傅里叶红外遥感监测技术在石化企业泄漏监测的应用.pdf

?、?安全技术2023 年第 23 卷第 4 期编辑 赵梦竹DOI:10.3969/j.issn.1672-7932.2023.04.006SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT38 傅里叶红外遥感监测技术在石化企业泄漏监测的应用王明章(中国石化青岛石油化工有限责任公司,山东青岛 266104)收稿日期:2023-02-20作者简介:王明章,高级工程师,1998 年毕业于青岛化工学院有机化工专业,现从事生产经营、安全环保等管理工作。摘 要:针对传统气体泄漏检测方式存在的不足,通过采取基于傅里叶红外遥感监测技术的气体泄漏监测设备,与现有手段共同构成了立体化的气体泄漏监测网。监测数据表明,傅里叶红外遥感监测技术可以快速、准确地监测到泄漏气体的种类、浓度和扩散趋势,为石化企业泄漏监测提供了有力的技术保障。关键词:石化企业;气体泄漏;实时监测;傅里叶变换;红外光谱中图分类号:TH744.1 文献标识码:A文章编号:1672-7932(2023)04-038-051 气体泄漏检测的重要性及现状1.1 国内外典型泄漏事故案例a)1984 年 11 月 19 日,墨西哥国家石油公司在圣胡安尼科的储油设施发生气体泄漏引发爆炸,整个工厂被摧毁,同时对附近村镇造成了巨大影响。事故造成 542 人死亡,7 000 多人受伤,35104人无家可归,受灾面积达 27104m3。b)2003 年 12 月 23 日,在重庆市开县发生特大井喷事故,富含硫化氢的天然气猛烈喷射 30 多米高,失控的有毒气体随空气迅速向四周弥漫,导致距离气井较近的重庆市开县 4 个乡镇 60 000 多灾民需要紧急疏散转移。事故共造成 243 人硫化氢中毒死亡、2 142 人硫化氢中毒住院治疗、65 000人被紧急疏散安置。c)2018 年 11 月 28 日,某公司氯乙烯气柜发生泄漏,泄漏的氯乙烯穿越厂区围墙扩散到外部公路上,遇明火发生爆燃,导致停放在公路两侧等候卸货的车辆司机等 24 人死亡(其中 1 人后期医治无效死亡)、22 人受伤。d)2023 年 1 月 15 日,某公司烷基化装置在维修过程中发生物料泄漏,连续 4 次实施带压堵漏未能成功,大量物料喷出引发着火爆炸,造成 13人死亡、35 人受伤。1.2 气体检测现状概述目前石化企业开展泄漏监测的主要手段包括固定式可燃气体报警仪、基层班组日常巡检以及定期开展的泄漏检测与修复(LDAR)等几种传统方式。但这些方式或多或少存在一些缺陷,导致泄漏往往不能在第一时间被发现,给安全生产带来潜在威胁。如固定式可燃有毒气体报警仪因位置固定而无法对远离报警仪的泄漏或塔、罐等高点泄漏进行有效监测1;人员巡检因时间、频次问题无法对潜在泄漏点开展全天候监测2;LDAR 检测因检测点位分散、检测费时费力等原因只能阶段性或定期开展,一般作为泄漏监测的补充手段使用。傅里叶红外遥感监测技术是典型的开路光谱气体遥测技术,采用该技术的探测器主要工作波段与石化企业重点关注的烷烃、烯烃、芳香烃等有机物及氨气等无机物的红外吸收光波段高度重合。因此,其可以快速、准确地对穿过探测光路的2023 年第 23 卷第 4 期安全技术 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT39 挥发性有机物进行识别和测量,且监测响应时间较短(通常为数秒),大幅提高了气体监测的空间和时间覆盖效率。相比于传统的固定式检测方式,开路光谱遥测技术由于具备范围广、距离远、非接触、空间和时间覆盖效率高、无需预采样、快速定位泄漏源和动态直观等优点,已逐渐成为石化企业气体泄漏检测的有效手段之一。厂界是石化企业气体泄漏监控的重点,图 1是包括开放光路、固定点和社区点等传感器在内的石化企业厂界气体泄漏监测系统。系统依据多个光路采集数据进行遥感监测,每一个光路可有数百米长,通过围栏式监测系统,同时结合多个光路中间设置的固定式气体传感器,共同对泄漏的气体云团开展在线监测3。图 1 石化企业厂界气体泄漏监测系统1.3 快速、准确检测泄漏的重要性石油炼制工艺流程复杂、环节众多,泄漏风险始终贯穿于整个生产过程中,如机泵、压缩机、阀门、法兰等均是物料的主要泄漏点。物料发生泄漏后会带来一定的安全风险,一旦处置不当将极有可能引发生产安全事故4。因此,如果泄漏可以被及时发现、及时处置,将会有效降低事故发生的可能性。2 傅里叶红外遥感监测原理傅里叶变换红外检测仪采用红外光谱特征识别原理,背景(天空、森林、城市、围墙等)发出的红外辐射被接收望远镜收集,进入干涉仪,由干涉仪动镜扫描形成光程差产生干涉,经探测器进行光电转换后,由 A/D 转换器将电信号转换成数字信号,然后经傅里叶变换(FFT 变换)得到由等效辐射亮温差产生的红外光谱信号。傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪内部工作原理如图 2 所示。图 2 FTIR 光谱仪内部工作原理 当泄漏的气体形成云团并进入检测仪视场后,由于气体云团的吸收和发射特性使其光谱图发生改变。通过对现场的光谱图进行识别,就可以实现对多种泄漏气体进行快速、高灵敏度的定性识别和半定量浓度反演。傅里叶红外遥测检测仪工作方式如图 3 所示。图 3 傅里叶红外遥测检测仪工作方式 傅里叶红外遥感监测是开路气体遥测中用途最广泛的技术,它可以同时测量空气中多种化学物质,不仅能对空气中的待测气体进行远距离的定性和定量分析,还可以通过成像技术来精确溯源,并且可分析气体扩散趋势,为下一步应急处置工作提供重要的技术支持。同时,因其无需任何样品制备的特点,还杜绝了传感器污染的发生,使仪器的操作和维护变得简单。在实时监测过程中,设备还可以通过旋转云台的固定轨迹扫描准确判定气体云团的形状和尺寸,将检测气体云团的空间分布信息叠加在可视或红外图像,使检测结果更加直观。当采用 2 台设备进行联合测试时,借助 GPS 系统还可以获得气体云团的具体位置信息5。3 傅里叶红外遥感检测仪测试和应用3.1 外场测试氨气是一种无色、有强烈刺激气味的气体。王明章.傅里叶红外遥感监测技术在石化企业泄漏监测的应用?、?安全技术2023 年第 23 卷第 4 期 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT40 由于其在红外波段的光谱吸收峰较强,在遥感领域经常作为示踪气体用来模拟污染气体的排放。本次外场测试以氨气作为试验气体,模拟傅里叶红外遥感检测仪在外场对泄漏气体进行识别和测量。试验一:场地选择在宽阔的马路上,以路旁大树为背景,将检测仪架设在距离大树 500 m 处,测试气温25.7,相对湿度57.8%,风速1 m/s,浓度为 100%的氨气测试气球放置于检测仪上风处,距离大树 10 m。具体步骤如下:将光谱分辨率设置为 1 cm-1,孔径光阑最大,扫描频率设置为200 Hz,光谱平均次数选择 32,调整设备对准道路旁的大树,测量背景光谱;戳破氨气测试气球,2 s后界面上显示氨气,并观察到明显的吸收峰。测试软件界面和采集的红外吸收光谱如图 4 所示。3 s 后恢复背景光谱,氨气检测结果消失。通过云台将设备水平移动扫描也未检测到氨气。图 4 红外吸收光谱 试验二:场地选择在某工业园区,以天空为背景,将检测仪架设在距离排放烟囱 1 000 m 处,检测烟囱排放的废气。废气主要成分有甲基丙烯酸甲酯、乙酸乙酯、乙酰乙酸乙酯、醛类、氨、三甲胺等多 种 物 质。测 试 气 温 30.7,相 对 湿 度59.8%,风速2 m/s。具体步骤如下:参数设置与试验一保持一致,调整设备对准道烟囱方向左偏 15的天空,测量背景光谱;通过云台将光路移动到烟囱排放口上方,5 s 后软件界面上显示氨气,并观察到较为明显的吸收峰。现场测试场景和采集的红外吸收光谱分别如图 5、图 6 所示。通过云台将设备水平移动小角度 3后未检测到氨气。试验三:为测试傅里叶红外遥感检测仪对气体泄漏后的扩散趋势识别,该试验用六氟化硫替代氨气,并选取野外丘陵为测试场地,以天空和山体灌木为背景,将设备架设在距离六氟化硫释放气瓶 780 m 处,测试过程云台位置保持不变。5,15,25,35 s 的扩散趋势如图 7 所示。图 5 现场测试场景图 6 红外吸收光谱 试验一、二、三中,气体释放 5 s 内均能被有效检测识别;试验二中,当视场中心对准烟囱时可检测到氨气,移开 3后则无法检测到氨气,证明设备对泄漏发生位置的辨别较为准确;试验一、二、三的测试结果表明,3 项试验均准确检测到了测试所用的样气,未发生误报情况。综上所述,傅里叶红外遥感检测仪在泄漏位置、泄漏气体种类识别、快速识别及扩散趋势判断方面取得了较好的测试效果。3.2 企业现场应用某石化企业拥有常减压、催化裂化、渣油加氢、烷基化、乙烯、芳烃抽提等多套炼油化工生产装置及完善的辅助生产系统。2022 年 6 月,在厂区高塔安装了傅里叶红外遥感检测仪,如图 8 所示。检测仪利用可旋转云台实现区域覆盖监测,在最大 1 185 m 半径范围内,对生产装置和危化品罐区进行实时泄漏监测(以下所有浓度值均为光路上的平均浓度)。以 8 月 9 日 11 时至 8 月 20 日 11 时的监测数据为例,共获得 4 320 组监测数据,包括了乙烯、1,3-丁二烯、苯、丙烯、二氧化硫、甲苯和二甲苯等多种物质。监测结果如表 1、图 9 和图 10 所示。2023 年第 23 卷第 4 期安全技术 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT41 图 7 六氟化硫释放后的扩散趋势图 8 傅里叶红外遥感检测仪在石化企业安装现场 由表 1 可以看出,设备检测到了多种物质的泄漏迹象,说明设备泄漏不是个例,侧面反映出该企业在设备设施维护保养方面工作存在欠缺,导致大量动、静密封点密封不严密。泄漏量较大的几种物质依次为 1,3-丁二烯、二氧化硫、丙烯和二甲苯,再结合设备探测到的泄漏具体位置,可以为找到泄漏原因、采取针对性措施提供重要帮助。从图 9、图 10 中可以看出,在 12 天的监测中,1,3-丁二烯和乙烯基本上属于瞬时泄漏的情况,而非常态化泄漏,说明泄漏的发生大概率来源于生产波动,可以结合流量、温度、液位等关键参数记录来分析产生波动的各种原因,为后期企业优化生产操作提供技术支撑。表 1 某石化企业 FTIR 遥测数据序号化合物平均浓度/(mgm-3)最高浓度/(mgm-3)出现概率/%嗅觉阈值/(mgm-3)气体特征1乙烯13.277.41.98 107淡甜味2苯207.6272.30.27 482芳香气味3丙烯120.8956.97.137 303无色、稍带有甜味41,3-丁二烯150.62 623.33.3938.4汽油味5二氧化硫790.91 263.410.3 1 235.7刺激性气味6甲苯133.6216.00.13280.7特殊芳香味7二甲苯85.2738.41.7176.0芳香烃的特殊气味 注:出现概率=(大于检测极限的检测数据次数)/(总检测数据次数)100%;嗅觉阈值:以人体为实验对象,并以同一种气味物质反复进行测试,则有 50%的概率使人类识别空气中有某种气味物质存在、且能说出该气味特征的最低浓度。王明章.傅里叶红外遥感监测技术在石化企业泄漏监测的应用?、?安全技术2023 年第 23 卷第 4 期 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT42 图 9 乙烯监测数据图 10 1,3 丁二烯监测数据4 结论a)傅里叶红外遥感监测技术解决了传统固定式气体报警器检测范围受限的缺陷,不但可以在较短时间内识别到泄漏情况,还可以获取空间区域内危险气体的具体组分以及分布扩散趋势。b)傅里叶红外遥感检测仪可在石化企业实现大范围泄漏监测,同时,结合气象数据、地形、生产工艺流程以及周边企业情况,还可以对泄漏气体进行精确溯源和危险预警评估,为泄漏发生后的应急处置提供了重要的技术支撑。c)石化企业未来的气体泄漏监测是将多种气体传感器采集的信息集中融合。通过气体遥测装备与固定式气体报警器可以建立起一定区域范围内的立体监测网络,为及时、准确发现泄漏提供有效手段。5 参考文献1 杨之胜,张永林.固定式可燃气体检测报警器运行管理中存在的问题及对策J.安全、健康和环境,2006,6(4):12-15.2 姜顽强,陈忠辉,马小峰.石化企业巡检管理系统智能化升级改造方案探讨J.中国管理信息化,2022,25(19):130-134.3 Steven R,R.Scott McEwan,Ryan C.Moffet,et al.Wine-gar.Real-World Application of Open-Path UV-DOAS,TDL,and FT-IR Spectroscopy for Air Quality Monitoring atIndustrial FacilitiesJ.Spectroscopy,2022,37(11):18-22.4 朱锟.泄漏检测与修复在炼油企业的应用探讨J.安全、健康和环境,2021,21(8):27-30.5Yunyou Hu,Liang Xu,Hanyang Xu.Three-dimensionalreconstruction of a leaking gas cloud based on two scan-ning FTIR remote-sensing imaging systemsJ.OpticsEXPRESS,2022,30(4):25581-25596.Application of Fourier Infrared RemoteSensing Technology to LeakageMonitoring in Petrochemical EnterprisesWang Mingzhang(SINOPEC Qingdao Petrochemical Co.,Ltd.,Shan-dong,Qingdao,266104)Abstract:In view of the shortcomings of traditionalgas leakage detection methods,gas leakage monito-ring equipment based on fourier infrared remote sens-ing monitoring technology was adopted to form athree-dimensional gas leakage monitoring network to-gether with existing means.The monitoring datashowed that fourier infrared remote sensing monitoringtechnology could quickly and accurately monitor thetype,concentration and diffusion trend of the leakagegas,providing a strong technical support for the leak-age monitoring of petrochemical enterprises.Key words:petrochemical enterprises;gas leakage;real-timemonitoring;fouriertransform;infraredspectrum