雷電災害對大型化工園區(qū)的影響分析及防范對策*

宗文瑜,張源源,劉 釗,劉 瑞,李豐江

(青島市氣象局，山東青島 266003)

0 前言

大型化工園區(qū)內(nèi)的重大危險源眾多，雷電是電壓、電流和頻率瞬變的電磁場[1]，一旦發(fā)生雷擊，很可能引發(fā)火災、爆炸或毒性危險化學品大量泄漏擴散等事故。

雷電擊中物體所造成的損害主要決定于兩個要素：雷電流波形特征以及物體自身的特性。因此，將雷電的損害機理與大型化工園區(qū)內(nèi)的各類建(構(gòu))筑物及設施進行安全相關(guān)性分析[2]，掌握雷電危害作用的途徑及其變化規(guī)律，采取有針對性的措施，能夠有效防控雷電風險。

大型化工園區(qū)一般會選擇空曠或者沿海等地區(qū)建設,這些區(qū)域的雷電風險很高,極易造成雷擊火災甚至爆炸事故，且各類新型化工裝置層出不窮，研究各類化工裝置的雷擊耦合致災機理及有針對性的防范對策具有重要的現(xiàn)實意義和工程應用價值。袁杰，等[3]從爆炸性混合物、雷擊火花形成因素及罐區(qū)自然條件等方面剖析了我國罐區(qū)防雷現(xiàn)狀及存在的主要問題。銀峰，等[4]以大型外浮頂原油儲罐為例,給出雷擊儲罐導致多米諾火災效應的人員傷亡風險計算方法,提出適用于油品儲罐的雷電災害風險評估模型。程玉龍[5]建立了油罐在雷電、溫度、風等復雜條件下的泄漏擴散及致災因果規(guī)律,創(chuàng)建了可提高雷擊火災熱輻射預測準確度的權(quán)重Mudan模型,構(gòu)建了雷擊火災環(huán)境下鄰近目標儲罐失效判定方法。林溪猛，等[6]利用歷史雷暴日觀測數(shù)據(jù),采用數(shù)理統(tǒng)計等分析方法,對古雷石化基地所在區(qū)域的雷電活動特征進行分析,并根據(jù)特征提出具體的防護對策。以上研究主要是對單一化工裝置的雷擊致災機理，但是對于一個化工企業(yè)或者化工園區(qū)來說，承災體種類繁多，承災機理差異性較大，受區(qū)域雷電孕災環(huán)境影響較高。因此，通過分析雷電孕災環(huán)境，進一步研究各類化工裝置以及建(構(gòu))筑物的雷擊耦合致災機理，給出更有針對性的防御方法和措施是十分必要的。

本文通過分析地閃活動及雷電災害的時空分布特征,探討針對大型化工園區(qū)內(nèi)不同建(構(gòu))筑物，雷電災害與致災因子、承災體以及孕災環(huán)境的相關(guān)性，分析不同孕災環(huán)境和承災條件下雷電災害的損失類型和分布特征,確定雷擊防護重點,提出相應的雷電災害防御措施及建議。

1 大型化工園區(qū)雷電孕災環(huán)境分析

目前監(jiān)測雷電技術(shù)采用較多的是閃電定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用閃電回擊輻射的聲、光、電磁場特性來遙測閃電回擊、放電參數(shù)，將監(jiān)測到的閃電數(shù)據(jù)實時傳送到中心數(shù)據(jù)處理站進行交匯處理，可實現(xiàn)全天候、長期、連續(xù)運行并記錄雷電發(fā)生的時間、位置、強度和極性等指標[7，8]。閃電定位系統(tǒng)測得的雷電發(fā)生位置及雷電流強度等信息，結(jié)合大型化工園區(qū)的地理位置、地形地貌、承災體特征等，對承災體和孕災環(huán)境的相關(guān)性進行分析,可以準確地反映大型化工園區(qū)的雷電孕災環(huán)境[9-14]。

利用2011—2020年閃電定位系統(tǒng)探測的閃電發(fā)生位置、雷電流強度等數(shù)據(jù)，對大型化工園區(qū)的雷電孕災環(huán)境進行分析。該大型化工園區(qū)位于山東半島地區(qū)北部，緊鄰渤海海域。園區(qū)分為港口作業(yè)區(qū)、物流倉儲區(qū)、臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)3大功能板塊，分布有多個石化及化工新材料產(chǎn)業(yè)鏈項目，以化學為主的異氰酸酯(MDI)一體化和環(huán)氧丙烷及丙烯酸酯(PO/AE)一體化主導產(chǎn)業(yè)，主要包含有機化工、光氣化工、氯堿化工、化工新材料以及高端精細化工等。園區(qū)北部為大型港口，主要為液化油品、通用散貨、大宗散貨、原油和液化天然氣(LNG)作業(yè)區(qū)，以及集裝箱作業(yè)區(qū)和鐵路輪渡服務區(qū)。

通過分析大型化工園區(qū)的雷電活動特征、雷擊大地密度、雷電流強度和雷暴來向，同時結(jié)合區(qū)域內(nèi)建(構(gòu))筑物的地理位置，能夠準確得到區(qū)域內(nèi)建(構(gòu))筑物遭受雷電災害的危害程度[15，16]。

雷擊大地密度反映的是一個區(qū)域內(nèi)的雷電發(fā)生頻次大小，雷擊大地密度越高，表示雷電發(fā)生頻次較多；雷電流強度反映的是雷電發(fā)生時產(chǎn)生的強度大小，雷電流強度越高，表示雷電發(fā)生時產(chǎn)生的破壞作用更強；雷暴來向反映的是區(qū)域雷暴的移動軌跡。

圖1～圖4分別給出了2011—2020年大型化工園區(qū)及周邊地閃活動的月份分布和時刻分布，以及雷擊大地密度的遙感分布情況和地理空間分布?？梢钥闯?，園區(qū)6～8月為地閃的頻發(fā)期，8月最高，占比49.6%；6月和7月次之。晚上是雷電的多發(fā)時段，20時地閃發(fā)生最多，占比20.8%。結(jié)合大型化工園區(qū)的地形可以看出，雷擊大地密度整體為東高西低，雷擊大地密度主要集中在0～1.2次/(km2·a)，最大值為2次/(km2·a)，平均雷擊大地密度約為0.53次/(km2·a)。

圖1 大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)地閃月分布

圖2 大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)地閃時刻分布

圖3 大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)雷擊大地密度遙感分布(東南方向)

圖4 大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)雷擊大地密度地理空間分布

該區(qū)域?qū)俚蜕角鹆陞^(qū)，山丘海拔高度不高，地勢比較平坦，園區(qū)內(nèi)雷擊大地密度隨山地和丘陵海拔增高而逐漸增強，園區(qū)東北部的山地地區(qū)是雷擊大地密度的高值區(qū)。山地地形對低層氣流的強迫抬升作用是此區(qū)域雷暴多發(fā)的主要原因。山前近地面地形輻合產(chǎn)生的擾動向上傳播引發(fā)邊界層擾動，是對流和雷暴形成的主要動力源。雷暴在下山過程中，冷池出流對觸發(fā)雷暴單體新生和增強有重要影響，強烈的輻合抬升使新生的雷暴單體在下山過程中，得到爆發(fā)性增強[17]。

圖5和圖6分別給出了2011—2020年大型化工園區(qū)及周邊雷電流強度的概率分布和地理空間分布?？梢缘贸?，大型化工園區(qū)雷電流強度主要集中在2～60 kA，占比91.8%。其中，2～10 kA的占14.9%；10～20 kA的雷電流占39.7%；20～40 kA的雷電流占29.9%；40～60 kA的雷電流占7.3%；60～200 kA的雷電流占8.2%，雷電流強度較高的區(qū)域分布比較分散，主要位于區(qū)域中部偏北、東北部和西部等區(qū)域，雷電流強度最高值達150.5 kA。

圖5 大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)雷電流強度概率分布

圖6 大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)雷電流強度空間分布

圖7為大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)雷暴路徑圖。經(jīng)統(tǒng)計，雷暴的東部來向占比為12.4%，東東南部(SEE)來向占比為11.0%，東南部來向占比為10.1%?？偟膩碚f，偏東來向占比為33.5%。大型化工園區(qū)的雷電路徑以偏東方來向為主要方向，區(qū)域內(nèi)建筑宜在偏東方向增設接閃桿，更有效地接閃，從而提高防雷裝置保護的效率。

圖7 大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)雷暴路徑玫瑰圖

2 大型化工園區(qū)承災體的雷擊易損性分析

易損性是指雷電災害發(fā)生時所造成的傷害或損失程度，承災體的易損性大小，與其物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般承災體的易損性越低，災害損失越小[18]。雷電災害分為直接雷擊災害和閃電電涌侵入危害(又稱“間接雷擊災害”)。直擊雷的危害主要在雷電流通道內(nèi)造成的人畜傷亡以及因雷擊引起的爆炸、著火。閃電電涌侵入危害主要是通過雷電的靜電感應與電磁感應所產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓，損壞電子信息系統(tǒng)和電氣設備，甚至造成人員傷亡。通過分析雷電災害產(chǎn)生的危險途徑及其變化規(guī)律，可以采取有針對性的措施，有效防控雷電風險。

2.1 危險化學品

大型化工園區(qū)一般涉及的危險化學品較多。危險化學品中可燃物品受雷擊危害的風險性最大。

對涉及危險化學品的生產(chǎn)、儲存裝置，應對其自動化控制系統(tǒng)進行直擊雷和間接感應雷雷電防護，防止控制系統(tǒng)的失效和損壞。

危險化學品的儲罐、管道、塔器、庫房等應滿足防止直擊雷的要求，以免雷電擊穿導致的事故發(fā)生。雷電天氣來臨前，應禁止易燃易爆品物料的裝卸作業(yè)。避免因物料裝卸作業(yè)操作失誤導致冒頂外溢和跑料事故，避免因雷電引發(fā)火災而導致的二次事故。

2.2 危險化工工藝

大型化工園區(qū)內(nèi)工藝自動控制系統(tǒng)眾多，存在自動化程度高、電壓等級低的特點。各種儀表、傳感器的位置分散、暴露，線路較長且環(huán)境復雜，因而遭受直接或者間接雷擊的可能性較大。雷電波侵入化工工藝控制系統(tǒng)是雷擊事故發(fā)生的主要原因。因此，大型化工園區(qū)內(nèi)危險化工工藝設備的防雷裝置應滿足雷電防護的要求。

2.3 過境危險化學品管道

過境危險化學品管道主要有埋地輸油管道和埋地天然氣管道。埋地金屬管道和電纜能將水平10～20 m內(nèi)自然閃電吸引來。當雷擊發(fā)生在危險化學品管道附近，雷電沖擊電流對土壤擊穿放電并伴有弧光現(xiàn)象。在土壤電阻率為1 000 Ω·m的土壤中，峰值電流為30 kA的雷電流的擊穿半徑為4 m。對于埋地金屬管道，土壤中不均勻的電場更容易在更長的間隔上對導體產(chǎn)生弧光。當管道周圍有可燃氣體和液體泄漏，電火花會導致其大面積的燃燒和爆炸。因此，應做好過境危險化學品管道的接地和相鄰管道之間的等電位連接。

2.4 危險品管廊

大型化工園內(nèi)一般有較多的管廊設置，工藝及供熱外管道除部分采暖管道埋地敷設外，其余管道采用架空敷設，架空敷設的管架凈空高度超過4 m，管架的縱、橫梁及管架柱均采用鋼結(jié)構(gòu)，管架外表面有防腐處理。因此，應做好管道與管架的接地，并與相鄰金屬管道進行等電位連接，防止閃絡擊穿。

2.5 移動危險源

大型化工園區(qū)內(nèi)移動危險源主要包括公路上從事危險物品運輸?shù)能囕v，既有一般危險源的易燃、易爆、有毒有害等特點，又有移動的特點。遇到雷雨天氣，若危險品運載裝置發(fā)生事故，會引發(fā)火災中毒等，影響道路通行和周邊企業(yè)、居民的安全。同時區(qū)域內(nèi)移動危險源發(fā)生火災爆炸事故還可能殃及周邊的企業(yè)，形成多米諾效應，造成更大的火災爆炸事故。

3 大型化工園區(qū)雷電災害防范措施及建議

根據(jù)大型化工園區(qū)雷電孕災環(huán)境的特點，結(jié)合化工園區(qū)各類承災體的雷電災害易損性分析,確定不同區(qū)域的雷擊防護重點,提出相應的雷電災害防御措施及建議。

3.1 雷擊大地密度較高區(qū)域

對于處于雷擊大地密度較高的區(qū)域(圖4中的紅色區(qū)域)，此區(qū)域的雷電發(fā)生概率較高，雷擊造成的雷電災害影響較大。因此，此區(qū)域不宜規(guī)劃易燃易爆場所、大型數(shù)據(jù)中心、對閃電感應較敏感的科研機構(gòu)及使用較多電子精密儀器企業(yè)；在防雷工程設計時，為防止雷電繞擊，應適當降低滾球半徑，電氣系統(tǒng)電涌保護器(SPD)宜進行三級保護；電子系統(tǒng)在ITE接口處，宜選擇沖擊電流參數(shù)較大的電涌保護器；宜考慮升溫和機械受力對接閃器的影響，適當加大接閃器材料的截面積。

3.2 雷電流強度較高區(qū)域

對于處于雷電流強度較高的區(qū)域(圖6中的藍色區(qū)域)，此區(qū)域的雷電發(fā)生時產(chǎn)生的破壞作用更強。因此，此區(qū)域不宜規(guī)劃易燃易爆及危化品場所；一般建筑物、公共建筑物和一般性工業(yè)建筑物進行防雷設計時，宜升級采用第二類防雷建筑物防雷措施。

3.3 安全距離較近區(qū)域

大型?；泛鸵兹家妆瑘鏊車? km范圍內(nèi)，因雷擊引起災害事故后，會對周圍區(qū)域造成二次災害風險的影響。因此，此區(qū)域內(nèi)不宜規(guī)劃為易燃易爆?；泛腿藛T密集場所。對于已建成的設施，應做好防雷裝置定期檢測與日常維護。

3.4 移動危險源

當化工園區(qū)及周邊有雷電發(fā)生時，危險物品運輸車輛應停止運輸，并進行雷電躲避。危險物品運輸車輛的行駛線路應在其它危險品的防火間距之外，車輛應集中停放在有防雷裝置保護的停車場內(nèi)，危險化學品儲運應當制定危險化學品儲運專項應急預案，配備應急救援人員和必要的應急救援器材、設備，并定期組織演練。

3.5 戶外裝置防雷

對于整個化工園區(qū)的裝置，戶外相對高度較高的設備和具有敏感電子器件的設備易遭雷擊，應單獨進行防雷設計，使之符合國家規(guī)范。戶外設備設施包括：①安置在地面上高大、聳立的生產(chǎn)設備；②通過框架或支架安置在高處的生產(chǎn)設備和引向火炬的主管道等；③安置在地面上的大型壓縮機、成群布置的機泵等設備；④在空曠地區(qū)的火炬、煙囪和排氣筒等；⑤安置在高處易遭受直擊雷的照明設施。

3.6 化工裝置防雷

化工園區(qū)內(nèi)化工裝置主要包括：各類排放設施、爐區(qū)、塔區(qū)、化工靜設備、化工機器、電氣設備、罐區(qū)、裝卸站、金屬粉、粒料桶倉、管廊、冷卻塔、煙囪和火炬、戶外電器和燈具、工控系統(tǒng)等，應嚴格按照國家相關(guān)規(guī)范進行防雷設計。同時，應嚴格按照法律法規(guī)、國家防雷技術(shù)規(guī)范要求做好日常維護和安全檢測工作，對發(fā)現(xiàn)的防雷安全隱患及時進行整改。

4 結(jié)語

利用2011—2020年閃電定位系統(tǒng)探測的雷電數(shù)據(jù)，對大型化工園區(qū)的雷電孕災環(huán)境進行研究。通過分析大型化工園區(qū)的地閃活動特征、雷擊大地密度、雷電流強度和雷暴來向，結(jié)合區(qū)域內(nèi)地形地貌和建(構(gòu))筑物的地理位置，得到區(qū)域內(nèi)建(構(gòu))筑物遭受雷電災害的風險點。在分析大型化工園區(qū)雷電孕災環(huán)境以及承災體的相關(guān)性時有較好的指導意義。

通過對雷電的損害機理與大型化工園區(qū)內(nèi)的各類建(構(gòu))筑物及設施進行安全相關(guān)性分析，評估大型化工園區(qū)承災體的雷擊易損性，同時結(jié)合大型化工園區(qū)雷電孕災環(huán)境，掌握危險有害因素作用的途徑及其變化規(guī)律，提出具體的防雷措施，為有效防控大型化工園區(qū)的雷電災害提供技術(shù)參考。