楚雄州易燃易爆场所雷电灾害风险评估的实践和分析.docx

楚雄州易燃易爆场所雷电灾害风险评估的实践和分析 摘要：根据云南省雷电监测数据和楚雄历年气象数据雷暴日、闪电时空分布特征，参考IEC62305-2等标准规范，分析易燃易爆建设项目所在地大气雷电环境状况和雷电灾害易损性，新增加了雷击火灾、爆炸影响范围评估内容，充分考虑毗邻区域的公共安全问题，最大限度减少雷击人身伤害和财产损失。为技术人员做好易燃易爆场所雷电灾害风险评估提供了可借鉴的技术方法和操作规程，简化风险评估模型，使雷电灾害风险评估分析、计算趋于科学和规范化。强调指出雷击风险评估是防御和减轻雷电灾害的关键环节。各类化工厂、易燃仓储、输送贮存油气、加油加气、烟花爆竹等易燃易爆场所应是雷电灾害风险评估的首要重点领域。关键词：楚雄；雷电时空分布；易燃易爆；雷评1引言近年来由于雷击造成的损失呈逐年上升趋势，雷击对人们生产生活的危害也越来越大，加强雷击防范已变得越来越重要。楚雄州气象局从2012年起开展雷击风险评估工作，在大量的实践中不断总结改进工作方法，特别是以爆炸危险环境雷电灾害风险管理作为研究对象，结合雷电防护的实际需要，采用前瞻性风险管理理论和层次分析方法，通过分析雷暴日与地理背景、人口密度、生产、使用、储存物品特性、经济状况等多种因子的关系，提取合理、实用的雷电灾害风险评估参数，对常用的雷电灾害风险评估方法进行完善改进，设计出一套实用爆炸危险环境的雷电灾害风险管理、风险评估方法。2爆炸危险环境的雷击风险评估方法2.1爆炸危险环境的雷击风险评估的特殊性爆炸危险环境，较其他环境需更多考虑雷击后对周边环境的影响，如雷击后产生的连锁反应及爆炸后对不同危险化学品的各种灭火方案、应急措施等。爆炸危险环境应当采取整体评估的思路。爆炸危险环境雷击风险评估虽然也需按规范计算年预计雷击次数，但具体判别其应按防雷建筑物的类别进行设防，还要依据其生产、使用、储存的物品性质，可能引起的严重后果进行判别。2.2爆炸危险环境年预计雷击次数N的计算首先需依据雷击损害风险的评估IEC62305计算建筑物和附近和它有线路相连的建筑物的年预计直击雷次数，公式如下：Nda=NgAdCdCt10-6其次需按照雷击损害的评估IEC62305计算入户服务设施及其附近地面的年预计雷击次数，公式如下：AL为入户服务设施的截收面积（km2），见表1；AI为入户服务设施附近地面的截收面积（km2），见表1。在计算分析入户服务措施的有效截面积时，必须考虑在爆炸危险环境下不同线路的影响后果，充分发挥评估过程中防雷工程师的作用，由于一些线路会直接连接到生产设备，另些线路只在值班室、控制室使用，雷击所产生的影响截然不同，所以我们认为雷击爆炸危险环境的内部主要考虑电源线路和工控线路的雷击风险，其他如电话线路的风险缩减因子应与前者明显区别（参照一般场所），切忌机械套用规范不加分析，否则整个评估结果将会产生很大偏差。表1入户设施的截收面积2.3爆炸危险环境的雷击损坏概率P2014年七月我们对楚雄州姚安县华燃天然气场站建设项目开展了雷击风险评估工作，结合IEC62305等技术报告（规范），我们认为可以依据其储存方式及防护措施计算其雷击损坏概率，外部、内部采取措施后爆炸危险环境受雷击的概率详见表2、表3。表2各种外部防护措施对应爆炸危险环境受雷击的概率表3各种内部防护措施对应爆炸危险环境受雷击的概率其中对于内部防护措施主要包括对爆炸危险环境下的设备、仪器的电源线路及自动工控系统的信号控制线路采取浪涌保护器（SPD）进行防护，通过此项防护措施可有效降低因雷击建筑物或建筑物附近地面而在线路上感应出的过电压及因雷击入户线路而引入的过电压对设备造成损坏或失控的风险，因此我们在计算爆炸危险性环境内因雷击而引起内部系统失效的风险概率PC、PM、PW、PZ时可根据此项防护措施。作出判断，并取得相应的数值。此外还应考虑雷击爆炸危险环境导致人员因接触和跨步电压触电的概率。雷击爆炸危险环境导致人员因接触和跨步电压触电的概率详见表4。表4雷击爆炸危险环境导致人员因接触和跨步电压触电的概率2.4爆炸危险环境雷灾的可能损失数L首先要求受评方提供使用、储存、生产的物品名称、数量，了解上述物品的化学特性之后，通过学习危险化学品安全评价方法及IEC62305结合诸多实例，我们提出了计算雷击风险过程中诸因素的参考值，见表5、表6，表7，再结合周边环境及暴露于危险环境的人员频率等因素，计算确定该场所如果遭雷击可能产生的损失数。对于损失量Lx，其与雷击可能引起的某一特定类型损害的平均相对量、损害的程度及后果有关，对于本文所讨论的爆炸危险环境来言，雷击损害类型主要考虑人员伤亡损失。而损害的平均相对量主要取决于：人员的数量以及人员在危险场所逗留的时间。损害的类型主要存在以下3种：Lt由接触电压和跨步电压导致伤害的损失；Lf由物理损害导致的损失；Lo内部系统失效导致的损失。在评估爆炸危险性环境的雷击损失时，由于其爆炸危险环境的特殊性，本文在讨论时主要考虑其因雷击引起燃烧爆炸而造成的人员生命损失及因雷击造成设备控制系统失效而导致的人员伤亡损失，对于人员因接触电压和跨步电压造成的伤亡损失。通过对Lf、Lo及Lt的分析可以看出，在确定爆炸危险性场所的雷击损失平均相对量时，我们要充分考虑其内部设备的功能、性质、控制原理，以及一旦设备失控可能发生的事故，并参照相关部门对该爆炸危险环境所做的雷击风险评估报告对爆炸危险物的化学性质及危害程度要有充分的科学认识，并结合实际情况对可能造成的人员伤亡数值做准确的估计，以求使我们评估计算所采用的数据科学，准确。但也存在一些爆炸危险性场所，我们无法确定其雷击引起爆炸或设备失控造成的人员伤亡数量，此时我们亦可以参照IEC62305给出的典型平均值来确定Lf、Lo及Lt的数值，以便进行下面的评估计算。对爆炸危险性场所进行雷击风险评估时，其人员伤亡损失很大程度上受其建筑物特性的影响，我们在计算人员伤亡损失量时，需要把下列增长因子（h）和缩减因子（rP、rf、ra、ru）考虑在内。对于增长因子h，主要考虑在雷击爆炸危险性场所时是否存在特殊危险，根据不同的危险程度选择相应的增长因子，详见表5。表5中后两类因子主要用于危险环境的车间或仓库，厂区内的办公楼、食堂等建筑适用前5类。对于缩减因子rpIEC62305还提出了消防措施后火灾风险缩减因子rp的数值，但应该注意的是在具有爆炸危险场所的建筑物内部，由于其所处的特殊环境，一旦遭受雷击可能引起爆炸，在此情况下任何的消防措施对瞬间爆炸所产生的削减作用都是微乎其微的，因此在评估爆炸危险性环境时rp=1，即可忽略。表5不同危险程度下h的取值对于缩减因子rf建筑物火灾危害等级的缩减因子，对具有爆炸危险环境的建筑物而言，在确定其建筑物火灾危险缩减因子rf时，应充分考虑其所处环境的危险等级，在借鉴化工行业对甲、乙、丙类危险场所等级划分表6的基础上，我们确定了不同危险等级场所的火灾风险缩减因子rf，如表7所示。表6甲、乙、丙类危险场所的等级划分表7结合甲、乙、丙类危险场所的火灾风险缩减因子rf的取值对于缩减因子ra和ru，其数值主要取决于建筑物外部的土壤类型及建筑物内部的地板类型，其不同类型的缩减因子数值分别如表8所示：表8取决于土壤或地板表面类型的缩减因子ra和ru在经过以上分析取舍的基础上，我们确定了评估对象的Lt、Lf、Lo及各相关因子rP、rf、ru的数值，根据相关公式我们便能计算出各种损害类型的损失量.LA=raLtLU=ruLtLB=LV=hzrPrfLfLC=LM=LW=LZ=Lo2.5爆炸危险环境雷击风险R计算及判别雷击对爆炸危险环境危害风险程度R可由下式得到：R=NPL式中：N是建筑物及入户服务设施的年预计雷击次数；P是爆炸危险环境的雷击损坏概率；L是雷灾可能造成的损失数。雷击建筑物或构筑物造成的风险，可能存在以下分量：RA=NDPALARB=NDPBLBRC=NDPCLCRM=NMPMLMRU=（NL+NDa）PULURV=（NL+NDa）PVLVRW=（NL+NDa）PWLWRZ=（NI-NL）PZLZ在对爆炸危险性环境进行雷击风险评估时，针对不同的建筑物结构及其内部存在的物品及设备，我们主要考虑以下两种情况：第1种：爆炸危险性场所所采用的设备为自动工控系统，如化工企业的DCS系统、PLC系统等，且建筑物有外部防雷设施，并利用建筑物结构柱内钢筋作为防雷引下线，以建筑物基础为自然接地体，此种情况下雷击人员伤亡损失主要有：（1）分量RB：在计算此分量时我们应充分考虑爆炸危险环境的危险等级及其采取的相应防护措施。（2）分量RC：对于采用自动工控系统的爆炸危险性场所，一旦雷击造成其自动控制系统失效可能产生如：压力失控、温度失控、危险品泄漏等事故，并可能引发燃烧爆炸，造成人员伤亡。因此在计算此分量的工程中，我们应综合分析，多方求证，充分结合其他相关安全技术评价来综合考虑此项雷击损失分量。（3）分量RM：当雷击爆炸危险性场所附近时，雷电流产生的迅变电磁场可能造成自动工控系统失控，导致人员伤亡，因此在计算风险分量RM的过程中，我们可以按照分量RC的分析原则进行类比计算。（4）分量RU：当雷电闪击建筑物金属入户管线时，雷电流沿金属管线流入建筑物内部，人员接触、操作和入户金属管线有连接的设施时，有可能因接触过电压而导致人员伤亡。（5）分量RV：当雷电闪击建筑物金属入户管线时，入户线路上的雷电流引起的危险电火花可导致燃烧或爆炸，从而导致人员伤亡。评估爆炸危险环境的雷击风险，应充分分析各个线路上的风险分量，针对不同线路及其分别采取的不同等级的防护措施分别进行计算。（6）分量RW：当雷电闪击入户线路时可能导致自动工控系统的损坏或失控，而产生人员伤亡损失，此分量的计算亦可以参照分量RC的分析原则进行类比计算。（7）分量RZ：当雷电闪击入户线路附近时，在线路上感应出的过电压也可能导致自动工控系统的损坏或失控，而产生人员伤亡损失，此分量的计算同样可以参照分量RC的分析原则进行类比计算。在总结各风险分量的基础上，我们得出雷击自动工控系统的爆炸威胁场所的人员伤亡总风险为：R1=RB+RC+RM+RU+Rv+RW+RZ第2种：对于没有采用自动工控系统的爆炸危险性场所，如设备只采用人工手动控制，且建筑物引下线为明敷，此种情况下雷击人员伤亡损失分量主要有：RA、RB、RU、RV，由于其各个分量的分析过程与第一种情况类似，在此不再复述，其人员伤亡损失的总风险为：R1=RA+RB+RU+RV最后我们可根据上述计算结果，与雷击造成人员伤亡损失的最大风险可容许值RT=110-5进行比较之后，得出结论：是否需要采取进一步的雷击防护措施，并为此项目的防雷工程设计提出相应的指导意见，依据此向用户提出整体的防雷思路，危险度很高的项目除可按一类防雷建筑采取防雷措施外，还可要求用户增设雷电预警等先进装备。需要注意的是在以上两种情况的计算工程中，我们应对评估项目的内部设备结构、工艺流程、控制原理等做详细而深入的调查、分析，做出科学的评估计算，切不可盲目套用规范。下面以一个天然气场站的雷击风险评估实例来作为说明：如果不经过实际分析，盲目套用规范，往往会使评估结果大相径庭，对实际的防雷工程设计起不到科学的指导作用。3实例：天然气场站雷电灾害分析楚雄州姚安县年平均雷暴日达到49天，该公司天然气站所处位置为坝区位置且紧邻加油站，雷击概率大大增加。根据项目特性分析，将其可能遭受到的雷击和损坏情况有直接雷击、感应雷击、雷电波侵入。3.1雷电监测网数据分析3.1.1评估点地闪密度分布图1评估点附近地闪密度分布图（单位：次/（km2a）地闪密度用Ng表示，单位为：次/km2a。以下雷电资料取自中国气象局雷电监测网，以在该项目中心位置附近现场测量的地理参数为基准点，以3km为半径，结合中国气象局雷电监测定位系统数据（2009.12013.12）的地闪资料。依据国标GB/T21714.2中公式，可得：Ng1=0.1Td=0.149=4.9次/（km2a），其中Td为年平均雷暴日数。依据中国气象局雷电监测定位系统的闪电数据，取评估点周围半径3km圆形范围，可得Ng2=D/S=1.15次/（km2a，其中D为某地区一年中的地闪次数（次/a），S为该地区的面积（km2）。从安全的原则出发，我们选取Ng1和Ng2中较大者作为本评估报告计算的依据，因此Ng=4.9次/（km2a）。4.根据所在地位置经纬度，以该点为圆心，以3km为统计半径结合中国气象局雷电监测定位系统数据，得出评估点3km范围内平均雷电流分布图。如图2示。根据图2可知所在地3km范围5年（2009.12013.12），平均雷电流强度为42.88kA。图2评估点附近平均雷电流分布图（单位：kA）3.1.2雷电流累积概率根据该项目位置地理参数，以该点为圆心，以3km为统计半径，对中国气象局雷电监测定位网地闪数据进行统计，得出3km范围雷电流累积概率分布曲线；并计算出半径范围内雷击电流，最大雷电流172.89kA；最小雷电流10.44kA；平均雷电流42.88kA。图33km范围闪电雷电流强度累积概率曲线图3.1.3雷电季节变化规律图4是该项目所处地域近几年的地闪数据绘制的月均分布图，依据该组图得出地闪月均活动规律。从图上可知，该地区9、8、7月份为闪电高发期，96.2%的雷电都发生在这几个月。图4评估点区域（3km）闪电季节变化图图5评估点区域（3km）闪电日变化图图5是项目处地域近几年地闪数据绘制的日均分布图，依据该图得出地闪日均活动规律。从图上可知，从该地域闪电主要活跃在23、15、0时，38.5%以上的闪电都发生在这些时段，23时0时为闪电高发时段，其中23时雷电活动最为强烈。3.2土壤电阻率本报告中所用的土壤电阻率数值来源于2014年5月8日在项目所在位置处现场采集的数据（见下表）。采集所用仪表为MI2124接地电阻综合测试仪，运用四极法（如图7所示）（参考标准为GB/T17949.1-2000进行常规测量）分别取接地极间距离a=1、2、3、4m，则所测量土壤电阻率为地表地下15m土壤层的平均土壤电阻率。平均土壤电阻率（m）为53.83。3.3风险评估通过分析该天然气场站的现场勘测数据并参考相关的安全技术评价，并结合前文所述评估方法，由于天然气场站及旁边加油站人员流动数量比较大，因此难以准确确定雷击造成人员伤亡损失的数量，故按照给定的典型平均值进行评估计算，各个因子取值如下：Lt=10-4；Lf=510-2；Cd=0.25；PB=0.02；hz=20；rf=1；rU=10-2；rP=1；Ct=1；PSPD电源=0.03；PSPD电话=1；Ng=4.9。建筑物与入户线路的截收面积1.站房截收闪电面积：=3400.74（m2）2.供电线的截收闪电面积：=29370（m2）3.线路附近地面的截收闪电面积：=100000（m2）4.邻近建筑截收闪电面积：=12477.8（m2）建筑物及入户线路年平均雷击次数1.站房雷击次数：=0.033327（次/年）2.供电线路的雷击次数：=0.007195（次/年）3.线路附近地面的雷击次数：=0.984.邻近建筑雷击次数=0.03057（次/年）通用公式：式中：NX：雷击次数PX：损害概率LX：损失建筑物风险分量的组合损失的风险R1=RA+RB+RC+RM+RU+RV+RW+RZ雷击中该项目建筑时，存在的风险分量：分量RA=0.3332710-5分量RB=66.65410-5分量RV=37.76510-5损失风险总量由雷电闪击而造成人员伤亡损失的总风险R1=RA+RB+RV=0.3332710-5+66.65410-5+37.76510-5=104.7522710-5根据雷击风险评估技术规范QX/T85-2007规定：雷击造成损失的最大风险可容许值RT=110-5，而由雷击造成的损失风险R1=104.7522710-5RT（110-5）。故此姚安县华燃天然气有限责任公司姚安县天然气场站建设项目必须提高雷电防护级别，以降低雷击造成的人员伤亡损失风险，使其符合雷击风险评估技术规范QX/T85-2007的要求。确定需要采取的雷电防护措施建议站房增加以下防护措施：（1）用类的LPS对各建（构）筑物进行保护；（2）为各建筑区域提高防火保护措施，把原消防栓增设自动火灾探测系统和灭火器以减少火灾所带来的不必要损失；（3）有效的等电位连接措施以防止跨步触电；裸露导体、引下线、防雷测试点的电气绝缘以减少不必要的接触触电。（4）增加必要的防雷、消防警示标识，加强现场工作人员的安全意识。（5）加强消防系统如用消防自动控制系统。采取以上措施防护后，PA0.0001，PB0.001，rp=0.2分量RA=0分量RB=0.006665410-5分量RV1=0.1510610-5损失风险总量由雷电闪击而造成损失的总风险R1=RA+RB+RV=0+0.006665410-5+0.1510610-5=0.157725410-5由雷击造成的损失风险R1=0.157725410-5小于损失的最大风险可容许值RT（110-5）。由计算结果看出由雷击造成的人员伤亡总风险明显减低，只需对天然气场站按照第一类防雷建筑物设置外部防雷设施，利用建筑物结构柱内主筋作为引下线，以建筑物基础作为自然接地体，同时对天然气场站内的各种金属管线，金属设备外壳作良好的等电位处理，对加油机等设备作良好的静电接地，同时对电源系统采取D级SPD防护，即能满足规范要求，起到有效的雷击防护效果，真正做到了科学、经济、有效，起到了雷击风险评估对实际防雷工程的指导作用。参考文献：1王凯全，邵辉，袁雄军.危险化学品安全评价方法.北京：中国石化出版社，20052赵庆贤，邵辉.危险化学品安全管理.北京：中国石化出版社，20053机械工业部.建筑物防雷设计规范GB50057-1994（2000年版）.北京：中国计划出版社，20014建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-2004.北京：中国建设工业出版社，20045陈勇斌谢大勇李勤伟爆炸危险环境的雷击风险评估方法研究 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