火车装卸油环节应用雷电监测预警技术的研究

吴化龙 吕志明 葛建立

1 中石油云南石化有限公司 云南安宁 650399；2 独山子石化公司 新疆独山子 833600

1 火车装卸油作业的业务特点和防雷需求

国内铁路装卸油是成品油转运的重要环节。火车装油作业为露天敞口作业，由于油品自身具有易挥发性，在装油过程中，油气会从火车罐口挥发，在夏季高温环境下这一问题更为突出（夏季油罐温度可达40℃以上）。由于油品具有易燃、易爆特点，装卸油作业时因各种原因挥发的油气一旦遭受雷击，往往会引起爆炸着火事故，造成重大人员伤亡及财产损失。而且，铁路装卸油作业区及附近的大型油库占地面积较大，且为都在露天作业，受雷电影响较大，可能因直接雷击、雷电感应、雷电波引入、反击等对油罐和其他他设备（尤其是电子设备）造成危害。

传统的雷电防护方案是通过建筑工程设计安装避雷针防护，这些方案是依据GB500571[1]、IEC61312- 1[2]等标准对建筑进行的被动式防护。传统防雷设施可以较好地避免直击雷的伤害，但是对由于直击雷带来的感应雷击和由电力线传入的感应雷作用有限，而这些雷击均可能引起电器设备损坏、着火，甚至爆炸。因此，《铁路装卸油区安全规定》“雷雨时，禁止收发油作业，并使设备复位。”

铁路装卸油作业的主要雷电危害如下：

（1）安全事故：比较典型的是火灾和人身伤害。根据石油行业标准SY/ T6556- 2003（大型地面常压储罐防火和灭火）对已报道的107 起油罐火灾案例的调查，65 例为雷击火灾，比例高达61%。深入的调查表明，几乎所有的油罐雷击火灾均发生在收发油阶段。

（2）生产事故：比较典型的是雷电导致电网跳闸、计量系统失灵。

（3）效率损失：铁路装卸油作业，尤其是大型铁路装卸油作业是一项需要多方协同的较长时间的作业活动，为了高效地执行该项活动，需要良好的计划。由于缺乏对雷电临近可量化的观测和预测手段，实践中大量根据人工判断执行相应的防护预案（根据安全规范，雷电来临时停止收发油作业），从而导致两个极端：要么过于保守，大大增加了无效工作时间，导致运营效率低下，同时装卸油时间的延长会使油气挥发加大，也加大了安全风险；要么过于激进，出现雷电漏报和安全时间窗不够，导致预案失灵，造成雷击安全事故。

2 在火车装卸油作业中应用雷电预警技术

某炼化企业（以下简称企业）地处云南省安宁市，属高原低纬度亚热带季风气候，地形呈东南高、西北低，有八街、连然、禄 脿3 个山间盆地，为雷电高发区域。公司占地300 公顷，原油加工能力1000 万t/ a，可生产汽油、柴油、航煤、丙烯、液化气、甲苯、混合二甲苯、硫磺和沥青等16 类69 种产品，对雷电高度敏感。该企业自2020 年6 月开始应用雷电监测预警技术，根据2020 年6—11 月的雷电监测数据，周边50km 内共发生雷电11358 次，周边10km 内发生519 次，全年共计63 个雷暴日。

为保障铁路装卸油作业的安全，提升铁路收发油效率，该企业启用了雷电监测和预警技术。

2.1 三级四色雷电告警机制

为了提醒用户，方便其采取一切可能的预防措施，雷电监测和预警系统为可能受到雷击威胁的目标区域提供警报。该预警系统需要基于一定区域范围的探测数据进行判断，根据火车装卸油作业业务服务目标，系统在运行之前确定和配置好目标区域(TA)、周边区域(SA)和监测区域（MA）[3]。

将企业火车装卸油作业及油库区域等重点防护的区域确定为目标区域(TA)；将目标区域外扩1km 的区域确定为周边区域(SA)；分别将目标区域外扩30km、60km、90km、120km 和150km 确定为不同的监测区域(MA)。

在雷电监测预警网上，每个雷的具体详细信息显示如图1 所示，包括雷击发生的位置 (经纬度102.368324.9142)、时间、强度、类型(云闪或云地闪)，以及该结果是由多少个雷电定位仪一起参与定位得到的等。雷电监测网实时监测雷电的发生情况，并在雷击发生后10s 内将信息通知对应的值班人员（短信/ 或微信），或者直接将信息发到应急指挥系统。这样，监控人员在雷击发生后极短的时间内就能确定雷电发生的准确位置。

企业火车装卸油作业雷暴告警机制为一整套预先制定好的协议、制度、方法、动作和措施，为了预警和响应方便，告警机制确定预警级别及期相关的警报颜色。预警级别共三级：预警级、响应级、击中救援级。四色告警分别是蓝色告警、黄色告警、红色告警、击中告警（白色闪烁）。

（1）蓝色告警表示雷暴预警系统判断雷暴可能会在预警准备提前时间内(1～2h)经临目标区域。随着时间的推进和雷暴过程的实际演化，预警系统根据进一步的观测数据作出新的预测：蓝色告警有可能会升级为红色告警或者黄色告警，也可能会摘除而进入正常安全状态（警报解除）。蓝色告警的响应动作通常为准备类动作：比如检查消防设施是否正常，提醒相关岗位人员注意等。

（2）黄色告警/ 红色告警都表示雷暴预警系统预测雷暴将在半小时内经临目标区域，两者之间的区别在于：红色告警代表较强的雷暴过程，往往表现为多个雷暴云团或闪电密度很大的雷暴云团；黄色告警代表较弱雷暴过程，往往表现为单个雷暴云团或者闪电密度小的小型雷暴云团。

（3）黄色告警的预警信息展示上以黄色显示预警信息，提醒安全信息接收人员注意，同时发出黄色警报信息给安全信息接收人员；安全信息接收人员通知业务人员，相关业务人员根据预先确定的规则作出相应的响应动作。

（4）红色告警的预警信息展示上以红色显示预警信息，提醒安全信息接收人员注意，同时发出红色警报信息给安全信息接收人员；安全信息接收人员通知业务人员，相关人员根据预先确定的规则作出对应的响应动作。

（5）当雷击发生在目标区域内时，会触发击中告警。击中告警的预警信息展示落在目标区域内的雷击信息（包含位置、强度和时间）。击中告警的落雷展示为炫目白色闪烁，同时发出击中警报给预警安全信息接收人员；安全信息接收人员紧急通知业务人员，业务相关人员根据预先确定的协议、规则作出相应的动作。击中警报对应的动作多为应急类、防护类和救援类。如果发现着火事故，根据安全规定进行火灾扑救措施，并立即通知消防人员等。其他击中告警的主要目的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”。

2.2 应急决策和响应流程

当有雷击风险时，预警网发出雷击预警信息通知安全值班人员；值班人员对预警信息进行人工评估，结合雷电监测预警网的可视化展示信息，确认雷暴中心的位置、距离及移动发展情况；同时，结合当前的外部因素，综合研判，按照预先制定的分级标准和应急响应策略确定发布预警的级别和时间点；火车装卸油各作业人员收到预警信息后，根据预警级别执行相应的应急动作（图2）。

图2 应急决策及应急响应流程

2.3 应急响应策略

系统运行前，要完成预警分级标准的制定、停工时间窗口、响应策略，以及应急预案联动各作业人员的应急动作。其中雷电应急响应及其解除分别见表1 和表2。

3 雷电监测结果统计

根据观测数据，2020 年6—11 月共有46 次雷击发生在企业雷电防护目标区内，其中云闪2 次、地闪44次，这些雷击有可能导致安全事故。

高雷暴日分析（图3）表明，观测期限内共有63 个雷暴日（周边10km 内雷击数量大于1 的天数），大量的雷击集中在少数天数。详细的数据统计显示，全年80%的雷击发生在8 个雷暴日内，分别是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。这为雷电防御计划的制定提供了量化的决策依据。

表1 雷电应急响应策略

表2 警报解除策略

图3 高雷暴日分析

4 典型雷暴过程

从生成与运移规律上，雷暴过程大体分为局地性热雷暴（雷暴单体较少，原地生消）和系统性雷暴（多雷暴单体，移动特征明显，运移路径有规律）。根据观测数据，区域的雷暴过程主要是系统性雷暴，运移方式东北向西南。系统性雷暴运移规律的存在，为区域雷暴过程的早期识别提供了更好的条件和时间窗口。

在统计时段（2020 年6 月30 日14:52～16:06）内，共发生雷击491 次。产生方式为自西北向东南，属系统性雷暴。

5 结论

雷电监测预警技术在某炼化企业火车装卸油环节中主动防雷的应用，构建了一个完整的火车装卸油作业的雷电防护体系。包括充分利用雷电监测预警系统获得可靠的预警结果，雷电分级标准的制定、停工时间窗口的管理、应急预案的联动等。雷电预警能够准确地预测出油库作业地区受影响的时间区段、地理范围及强度，并且根据相关作业标准第一时间确定复工时间，从而减少雷电对工作的影响，在保证安全的前提下提升火车装卸油作业的运行效率。应用雷电监测预警技术为某炼化企业火车装卸油作业提供了可靠、可执行的雷电主动式防护系统和方法。