智能光譜氣體檢測技術(shù)賦能石化工業(yè)安全低碳高端發(fā)展

林 融

(中國石化工程建設(shè)有限公司,北京 100101)

0 引言

我國石化工業(yè)作為基礎(chǔ)能源和基礎(chǔ)原材料的流程制造業(yè),2022年全行業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product,GDP)為16.56萬億元(約占全國GDP的13.7%),已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一[1]。截至2023年2月中旬:我國煉油產(chǎn)能達(dá)9.2億噸/年(美國9億噸/年);乙烯產(chǎn)能達(dá)4 675萬噸/年(美國4 482萬噸/年);聚乙烯、聚丙烯、對二甲苯、精對苯二甲酸等20多種大宗石化產(chǎn)品產(chǎn)能均居世界前列。然而,與美、德、英、法、日等世界制造強(qiáng)國相比,我國石化工業(yè)還存在能耗與物耗偏高、資源與能源利用率偏低、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性過剩較為嚴(yán)重、高端制造水平亟待提高、安全環(huán)保水平亟待提升等問題,未來發(fā)展還面臨著更加嚴(yán)峻的資源、市場、環(huán)保、競爭等挑戰(zhàn)。這些問題和挑戰(zhàn)倒逼我國石化企業(yè)必須加快數(shù)字化和低碳化轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效,加快向集約化、園區(qū)化、高端化、智能化和綠色化等方向發(fā)展[2]。

目前,我國石化企業(yè)的安全生產(chǎn)隱患排查工作主要依靠人工巡檢和固定點式氣體檢測器。人工巡檢是依靠人的專業(yè)知識和經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的安全隱患。這容易受到主觀因素影響,且很難發(fā)現(xiàn)泄漏事故及危險狀態(tài),導(dǎo)致可靠性差。固定點式氣體檢測器在事故發(fā)生后才能發(fā)現(xiàn)泄漏源頭并采取安全措施,不能達(dá)到從源頭上防治事故的目的。

光譜法等智能化氣體檢測技術(shù)能夠?qū)τ慑e誤操作、工藝異常、儀表故障、設(shè)備故障等引起的早期氣體泄漏等異常工況進(jìn)行及時預(yù)測。特別是針對“兩重點一重大”的危險源,智能化氣體檢測技術(shù)能夠遠(yuǎn)程、大范圍、快速、精確地監(jiān)測出泄漏地點、濃度、范圍及變化趨勢,使操作工及時進(jìn)行挽救操作以將操作狀況拉回正常工況,從而減少事故發(fā)生的幾率。在國家“智能制造”戰(zhàn)略[3]和“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”行動計劃的指引下,隨著智能化技術(shù)應(yīng)用研究的不斷深入,安全生產(chǎn)管理逐漸從靜態(tài)分析向動態(tài)感知、事后應(yīng)急向事前預(yù)防、單點防控向全局聯(lián)防轉(zhuǎn)變。這也為提升安全、環(huán)保管理水平提供了有力的技術(shù)支撐。綜上所述,研發(fā)并推廣應(yīng)用光譜法等智能化氣體檢測技術(shù)迫在眉睫。

為滿足智能光譜氣體檢測技術(shù)在石化工業(yè)生產(chǎn)中對危險氣體泄漏進(jìn)行安全和環(huán)保監(jiān)測的強(qiáng)烈需求,本文首先系統(tǒng)地闡述了智能光譜氣體檢測技術(shù)的檢測原理、技術(shù)特點及適用范圍,并將其與傳統(tǒng)氣體檢測技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)性能、適用范圍、性價比等方面的對照;然后,分析了智能光譜氣體檢測技術(shù)在石油化工典型場景的應(yīng)用案例;最后,對我國智能光譜氣體檢測技術(shù)的發(fā)展思路提出了建設(shè)性的意見。研究表明,加速推進(jìn)智能光譜氣體檢測技術(shù)的研發(fā)及推廣應(yīng)用能夠有效賦能石化工業(yè)安全、低碳、高端發(fā)展。

1 石油化工安全生產(chǎn)形勢與監(jiān)管要求

1.1 石油化工安全發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

我國石油化工行業(yè)總體呈現(xiàn)以下特點。

①分布范圍廣。除西藏自治區(qū)以外,我國各省、市、自治區(qū)、特別行政區(qū)均建有化工園區(qū)(共380余個)。根據(jù)國務(wù)院安委[2016]7號文,國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)的20個門類中有15個、95個大類中有68個涉及石油化工危險化學(xué)品,分別占總量的75%、70.8%。

②企業(yè)數(shù)量多。截至2022年底,我國已登記的危險化學(xué)品生產(chǎn)企業(yè)達(dá)1.2萬余家、經(jīng)營企業(yè)達(dá)5.5萬余家、石油和化工規(guī)模以上企業(yè)多達(dá)3萬家。

③涉及環(huán)節(jié)多。涉及危險化學(xué)品的環(huán)節(jié)有6個,分別為生產(chǎn)、經(jīng)營、使用、運(yùn)輸、儲存和廢棄處置。應(yīng)急、公安、交通、環(huán)保等多部門負(fù)有安全環(huán)保監(jiān)管職責(zé)。另外,氫能、電化學(xué)儲能等新興能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展都對行業(yè)安全發(fā)展提出了新的命題和挑戰(zhàn)。

近年來,雖然我國石油化工行業(yè)安全生產(chǎn)形式持續(xù)、穩(wěn)定向好,事故總量、傷亡人數(shù)均呈持續(xù)下降態(tài)勢,但行業(yè)的高危性質(zhì)仍未改變。這主要體現(xiàn)在重大火災(zāi)爆炸事故仍時有發(fā)生,而系統(tǒng)性安全風(fēng)險還未得到有效治理。因此,防范化解重特大安全風(fēng)險的需求迫切,亟需借助智能化技術(shù)提升企業(yè)本質(zhì)安全運(yùn)行水平,從而助力行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

近10年國內(nèi)石油化工行業(yè)特大安全事故舉例如下。

①生產(chǎn)環(huán)節(jié)。2023年遼寧盤錦“1·15”事故發(fā)生在生產(chǎn)環(huán)節(jié),導(dǎo)致13人死亡。

②儲存環(huán)節(jié)。2015年天津港“8·12”事故發(fā)生在儲存環(huán)節(jié),導(dǎo)致165人死亡。

③運(yùn)輸環(huán)節(jié)。2013年山東青島“11·22”事故發(fā)生在運(yùn)輸環(huán)節(jié),導(dǎo)致62人死亡。

④廢棄環(huán)節(jié)。2019年江蘇響水“3·21”事故發(fā)生在廢棄環(huán)節(jié),導(dǎo)致78人死亡。

1.2 國家相關(guān)安全生產(chǎn)政策與監(jiān)管要求

近年來,國家相關(guān)部委密集出臺了安全生產(chǎn)政策與監(jiān)管要求。

①實時風(fēng)險監(jiān)控預(yù)警(目標(biāo))。

2020年2月,中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于全面加強(qiáng)危險化學(xué)品安全生產(chǎn)工作的意見》,要求實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)企業(yè)、重點場所、重大危險源、基礎(chǔ)設(shè)施的實時風(fēng)險監(jiān)控預(yù)警。

②快速感知/實時監(jiān)測/超前預(yù)警(能力)。

2020年10月,工信部、應(yīng)急管理部發(fā)布的《“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”行動計劃(2021—2023年)》(工信部聯(lián)信發(fā)[2020]157號)通知,要求?；髽I(yè)基本形成快速感知、實時監(jiān)測、超前預(yù)警、聯(lián)動處置、系統(tǒng)評估等新型能力體系建設(shè)。

③大范圍速掃監(jiān)測預(yù)警裝備(設(shè)備)。

2021年,工信部、應(yīng)急管理部發(fā)布的《“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+危化安全生產(chǎn)”試點建設(shè)方案》(應(yīng)急廳[2021]27號),支持化工園區(qū)企業(yè)加快部署大范圍速掃監(jiān)測預(yù)警裝備,實現(xiàn)園區(qū)危險氣體濃度場數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程、大范圍、快速監(jiān)測和傳輸。

④光譜成像氣體檢測系統(tǒng)(光譜設(shè)備)。

2022年,應(yīng)急管理部發(fā)布的《危險化學(xué)品企業(yè)安全風(fēng)險智能化管控平臺建設(shè)指南(試行)》(應(yīng)急廳[2022]5號)通知,鼓勵有條件的企業(yè)可以部署基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)技術(shù)與計算機(jī)斷層掃描(computer tomography,CT)算法的水平場分布測量系統(tǒng)和光譜成像氣體檢測系統(tǒng),以及由空基探測系統(tǒng)、地基探測系統(tǒng)所構(gòu)成的空地一體化危險氣體探測網(wǎng)。

2 光譜氣體泄漏檢測技術(shù)綜述

2.1 光譜法氣體泄漏檢測基本原理

朗伯-比爾定律是光譜法氣體泄漏檢測的基本原理。郎伯-比爾定律是:光的吸收強(qiáng)度(E)與被吸收物質(zhì)的濃度(C)和作用距離(L)的乘積成正比。這也是分光光度法的基本定律。C越高,則L越長,即E也越強(qiáng)。光譜法氣體泄漏檢測技術(shù)利用光譜吸收的指紋特征對氣體進(jìn)行探測。光譜法氣體探測器分為點式(常用光程不大于100 mm)、開路式(常用光程不大于100 m)和光譜掃描成像式(常用光程不大于3 000 m)。

光譜是電磁波譜(包括極低頻波、毫米/微波、太赫茲、紅外、可見光、紫外、X射線、γ射線等)中的一部分,通常包括紫外線(波長10～380 nm)、可見光(波長380～780 nm)、紅外線(按波長又可分為近紅外線780～2 526 nm、中紅外線2.5～25 μm、遠(yuǎn)紅外線25～1 000 μm)。激光光譜波長范圍為數(shù)百納米至上萬納米。

2.2 非色散紅外氣體檢測技術(shù)原理

非色散紅外(non-dispersive infrared,NDIR)吸收法的原理是基于物質(zhì)對紅外輻射的吸收特性,當(dāng)特定波長的紅外光照射到氣體時,氣體分子會吸收這些光線。這種吸收行為遵循朗伯-比爾定律。通過對紅外光強(qiáng)度的測量,可以計算出氣體的濃度。

紅外吸收式氣體傳感器的工作機(jī)制如下。紅外光源發(fā)射紅外光線。這些光線中的光子被氣室內(nèi)的氣體分子吸收。氣體分子對特定波長的紅外光有較強(qiáng)的吸收能力,導(dǎo)致光的能量減少。傳統(tǒng)紅外光源波長為(3.3±0.3)μm,屬于中紅外波段。紅外線傳感器主要由紅外光源、光路氣室、紅外探測器這3個部分組成。通過測量經(jīng)氣體分子吸收后的光強(qiáng)變化量δ,可以實現(xiàn)對C的測量[4]。

2.3 激光氣體檢測技術(shù)原理

TDLAS技術(shù)遵循朗伯-比爾定律,采用高分辨率的近紅外波段光譜。激光光源波長為(1 654±0.3)nm。利用氣體分子的紅外光譜吸收的“指紋”特征,可以形成具有識別度的特征峰波形信號,從而檢測被測氣體的濃度[5]。

2.4 光致電離氣體檢測技術(shù)原理

光致電離檢測(photoionization detection,PID)傳感器由紫外燈和離子室構(gòu)成。 紫外燈利用惰性氣體真空放電產(chǎn)生紫外線。特定波長紫外線透過窗口射入離子室。離子室由正負(fù)電極形成電場。氣體分子在高能紫外線激發(fā)下產(chǎn)生的負(fù)電子和正離子聚集在離子室的電極間形成電流,經(jīng)放大和處理后輸出電流信號,從而實現(xiàn)氣體濃度檢測。

2.5 光譜與傳統(tǒng)氣體泄漏檢測技術(shù)經(jīng)濟(jì)性綜合對比

可燃?xì)怏w探測器包括激光線型探測器、紅外線型探測器和催化燃燒型探測器。

3種可燃?xì)怏w探測器技術(shù)經(jīng)濟(jì)性綜合對比如表1所示。

表1 3種可燃?xì)怏w探測器技術(shù)經(jīng)濟(jì)性綜合對比

有毒氣體探測器根據(jù)檢測原理分為金屬氧化物半導(dǎo)體(metal oxide semiconductor,MOS)、電化學(xué)(electro chemical,EC)、紅外線(infrared,IR)、激光和PID這5種。

5種有毒氣體探測器技術(shù)經(jīng)濟(jì)性綜合對比如表2所示。

3 國內(nèi)外智能光譜氣體檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國外智能光譜氣體檢測技術(shù)發(fā)展簡述

美國Providence Photonics公司將烴類氣體泄漏檢測技術(shù)的發(fā)展劃分為3個階段。

第一階段為傳統(tǒng)識別。該階段采用固定點式或?qū)ι涫綑z測器進(jìn)行泄漏檢測報警、采用便攜式檢測器進(jìn)行巡檢或補(bǔ)充判斷。

第二階段為智能識別。該階段采用遠(yuǎn)程遙測式紅外熱成像攝像機(jī)、光譜吸收成像攝像機(jī)等實現(xiàn)自動泄漏檢測報警。

第三階段為人工智能(artificial intelligence,AI)識別。該階段采用紅外熱成像攝像機(jī)、光譜吸收成像攝像機(jī)等遙測設(shè)備與計算機(jī)機(jī)器視覺,結(jié)合AI算法,實現(xiàn)全自動、全天候智能泄漏檢測報警。

目前,美國、歐洲、日本、中東等的多數(shù)先進(jìn)煉化企業(yè)已進(jìn)入第二階段,部分先進(jìn)煉化企業(yè)已進(jìn)入第三階段。

國際上以美國霍尼韋爾(銳百凌Rebellion)、美國梅思安(MSA)、西班牙森西亞、德國布魯克等公司為代表的企業(yè),已推出成熟的智能型光譜視頻成像氣體檢測技術(shù)與產(chǎn)品。

3.2 國內(nèi)智能光譜氣體檢測技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

(1)概述。

自2005年以來,在國家、部委法規(guī)與政策的推動下,在國家安全監(jiān)管部門、各大石油石化企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)高度重視下,中國科學(xué)院、清華大學(xué)、南京大學(xué)、中國科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)等科研院所、高校深度參與高科技企業(yè)的產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)。國內(nèi)部分智能光譜泄漏檢測技術(shù)企業(yè)已成功自主研發(fā)新型產(chǎn)品與系統(tǒng),并在試點項目獲得局部成功應(yīng)用。這些法規(guī)、政策包括但不限于:我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》中的第58項優(yōu)先主題為“重大生產(chǎn)事故預(yù)警與救援”;工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部等聯(lián)合印發(fā)的“工信部聯(lián)信2011—160號”《關(guān)于加快推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合的若干意見》中的第2項“實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測、故障診斷、質(zhì)量控制和調(diào)度提升”、第4項“圍繞監(jiān)測報警、災(zāi)害預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)和處置等方面,深化信息技術(shù)的集成應(yīng)用,建立安全生產(chǎn)新模式”等。目前,我國部分先進(jìn)煉化企業(yè)已進(jìn)入第二階段,少數(shù)先進(jìn)煉化企業(yè)已進(jìn)入第三階段。

以下簡述紅外熱成像儀、多頻紅外氣體檢測成像儀、傅里葉變換紅外(Fourier transform infrared,FTIR)光譜氣體檢測儀、差分吸收激光雷達(dá)氣體檢測成像儀、智能巡檢機(jī)器人[6]的發(fā)展現(xiàn)狀。

(2)紅外熱成像儀。

紅外熱成像儀的原理是基于不同物質(zhì)的紅外熱輻射特性實現(xiàn)氣體探測。紅外熱成像儀主要用于泄漏檢測和溫度檢測,可以實時給出氣體的動態(tài)分布和云團(tuán)形狀[7]。

紅外熱成像儀的優(yōu)點如下。

①實時監(jiān)測泄漏氣體的云團(tuán)形狀及動態(tài)走勢。

②實時監(jiān)測設(shè)備、管道的溫度分布。

③在氣體泄漏和溫度夜間監(jiān)測方面應(yīng)用效果較好。

紅外熱成像儀的缺陷如下。

①不能定性識別氣體種類。

②不能定量給出氣體的濃度數(shù)值。

③光譜波段窄,檢測種類少。

(3)多頻紅外氣體檢測成像儀。

通過濾光片可以獲取不同氣體的紅外光譜(離散光譜)。多頻紅外氣體檢測成像儀的原理是基于不同物質(zhì)在不同紅外波段的紅外輻射特性不一致的特性[8],利用濾光片來獲取特定氣體在特定紅外波段的紅外輻射特性。1種濾光片對應(yīng)1種或者若干種氣體。

多頻紅外氣體檢測成像儀的優(yōu)點如下。

①利用主動光源被氣體吸收的特性進(jìn)行檢測,原理簡單。

②精度高、響應(yīng)快、不依賴O2、抗中毒、壽命長。

③監(jiān)測范圍大、現(xiàn)場維護(hù)校驗較容易。

多頻紅外氣體檢測成像儀的缺陷如下。

①光譜窄,覆蓋烴類氣體較少。

②易受水汽、結(jié)霜、結(jié)冰、臟污、粉塵、光照等環(huán)境干擾而產(chǎn)生誤報。

③單臺多頻紅外氣體檢測成像儀無法同時檢測多種氣體。如需同時檢測多種氣體,則必須預(yù)知氣體種類以更換相應(yīng)的濾光片;否則,無法檢測。

(4)FTIR光譜氣體檢測儀。

FTIR光譜氣體檢測儀(又稱“高光譜紅外氣體檢測儀”[9])分為主動型和被動型。目前,被動型FTIR光譜氣體檢測儀得到主要應(yīng)用。

被動型FTIR光譜氣體檢測儀利用空間中的紅外輻射,通過干涉儀和光譜儀分辨不同波長光譜,無需反射鏡[10]。

被動型FTIR光譜氣體檢測儀的優(yōu)點如下。

①遠(yuǎn)程、非接觸、大范圍(公里級、三維)實時動態(tài)掃描,光譜成像,晝夜自動監(jiān)測。

②識別報警快,能顯示分布和擴(kuò)散、溯源定位。

③可同時對多種、多組分氣體種類及濃度進(jìn)行識別和監(jiān)測。

④適用于環(huán)保排放監(jiān)測或泄漏量、泄漏范圍較大情況下的監(jiān)測。

被動型FTIR光譜氣體檢測儀的缺陷如下。

①需要大量計算來區(qū)分多種、多組分的不同氣體。組分越多,處理時間越長。部分氣體有交叉干擾。

②探測器使用制冷型可獲得較高靈敏度,但成本較高;非制冷型靈敏度較低。

③算法復(fù)雜、投資高,且使用及維護(hù)成本較高。

(5)差分吸收激光雷達(dá)氣體檢測成像儀。

差分吸收激光雷達(dá)氣體檢測成像儀以TDLAS技術(shù)為檢測手段。該技術(shù)使用1 654 nm波長的激光檢測甲烷分子時會產(chǎn)生吸收效應(yīng),對其他氣體則不會產(chǎn)生吸收效應(yīng)[11]。吸收效應(yīng)會使檢測的激光發(fā)生衰減。衰減程度和氣體分子數(shù)量成反比。氣體分子數(shù)量越多,則激光被吸收得越多。只要準(zhǔn)確測量激光被吸收的情況,就可以準(zhǔn)確檢測出氣體的濃度。

差分吸收激光雷達(dá)氣體檢測成像儀的優(yōu)點如下。

①大范圍(可達(dá)公里級)的主動遙測、高靈敏度預(yù)警。

②激光波長準(zhǔn)確,能克服不同氣體之間的光譜交叉干擾;具有檢測速度快、準(zhǔn)確性高的特點;適用于對裝置級場景的微泄漏安全監(jiān)測。

③可實現(xiàn)無源檢測,本質(zhì)安全,無需頻繁標(biāo)定;半導(dǎo)體激光光源使用壽命長。

差分吸收激光雷達(dá)氣體檢測成像儀的缺陷如下。

①光譜窄,覆蓋烴類氣體較少。

②部分激光芯片依賴進(jìn)口、成本高。

③結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)維修難度大。

(6)智能巡檢機(jī)器人。

隨著AI技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的深度融合,智能巡檢機(jī)器人已替代傳統(tǒng)機(jī)器人滲透到多個領(lǐng)域(如汽車制造、物流分揀、采油采礦、電力巡檢等),以替代人工完成相關(guān)工作[12]。《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃2016—2020 年》和《“機(jī)器人+”應(yīng)用行動實施方案》的提出,推進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人在危險程度高的化工等行業(yè)的廣泛應(yīng)用。因此,對存在高危作業(yè)場所的石油化工企業(yè)而言,應(yīng)抓住契機(jī)深入研究智能巡檢機(jī)器人替代人工巡檢,以減少危險作業(yè)場所人工巡檢操作頻次、提高工作效率,并且降低造成人員傷亡事故的風(fēng)險。

石油化工智能巡檢機(jī)器人技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 石油化工智能巡檢機(jī)器人技術(shù)架構(gòu)

4 智能光譜氣體檢測關(guān)鍵技術(shù)研究與進(jìn)展

4.1 智能感知傳感層的關(guān)鍵技術(shù)

智能感知傳感層的關(guān)鍵技術(shù)包括多頻紅外氣體檢測成像儀關(guān)鍵技術(shù)、FTIR氣體檢測成像儀關(guān)鍵技術(shù)、TDLAS氣體檢測成像儀關(guān)鍵技術(shù)、微傳感&微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)氣體泄漏檢測儀關(guān)鍵技術(shù)和智能巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)等。

①多頻紅外氣體檢測成像儀關(guān)鍵技術(shù)。

多頻紅外氣體檢測成像儀關(guān)鍵技術(shù)是利用可燃、有毒氣體的吸收光譜特性,選定中到中遠(yuǎn)紅外光譜波段(3.0～14.0 μm),并通過面式圖像型傳感器探測氣體對光線輻射的吸收,以實現(xiàn)對氣體的可視化成像。研發(fā)基于AI算法的圖像識別技術(shù),并有效分析、提取氣體的時空譜特征,可以實現(xiàn)泄漏自動報警。國內(nèi)企業(yè)目前具備探測器模組、相機(jī)硬件、AI算法、軟件全鏈條研發(fā)能力。同時,多頻紅外氣體檢測成像儀可兼顧現(xiàn)場溫度異常、煙霧、火災(zāi)、人員異常等事件的監(jiān)測預(yù)警。

②FTIR氣體檢測成像儀關(guān)鍵技術(shù)。

FTIR氣體檢測成像儀關(guān)鍵技術(shù)基于不同氣體分子的中遠(yuǎn)紅外光譜波段(7～14 μm)選擇吸收特性,鑒別泄漏物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、泄漏量。該技術(shù)具有分析速度快、靈敏性高、監(jiān)測面積大、穩(wěn)定度高等優(yōu)點,能夠快速掌握氣體擴(kuò)散趨勢、實時確定泄漏源位置。我國通過自主研究,構(gòu)建了中國大氣背景紅外輻射特征模型。該模型在國內(nèi)大氣環(huán)境下,可更有效地消除大氣背景的干擾?；贔TIR技術(shù)的產(chǎn)品實現(xiàn)了“動中測”功能。該產(chǎn)品既可以搭載于車輛等移動平臺,又可以對移動目標(biāo)進(jìn)行檢測。

③TDLAS氣體檢測成像儀關(guān)鍵技術(shù)。

TDLAS氣體檢測成像儀基于近紅外光譜波段(1 654 nm)高效、高耐候性的空間光耦合模塊和針對遠(yuǎn)距離遙測的平行光發(fā)射系統(tǒng)與漫反射、全反射高效光信號接收系統(tǒng),以獲得更高質(zhì)量的攜帶光譜信息的激光信號。在光譜信號處理方面,通過自研的大范圍光信號平衡、光譜匹配濾波、微弱信號提取、快速濃度反演算法等技術(shù)剔除光譜信號中的干擾及噪聲,可以得到更加真實、穩(wěn)定的吸收光譜,從而保證檢測結(jié)果的靈敏度和準(zhǔn)確性。

④微傳感&MEMS氣體泄漏檢測儀關(guān)鍵技術(shù)。

微傳感&MEMS氣體泄漏檢測儀利用二氧化錫、二氧化鈦、氧化鋅等MOS氣體敏感特性,通過電導(dǎo)率、電阻率變化情況監(jiān)測識別泄漏氣體成分、濃度,具有尺寸小、功耗低、靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)快、測量范圍大等特點。

⑤智能巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)。

智能巡檢機(jī)器人集可見光、紅外、激光雷達(dá)等多種攝像頭于一體;集溫度、壓力、可燃和有毒氣體泄漏、振動、噪聲等多種傳感器于一身;具備“視覺、聽覺、嗅覺、觸覺”的智能檢測與傳感功能[13]。智能巡檢機(jī)器人能夠?qū)崟r對現(xiàn)場工藝設(shè)備、機(jī)泵、管道、儀表及控制閥的異常工況進(jìn)行報警,并及時將圖像及信號發(fā)送至石化工廠的中心控制室和消防/安全監(jiān)控中心。

4.2 數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用平臺層的關(guān)鍵技術(shù)

①數(shù)據(jù)共享與追溯關(guān)鍵技術(shù)。

數(shù)據(jù)共享與追溯關(guān)鍵技術(shù)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)一致性存儲、難以篡改、防止抵賴等特性,可在危險化學(xué)品全生命周期管控中構(gòu)建集生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸、使用、廢棄等環(huán)節(jié)于一體的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同網(wǎng)絡(luò),以實現(xiàn)對參與方的信息高透明度、高協(xié)同度。

②海量數(shù)據(jù)高效傳輸關(guān)鍵技術(shù)。

海量數(shù)據(jù)高效傳輸關(guān)鍵技術(shù)利用邊緣計算、視頻智能分析等先進(jìn)技術(shù),實現(xiàn)工藝、設(shè)備、泄漏、作業(yè)、視頻等多結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的并行處理和高效傳輸,從而解決傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)中短時間內(nèi)海量實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)擠壓問題。

5 石油化工典型場景應(yīng)用案例研究

5.1 典型應(yīng)用場景分析

智能光譜氣體泄漏檢測技術(shù)能夠有效應(yīng)用于以下場景:①油田、氣田及長輸管線;②液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)接收站和天然氣凈化廠;③煉油裝置與油品罐區(qū);④乙烯等化工裝置及液態(tài)烴球罐區(qū)。

4個典型應(yīng)用場景中,對于可燃和有毒氣體的泄漏進(jìn)行動態(tài)實時地檢測及報警,能夠有效地預(yù)防或減少火災(zāi)、爆炸、人身中毒、環(huán)境污染等重大危險事故的發(fā)生,從而保護(hù)企業(yè)、社會、生命、財產(chǎn)及環(huán)境安全。

5.2 油田、氣田及長輸管線

長輸管線的在線監(jiān)測是難以實現(xiàn)的。經(jīng)過國內(nèi)企業(yè)的長期研發(fā),通過在長輸管線高后果區(qū)使用無源光纖系統(tǒng),并將光纖與管道一同地埋的光感終端及監(jiān)控中心系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行連接,即可實現(xiàn)現(xiàn)場無供電的長期工作。這實現(xiàn)了對氣體濃度多點、實時、不間斷的遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)覆蓋地上、地下的三維立體空間,并對地埋管道和絕緣接頭進(jìn)行 24 h在線實時監(jiān)測,從而實現(xiàn)了長輸管線在線監(jiān)測。

5.3 LNG接收站和天然氣凈化廠

由于LNG接收站具有輸送氣體單一、天然氣凈化廠具有H2S含量高而要求泄漏點快速檢測報警等特點,過多的固定點式探測器反而容易產(chǎn)生操檢人員誤操作導(dǎo)致誤報警,無法達(dá)到檢測報警的效果。激光、紅外等光譜探測器具有無需操作、無需定期標(biāo)定、指紋性檢測、泄漏識別迅速、抗天氣干擾能力強(qiáng)等特點,可有效降低誤報警的發(fā)生概率[14]。由于具有1 km探測距離的能力,智能光譜氣體檢測成像儀可以大范圍主動探測,降低了探測器使用的數(shù)量。

5.4 煉油裝置與油品罐區(qū)

根據(jù)GB/T 50493—2019 4.1.5[15],當(dāng)生產(chǎn)設(shè)施及儲運(yùn)設(shè)施區(qū)域內(nèi)泄漏的可燃?xì)怏w和有毒氣體可能對周邊環(huán)境安全有影響而需要監(jiān)測時,應(yīng)沿生產(chǎn)設(shè)施及儲運(yùn)設(shè)施區(qū)域周邊設(shè)置線型氣體探測器[16]。線型激光、紅外等光譜探測器可有效實現(xiàn)邊界防護(hù)這一理念。主要煉油裝置和油品罐區(qū)都需要進(jìn)行H2S泄漏檢測。1 000萬噸煉油能力總共需要400多個固定點位式探測器。利用光譜探測器的大范圍、高精度、高靈敏度、短響應(yīng)時間等特性,不但可以快速發(fā)現(xiàn)H2S微量泄漏、有效降低操檢人員H2S中毒現(xiàn)象發(fā)生的概率,而且通過降低探測器使用數(shù)量可以大幅減少常規(guī)點位探測器的后期維護(hù)費用,同時可對H2S輸送管線進(jìn)行有效監(jiān)測。

5.5 乙烯等化工裝置及液態(tài)烴球罐區(qū)

乙烯等化工裝置及液態(tài)烴球罐區(qū)對乙烯、丙烯、乙烷、丙烷、液化石油氣等液態(tài)烴泄漏監(jiān)測的要求極高。乙烯裂解裝置具有集成度高、內(nèi)部管線布置復(fù)雜的特點。因此,使用傳統(tǒng)點位式探測器對關(guān)鍵泄漏點進(jìn)行全面監(jiān)控是設(shè)計難題。激光、IR等光譜探測器不但可以長距離、24 h不間斷地精確探測微量泄漏,而且掃描式設(shè)備可以針對裂解裝置和乙烯儲罐區(qū)等重點監(jiān)控點位進(jìn)行大范圍、全方位、立體的在線監(jiān)測掃描檢測。

6 智能光譜氣體檢測技術(shù)應(yīng)用瓶頸與發(fā)展建議

6.1 應(yīng)用瓶頸與挑戰(zhàn)

經(jīng)過研究、總結(jié)與分析,我國智能泄漏檢測技術(shù)應(yīng)用發(fā)展面臨的主要瓶頸與挑戰(zhàn)有以下5個方面。

①光譜泄漏檢測技術(shù)的部分核心元器件、關(guān)鍵芯片(例如核心激光器、斯特林制冷機(jī)芯、激光/紅外成像芯片等)需要進(jìn)口且價格昂貴,因而亟需進(jìn)行國產(chǎn)化替代攻關(guān)。

②光譜智能檢測技術(shù)所采用的AI、機(jī)器學(xué)習(xí)(machine learning,ML)等開發(fā)軟件需要使用國外軟件,光譜算法與數(shù)據(jù)庫需要技術(shù)攻關(guān)與迭代。 例如很大一部分的軟件工具可以在開源平臺上獲取。而這類軟件平臺絕大多數(shù)是境外公司提供支持。電子設(shè)計自動化(electronic design automation,EDA)設(shè)計軟件方面也往往需要使用國外軟件。

③由于受光譜吸收檢測原理的局限,光譜遙測等智能泄漏檢測技術(shù)存在的主要問題是1臺設(shè)備只能檢測1種或個別種氣體。在檢測多種混合氣體的環(huán)境時,需要安裝多臺設(shè)備。這會造成投資過高。這個問題正在通過研發(fā)解決。

④由于石化現(xiàn)場氣體泄漏場景的復(fù)雜性及無規(guī)律性,光譜遙測等智能檢測儀布點難度大,需要依托實際工程項目技術(shù)攻關(guān)。

⑤由于在石化典型場景所應(yīng)用的智能泄漏檢測技術(shù)復(fù)雜、設(shè)備費用昂貴,需要石化企業(yè)提供資金方面的相關(guān)支持。

6.2 應(yīng)用發(fā)展建議

(1)在監(jiān)測形式上,從被動式檢測改變?yōu)橹鲃邮街悄茴A(yù)警工作方式。

泄漏都是以氣團(tuán)形式出現(xiàn)的。光譜吸收檢測技術(shù)是檢測整個氣團(tuán)的濃度。點式被動檢測只能檢測擴(kuò)散到檢測傳感器所在位置的很少一點氣體。而光譜吸收檢測技術(shù)對于感知泄漏氣團(tuán)具有更高靈敏度,并且可結(jié)合后臺的AI算法在早期發(fā)現(xiàn)更小的泄漏,從而實現(xiàn)智能預(yù)警。

(2)普通智能泄漏檢測技術(shù)向AI算法及多種氣體檢測方向發(fā)展。

①通過對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、光譜信號處理AI算法的研究,可以進(jìn)一步提高設(shè)備的檢測能力。

②對不同氣體的光譜特性進(jìn)行研究,從而實現(xiàn)更多種類氣體的檢測。

③研究單臺設(shè)備多氣體檢測。檢測波長將從波長較短的近紅外線向波長較長的中紅外線發(fā)展,以得到更高的檢測靈敏度和應(yīng)用范圍,并兼顧監(jiān)測溫度異常、煙霧、火災(zāi)、人員異常等危險工況。

(3)泄漏檢測向高科技、高靈敏度和大范圍方向發(fā)展。

氣體泄漏檢測技術(shù)向智能光譜檢測技術(shù)、新型聲學(xué)檢測技術(shù)及新型氣敏材料等高科技方向發(fā)展,以實現(xiàn)多維度監(jiān)測技術(shù)結(jié)合(視覺、聲學(xué)、嗅覺等)的無人化智能泄漏監(jiān)測。此外,多維度傳感融合也是未來傳感技術(shù)的發(fā)展方向。多維度融合包括但不限于NDIR、FTIR、TDLAS、拉曼光譜、MEMS聲學(xué)檢測、相控陣聲學(xué)檢測、仿生電子鼻等。

(4)泄漏檢測技術(shù)向系列化高性價比產(chǎn)品方向發(fā)展。

①根據(jù)石化工業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)控需求、監(jiān)測氣體類型,形成低、中、高系列化高性價比產(chǎn)品,以降低設(shè)備成本、提升監(jiān)測性能。

②光譜檢測技術(shù)對危險氣體的遙測實現(xiàn)近、中、遠(yuǎn)距離的檢測。

③大范圍氣體泄漏遙測設(shè)備與在線式氣體泄漏監(jiān)測設(shè)備相結(jié)合,可以有效彌補(bǔ)在線式設(shè)備無法全方位覆蓋的短板,形成點、線、面相結(jié)合的全方位立體防護(hù)機(jī)制。

7 結(jié)論

經(jīng)過對智能光譜氣體檢測技術(shù)的需求調(diào)研、技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)及試點應(yīng)用,智能光譜氣體檢測產(chǎn)品已在典型石化生產(chǎn)場景獲得了上千套的成功應(yīng)用,并取得了良好的效果。具體成果體現(xiàn)在以下2個方面。

①在智能感知層,運(yùn)用智能光譜檢測技術(shù),彌補(bǔ)了現(xiàn)有泄漏探測手段(點型傳感器輔助人工巡檢)存在的受環(huán)境影響大、報警滯后、信息孤島化、報警數(shù)據(jù)單一等不足。

②在應(yīng)用平臺層,采用IoT技術(shù)實現(xiàn)多種泄漏監(jiān)測數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、采用AI分析技術(shù)深入挖掘數(shù)據(jù)價值[17],從而形成了點-線-面融合的泄漏智能監(jiān)測報警機(jī)制。這為“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”要求的快速感知、實時監(jiān)測、超前預(yù)警、聯(lián)動處置、系統(tǒng)評估這5項新型能力建設(shè)提供了高效支撐。

綜上所述,基于智能光譜氣體檢測技術(shù)研發(fā)的氣體檢測器、成像儀、無人巡檢機(jī)器人等產(chǎn)品及系統(tǒng),是符合“智能感知+數(shù)字基座+應(yīng)用平臺”的智能制造先進(jìn)架構(gòu),是構(gòu)建面向石化工業(yè)“工廠、企業(yè)、園區(qū)”的智慧安全工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決方案的關(guān)鍵技術(shù),是賦能石化工業(yè)安全、低碳、高端發(fā)展的核心利器。