各国均大力发展雷电监测预警技术，试图在雷电发生早期能够准确地预测雷电的发生区域、强度及运移规律，采取主动防御措施，防患于未然。

1 雷电的危害

雷电对于石油石化行业的危害主要体现在3个方面。一是雷电引发油库火灾或人身伤害等安全事故；二是雷击造成供电中断，引发生产过程中断、计量失灵等生产事故；三是对于雷电过度防御造成无效停工，影响作业效率。

1.1 安全事故

1.1.1雷击是大型油库火灾事故的第一大原因

多项研究表明，雷击是油库火灾事故的第一大火源。中国石油天然气行业标准SY/T 6556-2003[1]对1951～1995年期间107例大型地面储罐火灾进行研究，65例确定为雷击引发，占总数的61%。LASTFIRE对16家石油公司直径40 m以上大型顶储罐火灾调查，发现62起火灾中有55起为密封圈火灾，其中52起由雷电引起。瑞典SP研究所对1951～2003年期间的480起油库火灾进行调查，1/3是雷击造成的。

利用公共情报分析工具对北美地区的油库雷击火灾进行查询，仅2019年4～7月的4个月时间，在美国有公开报道的油库雷击火灾事故就超过20起。而国内2006年仪征油库、2007年镇海炼化、2007年镇海国储库、2011年大连新港油库、2010年克拉玛依商储库、2012年鹤山油库的雷击火灾事故，说明我国石油库面临的雷击事故的问题和严重性与全球是类似的。

1.1.2雷电天气下进行作业是主要的隐患环节

对大量油库火灾案例的研究发现，雷击引发油库火灾多发生在如下作业环节：①油库收发油作业环节。油库收发油过程中，浮顶沉降导致罐体内壁悬挂油品，在双层密封圈之间的空间形成爆炸性混合物(这也是大型油罐火灾多为密封圈火灾的原因)，一旦遭遇雷击，极易导致起火或闪爆。数据证实，大多数的油库雷击火灾都是发生在收发油过程中；②开罐作业环节。除收、发、输转油作业之外，量油、洗舱等开罐作业，也是因雷击引发闪爆及火灾的隐患环节；③油轮作业环节。相比较陆上油库，油轮处于空旷空间，并且缺乏防雷设施保护，雷击后果格外严重，装卸油、洗舱、扫舱作业过程是其中最危险的环节。

1.2 生产事故

雷电除了引起安全事故外，生产事故的影响后果也是相当大的。其中，供电中断和电气设备雷击故障往往对装置是致命的。

1.2.1供电中断

输电线路夏季(雨季)断电的主要原因是雷击，国内统计雷击的比例高达60%～80%，配电网因雷击跳闸的比例也达到40%～60%。由于技术和成本的原因，输配电网无法完全避免雷击跳闸事故的发生。因此，跳闸之后的及时修复、减少停电时间是降低损失的关键。

事故发生之后，抢维修人员需执行巡线，确定故障类型和故障点。但由于输电线路距离长，穿越地形复杂，并且雷雨天气巡线作业难度高，导致修复时间过长。根据国内油田的统计数据，线路跳闸后的修复时间平均4～6 h，其中80%时间用于巡线查找故障点。

通过引入闪电定位技术，当供电线路发生跳闸时，对电网SCADA系统中的跳闸时间和故障线路与闪电定位系统中的雷击信息进行匹配，就能够精准地判断跳闸是否由雷电引发，并且确定雷击发生的杆塔位置。以此为依据，指导维修人员执行强送电、紧急修复、事故原因确认等工作，进而大幅减少停电时间。

1.2.2电子电气设备雷击故障

电子电气设备的雷电事故80%以上是因为雷电流脉冲沿市电线路窜入所致。主动防御的重点在于，雷暴临近本场时，及时关停电气系统，或者改由UPS/EPS供电，阻断雷击路径；或关停灾备，以备极端状况下自控系统的及时恢复；或将联锁自保改为手动，以免将雷电流脉冲误识别为装置故障引发停车。

1.3 效率损失

在石油石化的安全管理规定中，对雷电天气下的作业做了严格的要求，一旦发现雷电，必须停止油库、油轮作业和危险物品的装卸作业。由于雷电临近量化预测手段的缺失，导致现场人员有时在雷电很远、没有真实危险的状况下，就频繁停工，导致效益损失。实证研究表明：雷雨天气下油库、油轮作业和装卸站的危化品装卸作业的停工，有80%以上属非必要停工。

2 雷电预警的必要性

鉴于雷电对石油化工企业造成重大的影响，对雷电监测预警的必要性提出的明确的要求。目前中国的安全生产主管部门和相关企业集团的规划和条例中，也明确提出了对雷电监测预警系统的建设要求。

2.1 国家对雷电预警的要求

原国家安监总局《危险化学品安全生产“十三五”规划》中明确了要推广危险化学品库区雷电预警等先进工艺技术和装备。

《石油库安全管理规定(送审稿)》中要求对多雷区或强雷区的二级以上石油库应建立本地雷电预警与远程雷电预警相结合的综合雷电预警系统。

2.2 企业对雷电预警的要求

中国石油化工集团公司《中国石化防雷防静电安全管理办法》中要求处于多雷区、强雷区的野外作业单位，以及油气钻井、集输站场、大型油库和炼化企业等应建立雷电临近预警系统。

2.3 装置安全对雷电预警的要求

雷电对石油化工装置造成的危害是显而易见的，在目前严峻安全形势下，减少和避免安全事故的发生是安全管理的重点。建设雷电预警系统，对减少雷电引起的安全事故、生产事故和生产效率损失是一种有效的手段之一。目前雷电精准探测和量化预警手段的缺失，导致雷电主动防御计划多由人工根据经验来决定雷电敏感作业的启停窗口。因此，需要大力发展雷电监测预警技术，在雷电发生早期就能准确地预测雷电的发生和运移趋势，显得非常有必要。

3 雷电预警系统

3.1 雷电预警模型

雷电预警系统的关键技术是雷暴临近预测模型，该模型能够提前发出雷电预警信息，有效地避免雷击对防护区域内工作人员和设备造成的损害。

在气象领域，雷暴的短临预报使用的是主观临近预报和客观算法的临近预报[2]。主观临近预报基于多普勒天气雷达观测数据，并结合其他资料(气象卫星云图等)的临近预报；客观算法包括雷达回波或云图外推算法和强对流天气识别，但雷电的预报预警成功率相当有限。

随着大数据和人工智能技术的发展，将海量的历史雷电发生数据和其他气象监测数据通过深度学习方法进行处理和建模，进而获得更精准的局地雷电预警模型。

在实践中，雷电预警多数是采用基于闪电定位数据和大气电场数据的预测方法[3]。采用电场仪或电场仪组网方式，通过测量防护区近地大气电场的场强及变化趋势，判断未来雷电发生的概率，进而通过设定场强阈值，定义不同的告警级别，在不同告警级别下制定应急预案，执行停止收发油作业等动作，达到主动防雷的目的。

3.2 雷电预警模型建立

新的雷暴临近预报预警技术，以闪电定位数据和其他气象观测数据为基础，以防护区域为主要研究本体，使用评分工程方法，利用XGB算法构建防护区域雷击发生概率的评分模型，解决0～2 h临近预警问题，模型结构如图1所示。

图1 模型结构

其中A1、A2、…An为n个基础特征数据，以上述n个特征数据为基础，构建一个XGB雷电预测模型，输出为防护区发生雷击的概率值(0～1之间的概率数值)。

3.2.1数据来源

雷电预警模型数据来源于三维闪电定位仪以及其他气象观测数据如气象雷达云图等，其中闪电定位数据为主要数据。

三维闪电定位仪是由中科院空间中心雷电探测研究室研制的高精度雷暴云地回击、云内闪击三维定位探测系统(LLS)，在毫秒级别对雷击进行定位。探测精度平均在300 m左右，探测效率达95%。利用闪电定位仪采集区域范围内所发生的雷电定位数据信息，主要包括雷电发生的时间、雷电的发生的位置(经纬度信息)、雷电发生时距离地面的高度等属性信息。

3.2.2特征提取

在获取雷电定位数据和防护区域的其他气象观测数据(如气象雷达云图等)之后，数据特征的提取是必要的，也是重要的。根据雷电的周期性、瞬时性、移动性等特点，对采集的数据源进行了如下针对性的特征提取：①雷暴接近度：雷暴团到防护点的距离；②近距离雷电总数量；③防护区的雷暴接近速度：雷暴团距离防护区最近的部位接近防护区的速度；④雷击的增加趋势：雷暴团在表现窗口内能量的增强趋势。

3.2.3模型训练与评估

模型训练所需的特征值选取完成后，接下来的任务是利用特征变量数据训练模型，得到最佳参数。采用XGB(extreme gradient boosting)集成机器机器学习的方法，对数据进行分类学习。在模型训练好以后，采用的模型评价指标是AUC(Area Under roc Curve)值和ROC(Receiver Operating Characteristic)曲线，利用在石化区域监测的雷电定位数据和其他气象观测数据为基础数据，得到的模型的AUC值达到0.95(见公式1)，最佳的表现为1，表明该模型具有很好的分类效果[4]。

auc是roc曲线的面积，常用来评价二分类系统的好坏。

(1)

式中x，y分别是FPR和TPR，是roc曲线的横纵坐标；

TPR为真正例率，FPR为假正例率。

3.3 雷电预警系统告警标准

3.3.1雷电主动防御计划的基本执行原则

石油化工行业雷电灾害主动防御的关键在于对雷暴全过程的有效探测和量化预警[4]。雷电主动防御计划的基本执行原则为：①在雷暴可能临近本场时，推迟未开始的危险作业；②在雷暴即将到达本场时，终止所有危险作业；③雷暴经过本场时，密切关注落雷点信息，以便及时救援；④在雷暴离开本场时，及时恢复作业，并展开应急巡检和隐患排查。

3.3.2雷电预警系统告警分级

雷电预警系统告警分为三级四色：Ⅲ级(蓝色预警级)、Ⅱ级(黄色)/Ⅰ级(红色)响应级、击中救援级(灰色预警级)。

a) Ⅲ级(蓝色预警)：表示雷暴过程可能会在1 h内经临本场。随着时间的推进和雷暴过程的演化，蓝色预警有可能会升级为黄或红色告警，也可能会摘除。

b) Ⅱ级(黄色预警)/Ⅰ级(红色预警)：都表示雷暴将在0.5 h内经临本场。有所不同的是，红色预警代表高雷暴过程，往往表现为多个雷暴云团陆续经临；黄色预警代表中低雷暴过程，往往表现为单个雷暴云团经临。在“雷电监测预警系统”的界面上，通过查看50 km内的雷电分布和雷暴走势，可以直观地理解红色预警与黄色预警的不同。黄色预警情况下，往往表现为一个或少量几个小型雷暴云；红色预警情况下，往往是一大片或者数量非常多的雷暴云团。同时，黄色与红色响应动作的成本和代价是不一样的。这样设计的原因是：根据历史雷暴过程的记录，强雷暴与中低雷暴的比例严重不均衡。强雷暴占据不到10%的比例，但是雷击数量超过80%以上。所以需要对强雷暴下的响应动作与中低雷暴下的响应动作进行区别，在保证安全的前提出下，尽量提高生产效率。

c) 雷电击中告警(灰色预警级)：当雷击发生在本场时，实时(2～5 s)发布告警，并提示雷击落点和强度。“击中告警”对应的动作多为应急类、防护类和救援类。比如关注雷击点附近的视频监控画面，确认有无闪爆和燃点；查看储罐消防光纤光栅有无报警，密切关注生产参数有无变化；以及消防战斗员紧急进入事发区域等。“击中告警”的主要任务是帮助中控室和现场人员在最短的时间内发现事故、锁定事故点，为紧急救援赢得黄金时间。由于雷击具有偶发性，有可能出现红色或黄色预警未发，而直接发出雷击本场的击中告警，因此应确保“黄/红响应动作”与“击中告警响应动作”的设计尽量无依赖关系。

4 雷电预警防御在某石化的应用

4.1 某石化区域雷电特征分析

对照雷电预警系统和某石化的区域位置，分析了近三年的雷电数据，总结出雷电影响的频次和时间，确定雷电特征。

2017年,某石化周边50 km内共发生雷电83 604次，周边10 km内发生4 401次，某石化防护区发生334次，全年共计43个雷暴日。由图2可知，雷暴主要分布在6月到10月之间，其中8月达到峰值。

图2 2017年月度雷击数量统计

2018年，某石化周边50 km内共发生雷电28 469次，周边10 km 内发生1 245次，某石化防护区发生93次，全年共计22个雷暴日。由图3可知，雷暴主要分布在5月到9月之间，其中9月达到峰值。

图3 2018年月度雷击数量统计

2019年某石化周边50 km内共发生雷电19 017次，周边10 km内发生1 921次，某石化防护区发生232次，全年共计43个雷暴日。由图4可知，雷暴主要分布在6月到9月之间，其中8月达到峰值。

图4 2019年月度雷击数量统计

4.2 某石化雷电预警采取的措施

根据某石化的雷电特征，结合石化装置、库区、装卸站的实际情况，拟定了符合在各个预警级别下的具体操作指南，明确了在雷电预警系统三级四色预警机制下的对应各个预警级别的执行标准[5]，具体见表1、表2。

表1 “三级四色”雷电告警分级标准

表2 应急处置卡示例

4.3 雷电预警实例分析

2020年3月25日，某石化受到雷电影响，影响时间为19:18～21:35。在雷电离石化厂30 km处，预警系统19:55分发出了雷电蓝色预警。在雷电进入30 km范围内且有靠近防护区的趋势后，20:11分发出了雷电红色预警。经过大约半小时，雷电进入某石化防护区范围内，并且在雷暴过程中，有一个雷击落在防护区内，此时预警系统发出了雷电击中告警信息。

通过对上述雷暴过程的阐述，可以看得到雷电预警模型很好地反映了雷暴发生的全过程，并通过预警系统，及时通知某石化现场作业人员，按照分级标准和预警处置卡，采取了有效的应急处置，避免雷电事故的发生。

5 结论

雷电预警系统在雷电影响石油化工装置保护区0.5 h以内，通过预警系统向现场作业人员发出分级预警信息，并采取有效的应急处置措施，有效避免了石油化工装置的雷电事故的发生。同时也减少了由于雷电预警不准确，盲目采取停工停业造成的生产效率损失，影响了企业的经济损失。雷电预警系统的推广应用，不仅对石油化工装置发挥了积极作用，同时也对国家其他行业减少雷电影响起到了借鉴作用。