溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備在石化企業(yè)小型溢油事件中的應(yīng)用

王昕喆 張福良 謝諺 楊洋洋 曲聰 閆茜 盛學(xué)佳

(中國(guó)石化青島安全工程研究院 山東青島 266000)

0 引言

石化企業(yè)在日常生產(chǎn)中易出現(xiàn)溢油事件，溢油量少時(shí)不易發(fā)現(xiàn)，且極易直接排出外環(huán)境，從而造成環(huán)境污染。2018年國(guó)家環(huán)保部印發(fā)的《企業(yè)突發(fā)環(huán)境事件風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法》(HJ 941—2018)中提出，雨水排口需“具有雨水系統(tǒng)外排總排口(含泄洪渠)監(jiān)視及關(guān)閉設(shè)施”；2018年國(guó)家交通運(yùn)輸部印發(fā)的《水運(yùn)工程環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 149—2018)在“第十章 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)”中明確指出“裝卸油品、液體化工品的碼頭以及船舶供受油作業(yè)的碼頭應(yīng)設(shè)置水上油品或液體化工品泄漏監(jiān)視監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置”，并對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置提出了相應(yīng)要求；中石化集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水體環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)要求》(Q/SH 0729—2018)中也明確提到“企業(yè)宜在雨水排口、油品碼頭等可能發(fā)生溢油風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域設(shè)置溢油實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警設(shè)施”。因此在石化企業(yè)，尤其是沿江企業(yè)的雨/污水排口、碼頭等安裝溢油實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備已成為石化企業(yè)響應(yīng)國(guó)家環(huán)保要求的一大必然步驟。

但是目前市場(chǎng)上溢油監(jiān)測(cè)設(shè)備種類繁多，且較多安裝在易發(fā)生大型溢油事故的碼頭[1-2]，應(yīng)用在企業(yè)雨/污水排口等非碼頭位置的設(shè)備較少。在設(shè)備選型時(shí)往往強(qiáng)調(diào)可針對(duì)于溢油量大且極易快速擴(kuò)散的海上溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警，忽略了石化企業(yè)內(nèi)部頻發(fā)的小型溢油事件。企業(yè)內(nèi)部小型的油品泄漏事件往往不易發(fā)現(xiàn)，有較大泄露風(fēng)險(xiǎn)的部分長(zhǎng)輸管道也往往存在野外環(huán)境惡劣、缺乏人為看管且供電難度較大等特點(diǎn)，因此在針對(duì)于石化企業(yè)小型溢油事件的溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)選擇上，不應(yīng)完全與安裝于碼頭針對(duì)海上大型溢油事故預(yù)警的技術(shù)保持一致[3-4]。明確設(shè)備選型關(guān)鍵參數(shù)，或開發(fā)最能夠滿足石化企業(yè)小型油品泄露事件應(yīng)急響應(yīng)要求的溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，是開展企業(yè)頻發(fā)溢油事件應(yīng)急預(yù)警的關(guān)鍵。本文總結(jié)了目前的溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與產(chǎn)品現(xiàn)狀，針對(duì)易被忽視的石化企業(yè)內(nèi)部小型溢油事件，分別從監(jiān)測(cè)原理與模式、設(shè)備組件以及安裝要點(diǎn)3大方面提出溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備的選型與安裝方案優(yōu)化，彌補(bǔ)了企業(yè)小型溢油事件的溢油風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警設(shè)備選型研究空白，為下一步的溢油預(yù)警設(shè)備研發(fā)提供應(yīng)用參考。

1 溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與產(chǎn)品研究現(xiàn)狀

目前針對(duì)溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的研究主要集中于溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)，包括紫外熒光技術(shù)、遙感紫外技術(shù)、激光雷達(dá)技術(shù)等原理探究[5-8]，海上溢油監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研發(fā)、信息提取處理、監(jiān)測(cè)模型構(gòu)建等后臺(tái)數(shù)據(jù)集成研究[9-11]以及監(jiān)測(cè)遙感數(shù)據(jù)的深度信息挖掘、信息提取與反演、評(píng)價(jià)體系研究等數(shù)據(jù)后處理研究[12-15]。主要的應(yīng)用對(duì)象仍為海上溢油事故，應(yīng)用地點(diǎn)為港口碼頭，主要的適用領(lǐng)域?yàn)楹Ｉ蠎?yīng)急處置。對(duì)于針對(duì)石化企業(yè)的內(nèi)部緩釋溢油事件的監(jiān)測(cè)模型技術(shù)研究仍較少見(jiàn)，根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)[16-17]分析，發(fā)現(xiàn)此方向也并未引起足夠的重視。對(duì)于現(xiàn)有的溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)是否能夠直接應(yīng)用于小型溢油事件也未有明確說(shuō)明，設(shè)備選型等更為空白。

國(guó)內(nèi)外溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警產(chǎn)品在過(guò)去10年間發(fā)展迅速且原理、設(shè)備組成種類多樣，市面上主要銷售的設(shè)備類型見(jiàn)表1，具體設(shè)備外形見(jiàn)圖1。國(guó)內(nèi)的VIS LS設(shè)備在石化企業(yè)應(yīng)用較少，比較成熟且應(yīng)用多年的溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備主要為愛(ài)沙尼亞的ROW設(shè)備以及美國(guó)INTEROCEAN公司的SLICK SLEUTH設(shè)備。近3年，中國(guó)石化自主研發(fā)的RISEOSM-200LED型號(hào)設(shè)備已在多家石化企業(yè)運(yùn)行，且運(yùn)行狀況較為順暢。

表1 國(guó)內(nèi)外主要溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警產(chǎn)品

(a)美國(guó)INTEROCEAN公司SLICK SLEUTH設(shè)備 (b) 愛(ài)沙尼亞LDI公司ROW設(shè)備

(c)德國(guó)OPTIMOS公司SPILL WATCH設(shè)備 (d)中國(guó)石化安全工程研究院RISEOSM-200LED設(shè)備圖1 典型溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備產(chǎn)品外形

本文針對(duì)目前應(yīng)對(duì)石化企業(yè)小型溢油事件的溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備選型不明的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)設(shè)備調(diào)研與實(shí)地考察，提出一種合理的設(shè)備選型與安裝方案確定流程，具體見(jiàn)圖2。

圖2 溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備選型與安裝方案流程

2 溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備選型

監(jiān)測(cè)原理與模式從根本上決定了進(jìn)行溢油監(jiān)測(cè)的可行性，設(shè)備組件優(yōu)選則從設(shè)備使用上最大程度保證運(yùn)行的效果與時(shí)長(zhǎng)。針對(duì)石化企業(yè)內(nèi)部小型溢油事件，尋找最合適的設(shè)備選型或進(jìn)行設(shè)備研發(fā)，以上兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)都應(yīng)在考慮之內(nèi)。

2.1 監(jiān)測(cè)原理與模式選擇

設(shè)備的原理與模式從根本上決定了設(shè)備的性能與適用范圍，是進(jìn)行設(shè)備選型的第一步。

(1)監(jiān)測(cè)原理選擇

目前溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備的主要原理有可見(jiàn)光法、紅外光度法、紫外熒光法、微波輻射法、電磁能量吸收法等[18-22]。主要原理優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2，其中可見(jiàn)光法即通過(guò)普通CCD相機(jī)直接采集圖像，直接肉眼辨別，成本低廉，但不適用于夜間監(jiān)控；紅外光度法則主要通過(guò)熱輻射的差別進(jìn)行監(jiān)控，探測(cè)薄油能力較弱[19]；紫外熒光法是根據(jù)不同物質(zhì)受紫外光激發(fā)出的熒光中心波長(zhǎng)位置不同，可清晰判斷油品與其他物質(zhì)，且不受惡劣天氣影響；微波輻射法是根據(jù)水和油品自輻射微波強(qiáng)度不同來(lái)分辨油品，但空間分辨率較低。針對(duì)石化企業(yè)內(nèi)部小型溢油事件來(lái)說(shuō)，少量且斷續(xù)的泄漏情況更為常見(jiàn)，必須保證溢油監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)于薄油層的敏感強(qiáng)度，且根據(jù)應(yīng)急要求必須能夠滿足24 h進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)；對(duì)于石化企業(yè)的輸油管道等設(shè)施往往分布在野外較為惡劣的環(huán)境的問(wèn)題，溢油監(jiān)測(cè)設(shè)備也應(yīng)當(dāng)保證能夠不受惡劣環(huán)境的影響始終正常運(yùn)行。因此基于油膜的紫外熒光法是較為合適的溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警原理。

表2 溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備主要原理優(yōu)缺點(diǎn)匯總

(2)監(jiān)測(cè)模式選擇

溢油監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)模式主要分為兩種，一種為接觸式，即需要設(shè)備與水面直接接觸，例如電磁波能量法，通過(guò)水上發(fā)射和水下接收電磁波能量的強(qiáng)度判斷油膜厚度，但由于接觸法對(duì)水面的狀況要求較高，因此在惡劣的水文條件下不適用。接觸式設(shè)備的傳感器由于與水面直接接觸也易被污染，日常清理較為困難。另一種是非接觸式，即將傳感器布于水面之上進(jìn)行不接觸的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，可大大減少對(duì)水面狀況的要求，且減少與油品的接觸，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，不涉及水下安裝，安裝調(diào)試難度也相對(duì)較低，可適用于多種環(huán)境。因此相較而言，非接觸式的監(jiān)測(cè)模式更適宜企業(yè)內(nèi)部使用。

2.2 設(shè)備組件選擇

基本原理與模式確定后，需要對(duì)設(shè)備的組件進(jìn)行優(yōu)選組合，對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)提出要求，以最大限度地發(fā)揮溢油監(jiān)測(cè)的功能。

(1)燈源選擇

目前紫外熒光定點(diǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的主要燈源分為兩大類：氙燈和Light Emitting Diode(LED)燈。目前較受推崇的美國(guó)INTEROCEAN公司的設(shè)備是氙燈光源，愛(ài)沙尼亞LDI公司和德國(guó)OPTIMOS公司的設(shè)備皆為L(zhǎng)ED光源。氙燈發(fā)熱量小，散熱較好，但功率較高，且由于自身發(fā)光原理決定其光衰快，壽命相對(duì)較短。而目前逐漸在廣泛使用的LED光源，大功率下的散熱較差，但壽命長(zhǎng)，相同條件下耗電量少。針對(duì)石化企業(yè)長(zhǎng)輸管道，設(shè)備用電以及更換維修都不方便，因此對(duì)壽命以及耗電量要求較高。由于激發(fā)熒光的紫外光強(qiáng)度并不需要很大，因此散熱問(wèn)題可相對(duì)置后考慮，LED光源相比之下更為適宜。

(2)設(shè)備外形設(shè)計(jì)

由于設(shè)備要安裝于石化企業(yè)內(nèi)部或風(fēng)險(xiǎn)源周邊，防爆是最基本的安全設(shè)備要求，因此在設(shè)備外形設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮防爆的要求，目前INTEROCEAN，OPTIMOS等多數(shù)廠家采用隔爆型設(shè)計(jì)，INTEROCEAN則推出了增壓防爆型產(chǎn)品。為了方便在企業(yè)裝置的雨/污水排口進(jìn)行安裝，設(shè)備應(yīng)在滿足功能的條件下盡量做到體積小、占地面積小、方便安裝人員操作與調(diào)試，必要時(shí)做成撬裝式，可根據(jù)需求靈活進(jìn)行位置移動(dòng)與調(diào)節(jié)。監(jiān)測(cè)管道等風(fēng)險(xiǎn)源的溢油監(jiān)測(cè)設(shè)備常安裝于戶外，防水且不積水也應(yīng)是戶外設(shè)備的必要性質(zhì)，因此在外形設(shè)計(jì)上應(yīng)注意避免雨水積存，采取導(dǎo)流傾斜等手段，從而延長(zhǎng)設(shè)備壽命。根據(jù)需求還可增加防雷電設(shè)計(jì)等。

3 設(shè)備安裝要點(diǎn)

溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備在實(shí)際安裝過(guò)程中易面臨多種問(wèn)題，導(dǎo)致其無(wú)法正常運(yùn)行，使監(jiān)測(cè)效果大打折扣，并且在安裝過(guò)程中應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)成本最小化，監(jiān)測(cè)覆蓋面積最大化。

3.1 結(jié)合地域特征

石化企業(yè)地域跨度大，氣候特征區(qū)別大。南北方的氣候植被差異明顯，若安裝時(shí)間為秋冬季，應(yīng)考慮到南方植被春季迅速生長(zhǎng)問(wèn)題，避免樹葉經(jīng)過(guò)一季生長(zhǎng)，超出原有位置造成光源的遮擋，影響溢油監(jiān)測(cè)設(shè)備的正常運(yùn)行，且部分季節(jié)性植被落葉較多，要考慮到落葉是否會(huì)對(duì)水面進(jìn)行大面積覆蓋，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成季節(jié)性顯著影響。南方一般雨季較長(zhǎng)，空氣濕度大，應(yīng)將設(shè)備遠(yuǎn)離雨水匯集區(qū)，避免遭受雨水侵蝕縮短使用壽命。北方則應(yīng)考慮部分區(qū)域水流量較少冬季易結(jié)冰，油品即使有泄漏也不易流出，在此處進(jìn)行設(shè)備安裝是否有意義等問(wèn)題。

3.2 結(jié)合水體特點(diǎn)

水體作為承載油品的介質(zhì)，監(jiān)測(cè)時(shí)的水體性質(zhì)在一定程度上決定了儀器設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。一方面，基于紫外熒光監(jiān)測(cè)設(shè)備的本質(zhì)為監(jiān)測(cè)表面油膜的存在，因此要避免可能產(chǎn)生油品乳化沒(méi)有成形油膜的情況，例如流速過(guò)大或變道導(dǎo)致流速變化較大的點(diǎn)位，防止因流速過(guò)快油品乳化嚴(yán)重導(dǎo)致無(wú)法監(jiān)測(cè)。另一方面，對(duì)于開闊水域，例如較為寬廣的河流，應(yīng)考慮到單一位置布點(diǎn)無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)預(yù)警要求，可采用“之”字形等多位置分散安裝法來(lái)保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性。

3.3 結(jié)合企業(yè)類型

石化企業(yè)類型較多，出現(xiàn)油品泄漏隨水流直接流出廠界的主要風(fēng)險(xiǎn)位置有所差異，發(fā)生溢油事件的環(huán)境后果嚴(yán)重程度也不盡相同[23-26]。石化企業(yè)類型與溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備安裝布點(diǎn)原則見(jiàn)表3。只有結(jié)合企業(yè)類型，明確較大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，才能夠發(fā)揮溢油監(jiān)測(cè)設(shè)備最大的作用。例如對(duì)于油庫(kù)來(lái)說(shuō)，應(yīng)選擇原油罐區(qū)防火堤雨水排口、含油污水池、庫(kù)區(qū)雨排口、碼頭泊位等位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，才能保證油庫(kù)溢油一旦發(fā)生能夠及時(shí)被發(fā)現(xiàn)；而對(duì)于管道來(lái)說(shuō)，選擇管道穿跨越河流、暗渠等最敏感的位置，才能保證溢油一旦發(fā)生，在監(jiān)測(cè)到之前，造成的環(huán)境影響最小。因此要根據(jù)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的具體特征與溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警目的具體分析安裝點(diǎn)位。

表3 石化企業(yè)類型與溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備安裝布點(diǎn)[23]

4 結(jié)論

本文在總結(jié)了目前成熟的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)和市面上應(yīng)用較廣泛的溢油監(jiān)測(cè)設(shè)備后，對(duì)石化企業(yè)小型溢油事件監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備的選型和安裝，從監(jiān)測(cè)原理與模式、設(shè)備組件選擇以及安裝要點(diǎn)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，得到結(jié)論如下：

(1)從原理和模式上，紫外誘發(fā)熒光非接觸定點(diǎn)式最適宜用作石化企業(yè)小型溢油事件監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備的開發(fā)。

(2)LED燈從壽命與耗電量上，比氙燈更適合用作石化企業(yè)溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備的燈源，而設(shè)備外形設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮防爆要求以及體積大小，方便雨水排口等位置安裝。

(3)石化企業(yè)小型溢油事件監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備在安裝時(shí)要充分考慮地域特征、水體特征以及企業(yè)類型等因素，綜合考慮進(jìn)行安裝點(diǎn)位的選擇。