摘要：针对当前挥发性有机物(VOCs)检测设备管线组件泄漏检测与修复(LDAR)技术中的编码问题,采用拍照法进行组件识别,解决了非工艺检测人员难以根据管道工艺流程图(PID图)对泄漏组件进行编码的重大难题.鉴于目前国内VOCs检测团队多由非工艺人员完成,拍照法具有很大的应用前景.通过将采用红外定性设备与定量监测设备的监测结果进行比对,证实当前智慧LDAR(smartLDAR)检测方法不能完整呈现企业实际VOCs排放情况,不推荐采用此法对石化行业开展LDAR工作.
国内不同标准对挥发性有机物(VOCs)的定义不同，我国环境保护部(以下简称环保部)[1]规定VOCs是指除CO、CO2、H2CO3、金属碳化物、金属碳酸盐、碳酸铵之外，任何参加大气光化学反应的碳化合物。VOCs会形成地面臭氧层，加剧人体呼吸系统疾病，增加癌症发病率，同时VOCs作为可燃物容易引发安全事故。对企业而言，VOCs的排放属于企业原料损失，美国环保署(EPA)研究数据显示，企业因VOCs泄漏导致的财产损失约为$1370美元/tVOCs。此外，VOCs的光化学氧化特性导致城市雾霾的产生，严重影响了居民的身心健康。
VOCs有人为因素和自然因素两大排放源[2]，长久以来由于工业生产的发展、企业设备的老化以及管理不善等使得人为因素排放的VOCs超出了环境承受负荷，而人为因素中则以石化行业的VOCs排放量为最大。已有数据显示，美国石化行业VOCs排放量可占到原油加工量的0.01%～0.02%，其中涉及到设备管线组件泄漏检测与修复(LDAR)的VOCs泄漏排放可占到炼油企业VOCs总泄漏量的40%～60%[3]。可见，采用LDAR技术管控好石化行业的VOCs排放意义重大，尤其是在我国近年来环境问题日益突出，雾霾天气日益增多的大环境下，对石化行业VOCs排放进行管控已经迫在眉睫。我国《重点区域大气污染防治“十二五”规划》[4]中最早提出开展重点行业治理，完善VOCs污染防治体系，并启动了重点区域大气污染防治“十二五”规划重点工程项目，其中工业VOCs治理项目涉及全国各地共300个VOCs治理项目;2014年天津市发布了我国第一个VOCs综合排放标准(《天津市工业企业挥发性有机物排放控制标准》[5](DB12/524—2014))，弥补了国内地方VOCs治理无法可依的空白;2015年1月我国财政部下发地方12个省、直辖市财政厅，对《挥发性有机物排污收费试点办法》[6]征求意见，按照该试点办法，对VOCs排放收费高达1～3万元/tVOCs;2016年2月，继环保部发布了相关VOCs排放量计算方法之后，上海市环保局则公布了包括石化行业在内的5个行业VOCs排放量计算方法(试行)[7]，该计算方法(试行)中针对泄漏元件导致的VOCs排放量，采用基于泄漏元件单个泄漏点浓度(单位为ppm，1ppm=10-6)的一整套计算公式获取单个泄漏点VOCs排放量(单位为t)，并最终加和所有泄漏点排放量获取石化行业总体VOCs排放量。
对石化行业VOCs进行收费的前提是获得VOCs排放量，而当前国内外对石化行业VOCs排放量的计算方法均采用基于单个泄漏点排放浓度的经验公式法，因此石化行业开展VOCs泄漏检测势在必行。LDAR为国外普遍采用的石化行业VOCs泄漏检测技术[3，89]，EPA最早规定了LDAR技术的适用范围及其工作流程，并且规定了VOCs的排放量计算方法，我国上海市石化行业VOCs排放量计算方法即参考了EPA发布的计算方法。据美国EPA的评估结果，采用LDAR技术对泄漏点进行检测并修复后，炼油行业和化工行业的VOCs排放量可分别减少63%和56%，我国上海石化行业[10]采用LDAR技术检测并修复后VOCs泄漏量下降了70.69%。
本文简要介绍了LDAR技术的工作流程，重点介绍了采用拍照法进行组件识别以及对LDAR技术中泄漏组件进行编码的新的实用方法，并采用该方法对我国海油某下属石化企业甲乙酮装置开展了实地LDAR技术检测工作，由于文中推荐的泄漏组件编码技术不依赖于管道工艺流程图(PID图)，特别适合于当前我国VOCs检测队伍中缺乏工艺人员的现状，对我国VOCs检测工作具有重大指导意义。
1LDAR技术简介
LDAR英文全称为LeakageDetectionAndReparation，意为泄漏检测与修复，美国EPA将LDAR技术细分为泄漏点定位、定义泄漏浓度、确定监测组件、修复泄漏组件以及数据记录保存平台的建立5个步骤。其主要思想是：用便携式监测仪器按照标准以一定频次对石化企业所有可能发生泄漏的元件进行逐一监测，凡是监测到泄漏浓度超过规定的“泄漏浓度”(由于各地环保要求不同，不同地域规定的“泄漏浓度”不同)的元件，需按照工作流程在一定时间段内修复并复检，持续LDAR流程将实现逐步减少VOCs排放，最终达到节能环保的目的。
以上5个步骤中的第一步“泄漏点定位”为整个LDAR流程中最为耗时、同时也是最关键的步骤。良好的“泄漏点定位”需要根据事先设定的泄漏元件编码规则做到对数量庞大的泄露元件的不缺失、不重复、意义简明且方便操作等特点。对石化企业完成“泄漏点定位”程序后，良好的元件编码将被录入企业数据记录保存平台[11]，不仅有利于企业对自身设备的统一管理，同时也为下次企业实行LDAR流程提供了便利。
传统的“泄漏点定位”要求监测人员根据石化企业的管道完整工艺流程图(PID图)对全厂所有泄漏元件进行一一识别并编号，这种方法对监测人员的要求较高，需要监测人员具有从事工艺相关专业经验，能够看懂PID图，而实际现场监测人员大多不具备该素质。为此，本文开发了一种称之为拍照法的组件编码识别技术，该法利用防爆相机(石化企业性质决定)按照一定顺序对预实施LDAR的企业进行全方位拍照，对照片中存在的泄漏组件进行编码，并最终形成一套全厂级别的组件编码记录，拍照人员在实施过程中可人为控制每张照片中所存在的泄漏元件数量，以每幅图不超过30个组件为宜。目前国内外尚无针对石化行业实施LDAR流程的拍照法组件编码识别技术的具体步骤和方法，该法简单易操作，在石化行业具有很好的应用前景。
2基于拍照法的组件编码识别
石化行业泄漏设备中可能发生泄漏的元件及其编码表示见表1。
依据环保部对我国石化行业VOCs排放的介质种类划分[1]，将排放VOCs的介质分为气体、轻质液和重质液三类，其编码表示见表2。
编码法需要以设备为基准进行编码，用户找到设备后根据编码中的方位方向寻找泄漏元件，编码中的方位表示见表3。
根据在石化企业的LDAR实施经验，一个完整的编码需要包含以下代码：管理单元编号(2位)+装置名称编号(2位)+照片序号(6位)+介质状态编码(1位，见表2)+密封点编号(3位)+“”+距离编码(2位)+高度编码(2位)+方位编码(2位)+楼层号(3位)+“”+定位设备编码。其中，括号里的数据代表本层代码的字母位数，如管理单元编号(2位)表示采用两位字母(或数字)表示管理单元编号，不够两位字母(数字)的前面以“0”补够两位字母(或数字);“+”表示将前后两个代码直接连接，如管理单元编号为01，装置名称编号为02，则“管理单元编号+装置名称编号”为0102;“”代表分节连接符，如密封点标号为01，距离编码为02，则“密封点编号+‘’+距离编码”为0102;照片编号(6位)代表采用6位数字给照片编码，这是因为石化行业装置较多，全厂级的照片可能多达上万张，照片按照阿拉伯数字排序，占据6位数字的前五位，照片编号中的最后一位为预留位，通常情况下保持为0，如果拍照人员在拍照并按照阿拉伯数字给照片编排好顺序后发现在某两张照片之间少拍了某个点需要补拍，此时采用照片编码中的最后一位预留位，例如拍照者在第184(照片编号为001840)和185(照片编号为001850)两张照片之间发现需要补拍两张照片，则这两张补拍照片编码为001841和001842，这样检测人员根据照片寻找泄漏点时就不会出现找不到拍照场景在何处的状况。
延伸阅读：
以河北某石化企业甲乙酮装置为例，某泄漏组件完整编码为：0101002130LF021MH1EEF01P160，表示生产单元(生产单元标号01)的01装置(甲乙酮装置编号01)，照片编号为002130，流经介质为轻质液，照片内组件类型为法兰，是图1中的第2个密封点，距离设备P160东边水平距离1m、组件中心高度1m的位置，该密封点位于1楼。检测人员看到这串编码后，首先找到设备P160，然后在设备P160东边1m远、1m高位置针对照片寻找，很容易就能找到该泄漏点，并按照图片中的泄漏点顺序逐个进行检测，发现泄漏点后记录下来即可，若未发现泄漏点，则继续对下一张照片(第214张照片)上的泄漏点进行检测。
在具体实施过程中，由于各地要求不同，可按照相应管理规定调整拍照张数，减少工作量。如我国VOCs泄漏检测规定VOCs含量小于10%的管线和组件、年工作时间低于300h的组件等不需检测，厂区的公用工程多属于这些情况，进行拍照时应省略这些地方。
3基于拍照法编码的LDAD技术流程
基于拍照法编码的PDAD技术流程如下。
3.1定义泄漏浓度
按照环保部发布的《石油化学工业污染物排放标准》[12]要求，定义本次泄漏浓度为2000ppm，即凡大于该数值的泄漏组件被认定为泄漏元件。
3.2监测设备
本次对某石化企业进行VOCs检测所需的设备有防爆相机、Phx21便携式气体分析仪、GF320红外热成像仪(美国FLIR公司)、甲烷标气、氢气标气。采用Phx21便携式气体分析仪对泄漏源进行逐点定量监测，对难以进行定点监测的泄漏源，采用GF320红外热成像仪进行定性监测。
3.3排放量的计算
采用便携式监测仪器仅能对泄漏浓度(以ppm表示)进行监测，如何根据体积单位折合到VOCs的质量排放量，是当前VOCs定量的世界性难题[13]，EPA根据前期大量的数据结果拟合出了针对不同泄漏元件的VOCs定量计算公式，我国环保部和上海市标准借鉴了这种方法，在环保部官方文件里，将VOCs泄漏量的计算方法分为实测法、类比监测法、物料衡算法、模型计算法、公式计算法和排放系数法[1]，各方法优劣性从前往后逐渐降低，目前最具操作性的方法是排放系数法，它是一种以泄漏源为基础的计算方法，该方法将泄漏源类型(如阀门、法兰等)个数与相应排放因子的乘积作为VOCs泄漏量。石化行业炼油厂设备泄漏相关排放因子数据见表4。
3.4泄漏修复
发现泄漏点之后，需要对泄漏源进行挂牌标示，并通知企业对泄漏点进行按时修复，原则上泄漏源须在15d修复完毕，但那些必须停产方可进行检修的设备除外。
4实例应用与分析
本文按照前面介绍的基于拍照法编码的LDAR技术流程对河北某石化企业甲乙酮装置进行了VOCs泄漏量的实地检测，其检测结果见表5。
由表5可见：本套甲乙酮装置有766个点是人员无法直接采用定量设备进行监测的，这些泄漏源大多是高空或监测有危险的悬空地带，对于这些泄漏源主要采用GF320定性设备进行扫描监测;对甲乙酮的监测结果显示，甲乙酮装置实际发现泄漏点占泄漏点总数量的0.57%，采用环保部指定的排放因子法，核算甲乙酮装置总泄漏速率为2.53kg/h。实际甲乙酮装置泄漏量高于该数值，这是由于监测过程中有些点属于难检或险检点，对这些点仅能采用定性检测法进行测量，而其泄漏量未统计至表5中;此外某些泄漏点泄漏量较大，已超出了监测设备的最高限，而计算时仅能按照仪表读数计算，因而使得计算值偏低。
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GF320红外设备的检出临界值与气体组分、压力、温度等都有关系，依据现场实测经验，通过对某些定量监测到的泄漏点采用GF320红外设备进行监测，凡该设备监测到的泄漏点，其泄漏量普遍高于30000ppm，可见采用当前某些SmartLDAR技术[14](采用红外设备先定性检查，然后再对红外设备发现的泄漏点进行逐点定量监测的监测技术)不能准确体现设备泄漏的实际情况，这种方法尽管节省时间，却会造成检测结果的大量遗漏，不推荐采用该法进行VOCs的泄漏量监测。
此外，对该厂甲乙酮装置的泄漏组件进行分类，并以泄漏组件为基准查看每种组件的VOCs泄漏情况，有利于指导企业未来针对VOCs的排放实施定向管理。该厂甲乙酮装置不同组件泄漏检测结果见表6。
由表6可见：开口管线、阀门和法兰VOCs泄漏点数量较多，法兰和阀门虽然泄漏个数较多，但其基数较大(6355个和5467个)，因此也不容忽略;若按泄漏比率来看，压力释放设备和开口管线泄漏比率较高，分别为6.25%和5.06%，且这些泄漏元件的泄漏浓度往往也远高于阀门和法兰[15]，在日常生产维修中需要特别关注;此外实地监测中传输有机气体或轻质液的管线泄漏排放远高于传输重质液的管线。
通过对该厂区甲乙酮装置进行VOCs监测后，将发现的泄漏点进行挂牌标识，并通知企业进行修复，其修复结果见表7。
由表7可见，经过修复后，甲乙酮装置泄漏速率由原来的2.53kg/h下降为1.07kg/h，下降幅度高达57.71%，尤其是针对GF320红外设备能检测出的大泄漏点(泄漏浓度>150000ppm)，经过修复后使得装置区空气质量明显改善，厂区工作人员普遍感觉经过整改后装置区气味减轻。
图2为采用红外设备GF320拍摄的厂区泄漏点视频截图，从截图中也可以看出图片右下角明显有气体扩散现象(视频观看更为清晰)，代表此处有大量VOCs泄漏产生。但需要说明的是，实际监测中采用红外GF320设备只能观测到泄漏严重的大泄漏点，无法观察到浓度低于30000ppm的泄漏点。
由于当前我国经济发展与环境污染矛盾突出，国家环保部正在制定VOCs的排放收费标准，针对VOCs的收费标准大概为￥1～3万元/t，有专家指出某些老厂区VOCs泄漏严重，仅VOCs排污费一项每年即可高达近千万元，因此企业应及早准备，建立LDAR信息化系统[11]，将LDAR纳入常态化管理。
5结论
基于当前的红外监测水平，SmartLDAR技术不能实现对VOCs排放情况的准确掌握。采用拍照法对石化行业的泄漏元件进行编码，可解决非工艺人员对泄漏元件难以编码的问题，降低了VOCs检测工作的门槛，便于本项工作更加有利地开展。
针对某石化厂甲乙酮装置中最容易发生泄漏的组件是压力释放设备和开口管线，且运输气体或轻质液的管线泄漏率高于重质液的运输管线，通过在该石化厂甲乙酮装置实施完整的LDAR技术流程，实现了高达50%的VOCs泄漏的减排效果，使企业减少了运行成本，装置区空气质量明显改善，经持续不断地推进LDAR，对企业安全环保和节能意义显著。随着国家对环境综合治理的力度逐渐加大，以及即将全面展开的VOCs收费标准的制定，建议企业将LDAR工作纳入常态化管理。
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原标题：基于拍照法编码LDAR技术在石化行业VOCs排放控制中的应用
