外浮頂油罐雷擊起火概率計(jì)算
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劉健，楊仲江，盧慧慧
（1．南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠-云-降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044；
2．南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇南京210044）
摘要：大型外浮頂儲(chǔ)罐多次發(fā)生雷擊起火事故，因此對(duì)其安全性做出客觀評(píng)價(jià)，計(jì)算雷擊起火概率現(xiàn)實(shí)意義重大。通過分析雷電對(duì)外浮頂油罐的危害方式，利用蒙特卡洛方法結(jié)合電氣幾何模型計(jì)算外浮頂油罐年雷擊率。分析采用導(dǎo)靜電線和可伸縮接地裝置( RGA)的防護(hù)效果差別。最后計(jì)算安裝可伸縮接地裝置后油罐遭受雷擊產(chǎn)生火花放電的年事故率。計(jì)算結(jié)果表明：年雷擊率隨著油罐直徑和罐壁高度的增大而增加；采用可伸縮接地裝置的防護(hù)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)導(dǎo)靜電線；安裝多個(gè)可伸縮接地裝置可以明顯降低產(chǎn)生火花的概率和年事故率。兩個(gè)RGA就可以將油罐遭受雷擊產(chǎn)生火花放電的年事故率降至10-5以下。
關(guān)鍵詞：雷電；外浮頂油罐；雷擊概率；蒙特卡洛方法；火花放電
0 引言
由自然災(zāi)害誘發(fā)的事故災(zāi)難，又稱Na - Tech事件。儲(chǔ)油罐因雷擊起火就是一類典型的Na - Tech事件，該類事件往往涉及自然災(zāi)害與事故災(zāi)難兩種災(zāi)害屬性。國(guó)際資源保護(hù)組織( RPI)牽頭組織開展的LASTFIRE項(xiàng)目，針對(duì)直徑在40 m以上的大型浮頂儲(chǔ)罐火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究，項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：雷電是導(dǎo)致油罐火災(zāi)的最普遍原因。近十多年來(lái)我國(guó)儲(chǔ)油儲(chǔ)罐因雷擊引起火災(zāi)、爆炸事故也呈上升趨勢(shì)。2006年8月7日中石化儀征輸油站15萬(wàn)立方米油罐遭雷擊起火。2007年鎮(zhèn)海石油儲(chǔ)備基地10萬(wàn)立方米油罐連續(xù)發(fā)生了兩次雷擊火災(zāi)事故。2007年7月7日中石化白沙灣輸油站10萬(wàn)立方米油罐發(fā)生雷擊火災(zāi)事故。油罐中的儲(chǔ)油大都易燃易爆，一旦發(fā)生事故，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)雷電造成的油罐起火進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算顯得尤為重要。
1 雷電對(duì)外浮頂油罐危害分析
雷電對(duì)外浮頂油罐的危害方式主要有兩種：一是直擊雷，二是雷電感應(yīng)。雷電感應(yīng)通常發(fā)生在油罐接地不良情形下。根據(jù)國(guó)內(nèi)以往事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，油罐雷擊火災(zāi)由直擊雷引起的可能性較大。
外浮頂油罐遭受雷電直擊主要有兩種形式：雷電直擊儲(chǔ)罐罐頂和雷電直擊浮盤。儲(chǔ)罐罐頂遭受雷擊后，雷電流沿罐體內(nèi)側(cè)向下流動(dòng)，通過罐壁邊緣密封和浮盤對(duì)地泄放。雷電直擊浮盤時(shí)，雷電流將通過浮盤、浮盤與罐體的連接通路和罐壁泄放入地。相比較而言，雷擊浮盤產(chǎn)生的危害更為嚴(yán)重，因?yàn)橥飧№斢凸薷”P密封和電氣連通是運(yùn)行安全的一個(gè)最薄弱環(huán)節(jié)。雷電流泄散路徑不是單獨(dú)的，雷擊電流與每個(gè)有效路徑的電涌阻抗成比例。電流路徑的任何不連續(xù)都可能導(dǎo)致間隙處發(fā)生火花放電，引起儲(chǔ)罐火災(zāi)。這也與LASTFIRE項(xiàng)目的雷擊導(dǎo)致密封圈火是最常見的油罐火災(zāi)結(jié)論一致。
2 外浮頂油罐年雷擊率計(jì)算
要計(jì)算雷擊導(dǎo)致的油罐起火的事故率，首先要得到外浮頂油罐的年雷擊率。外浮頂油罐遭到雷擊的過程是一次隨機(jī)的過程，受到雷電流、油罐高度、雷擊點(diǎn)方位等因素影響。將這些因素所對(duì)應(yīng)的若干隨機(jī)變量作為年雷擊率函數(shù)的若干自變量，運(yùn)用蒙特卡洛法判斷這些隨機(jī)變量的值是否滿足擊中油罐的條件。記錄模擬的結(jié)果，對(duì)多次結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到年雷擊率估計(jì)值。
考慮到可能影響雷擊油罐的隨機(jī)過程，將擊中概率y作為若干隨機(jī)變量的函數(shù)：
式中：i為雷電流幅值，（x，y）為雷擊點(diǎn)方位。
對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣，第k次抽樣的結(jié)果記做：
若第k次抽樣滿足擊中油罐的條件，則記y。=1，否則y。=0。進(jìn)行N次獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)N充分大時(shí)，根據(jù)大數(shù)定理，擊中油罐的概率為：
判斷是否擊中油罐的條件依據(jù)電氣幾何模型( ECM)。如果雷電下行先導(dǎo)的地面投影距離小于離油罐邊緣的臨界距離r，則認(rèn)為雷電擊中油罐，否則認(rèn)為雷電擊中大地。
基于電氣幾何模型的雷擊距公式：
式中：rs為對(duì)油罐邊緣雷擊擊距，m；，為雷電流幅值，kA;r。為對(duì)地雷擊擊距，m。
地面臨界距離r計(jì)算如圖1所示，計(jì)算公式如下：
雷電流幅值i的隨機(jī)抽樣依據(jù)我國(guó)規(guī)程推薦雷電流幅值分布概率公式：
式中：T。為所處地區(qū)的年平均雷暴日。
圖2給出了10萬(wàn)立方米油罐經(jīng)過500 000次隨機(jī)事件模擬后的擊中油罐的雷擊點(diǎn)示意圖。可以看雷擊點(diǎn)較為集中，分布區(qū)域近似呈圓形。
表1給出了不同容積油罐的尺寸。圖3給出了經(jīng)過蒙特卡洛模擬得到的不同容積油罐的年雷擊率及其隨油罐直徑和罐壁高度變化示意圖。由圖3看出，隨著油罐容積的增大，年雷擊率也相應(yīng)增加，但并非呈線性趨勢(shì)。罐壁高度越高，油罐直徑越大，油罐的雷擊截收面積相應(yīng)增加，導(dǎo)致油罐越容易遭受雷擊。
3 防止密封圈火花放電措施
美國(guó)石油學(xué)會(huì)( API)等相關(guān)單位研究認(rèn)為：防止雷電直擊通常是不可能，可行的保護(hù)方法是提供一個(gè)可靠的泄流通道到地面，從而使雷電危害降低到最小。目前，浮盤與罐壁的電氣連通主要采用導(dǎo)靜電片。但在實(shí)際運(yùn)行中，受浮盤的上下移動(dòng)、老化、金屬腐蝕等因素的影響，導(dǎo)靜電片很難與罐壁緊密貼合，容易產(chǎn)生微小間隙，反而成為雷擊時(shí)的打火點(diǎn)。
國(guó)內(nèi)油庫(kù)防雷標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定，浮頂油罐采用2根橫截面不小于25 mm2的軟銅復(fù)絞線將金屬浮頂與罐體進(jìn)行的電氣連接。根據(jù)國(guó)內(nèi)以往發(fā)生的油罐雷擊事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，除2005年一起汽油罐事故找到雷電感應(yīng)致災(zāi)的證據(jù)外，其它都是在浮頂2根接地線連接良好情況下發(fā)生的，說(shuō)明符合標(biāo)準(zhǔn)的油罐依然不能避免發(fā)生此類事故的可能性。為此仍然需要在浮盤與罐壁間增加電氣連接點(diǎn)，提高電氣連通可靠性。
可伸縮接地裝置( RGA)在浮盤上下移動(dòng)時(shí)自由伸縮，始終保持拉緊狀，因而得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算模型，比較傳統(tǒng)導(dǎo)靜電線和RGA的保護(hù)效果。
導(dǎo)線的阻抗計(jì)算公式為：
式中，p．為浮頂遭受雷擊概率；p：為產(chǎn)生火花所需
由于罐壁高度一般大于浮頂高度，罐壁實(shí)際上相當(dāng)于無(wú)數(shù)個(gè)圍成一圈的避雷針的作用，見圖4。根據(jù)建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范，可以確定罐壁對(duì)浮頂?shù)谋Ｗo(hù)范圍，得到浮頂危險(xiǎn)區(qū)域占比，即浮頂遭受雷擊概率p．。滾球半徑h，按二類建筑物防護(hù)類別選取。
浮頂半徑為R，浮盤與罐壁之間的間隙寬度為d，罐壁高度為H，浮盤的高度為^（高度可變）。避雷針在^高度處的保護(hù)半徑：
危險(xiǎn)區(qū)域半徑：
危險(xiǎn)區(qū)域占整個(gè)浮頂?shù)谋壤?
浮頂高度越高，危險(xiǎn)區(qū)域占整個(gè)浮頂?shù)谋壤苍酱螅№敱焕纂姄糁械母怕室苍礁�，這也與實(shí)際情況相符。
當(dāng)雷擊浮頂時(shí)，根據(jù)雷擊電流分布實(shí)驗(yàn)可知，RGA近似分流均勻，如果有n個(gè)RGA均勻分布連接浮頂與罐壁，雷電流幅值為，時(shí)，流過每個(gè)RGA的雷電流為//n,。當(dāng)浮盤和罐壁之間的瞬態(tài)電壓降U超過二者之間間隙擊穿電壓U。時(shí)，產(chǎn)生火花放電。浮盤和罐壁之間的瞬態(tài)電壓降U的計(jì)算公式為：
根據(jù)式(20)計(jì)算得到臨界放電電流，0，根據(jù)式(7)計(jì)算得到產(chǎn)生火花所需雷電流發(fā)生概率p：。
以10萬(wàn)立方的浮頂油罐為例，計(jì)算采用RGA時(shí)浮頂遭受雷擊產(chǎn)生火花放電的概率p，計(jì)算結(jié)果見圖5。罐壁高21.1 m，浮盤半徑為40. 26 m，罐壁與浮盤間隙寬度取24 cm，RGA截面積取6×10。5 m2。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)雷電沖擊下24 cm間隙擊穿電壓248 kV，波頭時(shí)間取10 us。
由圖5可知，RGA長(zhǎng)度越長(zhǎng)，浮盤遭受雷擊產(chǎn)生火花擊穿概率越小。同時(shí)，增加RCA數(shù)量可以增加雷電流泄放通道，大大減小發(fā)生概率。采用6個(gè)RGA時(shí)，即使RCA長(zhǎng)度較長(zhǎng)，阻抗較大，產(chǎn)生火花放電的概率也小于10。。
假定浮頂油罐安裝兩個(gè)RGA，RGA長(zhǎng)度為10 m，計(jì)算不同容積外浮頂油罐遭受雷擊產(chǎn)生火花放電的年事故率，結(jié)果見表2。
由表2可以看出，在同樣安裝兩個(gè)RGA的情況下，外浮頂油罐遭受雷擊產(chǎn)生火花放電的年事故率隨著油罐容積的增加而增大，但是采用RGA后年事故率都比較小，都在10。5量級(jí)以下，對(duì)于雷電防護(hù)較為可靠。從嚴(yán)格防護(hù)角度考慮，對(duì)于大型浮頂油罐可以適當(dāng)增加RGA安裝數(shù)量。
5結(jié)論
1)外浮頂油罐的年雷擊率隨著油罐容積的增大而增加。
2)采用RCA的防護(hù)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)導(dǎo)靜電線，安裝多個(gè)RGA可以明顯降低浮盤遭受雷擊產(chǎn)生火花放電的概率。
3)安裝兩個(gè)RGA就可以將油罐遭受雷擊產(chǎn)生火花放電的年事故率將至10-以下。大型浮頂油罐可以適當(dāng)增加RGA安裝數(shù)量。
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