LDAR技術(shù)在油氣裝置上的應(yīng)用

朱機(jī)靈

(中國石化 中原油田分公司天然氣處理廠，河南 濮陽 457162)

揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是大氣光化學(xué)反應(yīng)的重要前體，可能對(duì)空氣中臭氧、二次有機(jī)氣溶膠和霧霾的生成有一定的貢獻(xiàn)。VOCs主要源于工業(yè)排放，其中石化行業(yè)排放占據(jù)重要地位。石化行業(yè)VOCs排放主要來自設(shè)備密封泄漏、原油及產(chǎn)品儲(chǔ)罐的呼吸等12類排放源，絕大部分為無組織排放，其中設(shè)備密封點(diǎn)泄漏占VOCs排放總量的比例超過 25%，是最主要的排放源之一，其最佳實(shí)用控制技術(shù)是泄漏檢測與修復(fù)(LDAR)[1]。

1 LDAR概述

LDAR是指對(duì)工業(yè)生產(chǎn)全過程物料泄漏進(jìn)行控制的系統(tǒng)工程。該技術(shù)采用固定或移動(dòng)檢測儀器，定量或定性檢測生產(chǎn)裝置中易產(chǎn)生VOCs泄漏的密封點(diǎn)(包括閥門、法蘭和連接件等)，并在一定期限內(nèi)采取有效措施修復(fù)超過一定濃度的泄漏點(diǎn)，從而控制物料泄漏損失，減少對(duì)環(huán)境造成的污染，達(dá)到減少污染物排放、改善周邊環(huán)境、提高裝置運(yùn)行安全穩(wěn)定的目的。

LDAR技術(shù)在石油煉制和化工行業(yè)得到了普通應(yīng)用，環(huán)保部門也把LDAR應(yīng)用情況作為一項(xiàng)重要監(jiān)管內(nèi)容，加大了對(duì)企業(yè)的檢查和考核力度。近兩年逐步推廣到煤化工行業(yè)，但是還沒有見到應(yīng)用于天然氣處理行業(yè)的報(bào)道。根據(jù)《石化行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物綜合整治方案》(環(huán)發(fā)【2014】177號(hào))要求，以天然氣為原料生產(chǎn)有機(jī)化合物的企業(yè)也在監(jiān)管范圍，詳細(xì)產(chǎn)品目錄可以參與《石油化工工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB31571-2015)中附錄A相關(guān)內(nèi)容。

2 LDAR應(yīng)用的必要性

中原油田的天然氣以石油伴生氣為主，溶解在原油中的天然氣伴隨著原油開采而分離出來，含有豐富的乙烷、丙烷、丁烷，還有部分戊烷以上組分。為了滿足管輸要求，同時(shí)回收輕烴提高效益，中原油田天然氣處理廠建有天然氣處理裝置和輕烴深加工裝置(以下合稱油氣裝置)。油氣裝置對(duì)伴生氣進(jìn)行處理，脫除天然氣中的水分和輕烴，并對(duì)輕烴進(jìn)行精分離，主要產(chǎn)品有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、正己烷及其他烷烴類產(chǎn)品。根據(jù)VOCs定義，這些產(chǎn)品都是揮發(fā)性有機(jī)化合物，在大氣中能發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，破壞環(huán)境和健康。為了降低裝置的無組織排放，減少產(chǎn)品損失、保護(hù)環(huán)境，有必要在油氣裝置上推廣應(yīng)用LDAR技術(shù)，發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)并及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)也能提高了裝置的安全水平。

3 項(xiàng)目建立

根據(jù)《石化企業(yè)泄漏檢測與修復(fù)工作指南》相關(guān)要求，LDAR主要分為項(xiàng)目建立、現(xiàn)場檢測及泄漏修復(fù)三個(gè)部分，并最后出具檢測報(bào)告。中石化煉化企業(yè)LDAR項(xiàng)目使用的是石化盈科管理平臺(tái)，建立了密封點(diǎn)數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)。天然氣處理廠作為石化內(nèi)部企業(yè)，為了保證LDAR項(xiàng)目的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，便于今后管理，計(jì)劃在中石化LDAR相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建立具有單位特色的LDAR管理體系。

項(xiàng)目建立前要進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作，包括人員準(zhǔn)備、資料準(zhǔn)備及材料準(zhǔn)備，其中資料收集是比較繁瑣的工作，主要有P&ID(管道儀表流程圖)、PFD(工藝流程圖)、物料平衡表及MSDS(化學(xué)品安全說明書)等內(nèi)容。項(xiàng)目建立主要指建立密封點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和組件標(biāo)識(shí)，必要時(shí)要建立密封點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理平臺(tái)。以下以輕烴深加工裝置為例進(jìn)行說明，該裝置的輕烴加工能力為2.5萬t/a。

3.1 建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

嚴(yán)格意義上說，甲烷屬于VOCs的范圍。但由于甲烷的光化學(xué)活性很弱，可忽略不計(jì)，美國EPA規(guī)定VOCs不包括甲烷[2]。但甲烷具有易燃易爆的特性，甲烷泄漏會(huì)產(chǎn)生較大的安全隱患。通過對(duì)油氣裝置進(jìn)行分析，從安全管理和環(huán)境保護(hù)的角度考慮，對(duì)涉及天然氣和烷烴的工藝管線進(jìn)行識(shí)別，把天然氣和烷烴都納入LDAR范圍。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，輕烴深加工裝置有10 664個(gè)密封點(diǎn)，其中動(dòng)密封點(diǎn)2 192個(gè)，靜密封點(diǎn)8 472個(gè)。

在進(jìn)行密封點(diǎn)數(shù)據(jù)庫建檔過程中，各企業(yè)普遍采用了“工藝流程法”，即結(jié)合PFD圖對(duì)涉及VOCs的密封點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按物料流向進(jìn)行組件劃分和密封點(diǎn)建檔工作。這樣在LDAR檢測過程中，就存在以下難題：檢測人員由于不熟悉生產(chǎn)工藝，很難準(zhǔn)確找到密封點(diǎn)；工藝流程上密封點(diǎn)在不同樓層或區(qū)域，檢測過程需在不同樓層檢測，檢測工作量較大。為此，天然氣處理廠采取了“區(qū)域化”建檔法，首先確定涉及VOCs的管線，然后再到現(xiàn)場進(jìn)行區(qū)域劃分，可以按樓層劃分，也可以按設(shè)備劃分，不但提高了建檔效果，還提高了檢測效率。

3.2 組件標(biāo)識(shí)

對(duì)于大型裝置來說，密封點(diǎn)較多，定位較困難。為了便于管理，一般將有規(guī)律分布的管閥件作為一個(gè)組合，簡稱組件，組件上面集合了許多密封點(diǎn)。這樣，在實(shí)際工作中，只要找相應(yīng)的組件，就能找到所要檢測的密封點(diǎn)。對(duì)于組件管理，有三種方法：掛牌法、P&ID標(biāo)示法和圖片標(biāo)示法。常用是圖片標(biāo)示法。在現(xiàn)場對(duì)組件進(jìn)行拍照，在圖片上完成密封點(diǎn)的標(biāo)示，比較直觀、形象，很容易在裝置現(xiàn)場找到相應(yīng)組件和密封點(diǎn)的位置。對(duì)組件圖片進(jìn)行標(biāo)示管理，中石化還沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，各煉化企業(yè)各有側(cè)重、各有特點(diǎn)，有時(shí)同一企業(yè)各個(gè)車間就有不同的標(biāo)識(shí)方法。為了便于管理，天然氣處理廠制定了標(biāo)準(zhǔn)模式，對(duì)圖片大小(如1.6 cm×10 cm)、文本框大小(如1 cm×0.8 cm)、標(biāo)注位置、組件信息框及最大標(biāo)注數(shù)量(如30個(gè))等都做了詳細(xì)規(guī)定，可以在PPT中很方便繪制密封點(diǎn)位置。

3.3 建立管理平臺(tái)

企業(yè)可以自建LDAR管理平臺(tái)，也可從市場上購置合適的管理平臺(tái)。天然氣處理廠根據(jù)單位實(shí)際，自建了一套管理系統(tǒng)，分為PC端和移動(dòng)端。PC端實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫管理、計(jì)劃下達(dá)、圖片標(biāo)示管理及數(shù)據(jù)管理等功能；移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)了區(qū)域化劃分、圖示按鍵檢測及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。在檢測過程中，密封點(diǎn)找點(diǎn)定位是個(gè)難題，在天然氣處理廠自建的LDAR管理平臺(tái)中，把裝置劃分成若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)著現(xiàn)場裝置圖片，圖片上標(biāo)注有組件分布信息，點(diǎn)擊組件編號(hào)就能調(diào)入相應(yīng)組件圖片，可以很方便找到密封點(diǎn)。防爆PDA上安裝自研的檢測APP，能與VOCs檢測儀進(jìn)行藍(lán)牙連接，實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的無線傳輸和自動(dòng)記錄，檢測人員不再手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，大大減少了工作量。

4 泄漏檢測

4.1 檢測標(biāo)準(zhǔn)

天然氣處理廠在LDAR檢測過程中主要是參考《泄漏和敞開液面排放的揮發(fā)性有機(jī)物檢測技術(shù)導(dǎo)則》(HJ733-2014)、《揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB37822-2019)和《石化企業(yè)泄漏檢測與修復(fù)工作指南》，利用便攜式氫離子(FID)VOCs檢測儀進(jìn)行檢測。其中動(dòng)密封點(diǎn)每季度檢測一次，靜密封點(diǎn)每半年檢測一次。由于所涉及介質(zhì)是氣體和輕烴，考慮到濮陽是“2+26”城市之一，為了保護(hù)環(huán)境，將泄漏標(biāo)準(zhǔn)定義為2 000 μmol/mol。以下以輕烴深加工裝置為例對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，找到密封點(diǎn)泄漏的發(fā)生規(guī)律，便于指導(dǎo)泄漏修復(fù)和現(xiàn)場管理工作。

4.2 檢測結(jié)果

輕烴深加工裝置投產(chǎn)近20年，未進(jìn)行過LDAR檢測工作，只有在員工巡檢發(fā)現(xiàn)大泄漏時(shí)才對(duì)泄漏點(diǎn)及時(shí)處理，不能發(fā)現(xiàn)微泄漏，不能及時(shí)掌握密封點(diǎn)泄漏趨勢和規(guī)律。2019年，組織員工對(duì)裝置進(jìn)行了首輪檢測，檢測過程執(zhí)行相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所用儀器是美國LDARtools公司生產(chǎn)的Phx21型便捷式VOCs檢測儀。檢測結(jié)果見表1。

表1 輕烴深加工裝置LDAR檢測統(tǒng)計(jì)表

從表1可以看出，泄漏率最高的是閥門，泄漏率為3.48%，其次是開口管線，泄漏率是2.94%；泄漏點(diǎn)最少的是屏蔽泵，泄漏率為0。說明在設(shè)備巡檢過程中，還沒有對(duì)閥門和開口管線給予重視，只有發(fā)生較大泄漏時(shí)才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。密封點(diǎn)發(fā)生較大泄漏時(shí)，既污染了環(huán)境，也有較大的安全隱患。

5 排放估算

5.1 排放量核算標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國家環(huán)保部《石化行業(yè)污染源排查工作指南》相關(guān)規(guī)定，企業(yè)可根據(jù)自身LDAR開展工作，選擇核算方法。排放量核算結(jié)果的準(zhǔn)確度從高到低排序?yàn)椋簩?shí)測法、相關(guān)方程法、篩選范圍法、平均排放系數(shù)法。實(shí)測法是對(duì)于采用包袋法和大體積采樣法進(jìn)行實(shí)測的密封點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)測情況確定該密封點(diǎn)的排放速率，但工作量較大，人力和物力消耗較多，成本較高。對(duì)于開展LDAR的企業(yè)，常用的排放量核算法是相關(guān)方程法，具體見下面公式。

式中：eTOC密封點(diǎn)的TOC(總有機(jī)碳)排放速率，kg/h；SV修正后凈檢測值，μmol/mol；e0密封點(diǎn)i的默認(rèn)零值排放速率，kg/h；ep密封點(diǎn)i的限定排放速率，kg/h；ef密封點(diǎn)i的相關(guān)方程核算排放速率，kg/h。

相關(guān)方程式法規(guī)定了默認(rèn)零值排放速率、限定排放速率和相關(guān)方法。密封點(diǎn)凈檢測值為0時(shí)，密封點(diǎn)也會(huì)有極小泄漏量，即為零值排放速率；當(dāng)密封點(diǎn)的凈檢測值大于0且小于1時(shí)，把零值排放速率默認(rèn)為該密封點(diǎn)的排放速率，即默認(rèn)零值排放速率。當(dāng)凈檢測值≥50 000 μmol/mol，用限定排放速率作為該密封點(diǎn)的排放速率；凈檢測值在兩者之間，用相關(guān)方程計(jì)算該點(diǎn)的排放速率，相關(guān)計(jì)算見表2。由于油氣裝置的實(shí)際情況接近于石油煉制行業(yè)，表2中的相關(guān)數(shù)值采用了石油煉制的泄漏率。

表2 石油煉制設(shè)備組件的設(shè)備泄漏率a

注：a，美國環(huán)保署，1995b報(bào)告的數(shù)據(jù)。b，SV是檢測設(shè)備測得的凈檢測值(μmol/mol)。

5.2 排放量計(jì)算

根據(jù)LDAR檢測的實(shí)際數(shù)據(jù)，利用表2的默認(rèn)零值排放速率、限定排放速率及相關(guān)方程計(jì)算，得到物料的排放數(shù)據(jù)為7 086 kg/a。輕烴裝置全年的VOCs排放量不高，密封點(diǎn)泄漏量不大，說明企業(yè)整體安全環(huán)保水平處于較高水平。

6 泄漏修復(fù)

LDAR檢測發(fā)現(xiàn)泄漏后，要求首次維修不得遲于自發(fā)現(xiàn)泄漏之日起5日內(nèi)。首次維修未修復(fù)的泄漏點(diǎn)，應(yīng)在自發(fā)現(xiàn)泄漏之日起15日內(nèi)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性維修；若還無法進(jìn)行修復(fù)，且符合延遲修復(fù)條件，應(yīng)在下次停工檢修結(jié)束前完成修復(fù)。天然氣處理廠在完成LDAR檢測后，及時(shí)對(duì)泄漏密封點(diǎn)進(jìn)行了修復(fù)和復(fù)測，泄漏點(diǎn)的檢測值大大降低，大多數(shù)低于2 000 μmol/mol的泄漏標(biāo)準(zhǔn)，甚至泄漏達(dá)到了零值，即保持了環(huán)境，也消除了安全隱患，達(dá)到了安全和環(huán)保雙提升、雙促進(jìn)。

7 結(jié)論

LDAR技術(shù)在油氣裝置的成功應(yīng)用，降低了VOCs的排放，還能提前發(fā)現(xiàn)較大泄漏點(diǎn)，及時(shí)消除安全隱患。特別是在LDAR研究應(yīng)用過程中，采用了“區(qū)域化”密封點(diǎn)建檔和圖片標(biāo)示標(biāo)準(zhǔn)化模板，并借助自研的LDAR檢測軟件(包括PC端和檢測APP)，方便了檢測人員進(jìn)行密封點(diǎn)的現(xiàn)場定位工作，并實(shí)現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的無線傳輸，大大提高工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。