物联网泄漏检测和监测技术的应用

舒士军，路宝玺

(上海赛科石油化工有限责任公司，上海 201507)

某石化公司建有8套主要生产装置，其中乙烯设计能力109×104t/a。主要产品有乙烯、丙烯、聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈、丁二烯、苯、甲苯及其它副产品等。公司泄漏超过500×10－6以上的设备与管线组件密封点数量占比不到LDAR总检测点数的0.1%(远小于国内行业平均水平1.3%)，2007年国内率先开展LDAR泄漏检测及修复工作[1]，2014年成为国内首家通过危险化学品安全生产标准化一级评审的企业。

1 背景

公司管理层致力于通过建立过程安全和环保关键业绩指标体系[2]，率先采用适用的新技术持续减少安全隐患、减少易燃易爆和有毒有害可挥发性有机物的无组织排放。已对近39万个工艺管道、设备及仪表接头等密封点(包括近4万个难于检测点)建立了泄漏监测数据库，基本建成了密封点泄漏检测与修复管理体系。但对高空难于检测点缺少定量化的检测，对标国际先进水平，尚待建立基于设备故障分析、故障频率实时监测的基于风险的设备预防性维修和关键设备绩效指标管理体系，逐步摆脱传统的消缺管理或事后维修体系。

欲建设基于风险的设备预防性维修和关键设备绩效指标管理体系，就必须对关键设备和管线组件及其密封点状况进行全天候的智能在线监测，以便及早发现或识别那些开始明显泄漏或当前泄漏值明显偏离历史常态值的设备管线组件密封点，及早探测和预测泄漏危险、采取预防维护措施[3]，减少安全隐患，保障关键设备或管线部件安、稳、长、满、优运行。

2 问题分析

设备管线无组织排放点点多面广，传统的LDAR便携式仪器定期检测人力限制，检测周期一般是3～6个月，对于近4万超高难于检测的密封点只能采用红外SMART LDAR，但红外 SMART LDAR只能检测超过10 000×10－6以上的大漏，而公司超过 10 000×10－6的泄漏点每年不到0.09%，对于绝大多数不大于10 000×10－6的难于检测的密封点泄漏，红外SMART LDAR无能为力。此外，LDAR检测后还需要手工录入或数据线导入检测数据到PC端泄漏管理系统，然后再利用相关方程式法计算设备管线密封点的排放速率和排放量，此过程耗费的人工工时不容小觑。

3 解决方案

针对上述问题，公司HSE部门通过国内外调研并结合自身工艺和装置的实际特点，找到了应对对策和解决方案。

3.1 物联网实时泄漏监测(难于检测点监测)

对于重要的且经过工艺特性分析识别出的易漏的难于检测密封点，如距离地面或设备平台格栅板3～5 m以上的超高难于检测法兰密封点，管径不小于DN100的有毒有害介质设备管线密封点，采用物联网监测设备全天候在线实时监测泄漏源的泄漏率[4]。

物联网密封点泄漏率在线实时监测技术是参照美国EPA21或《石化行业密封点VOCs排放速率核算办法》包袋法实测原理实时监测密封点的排放速率。物联网泄漏率监测技术的原理是在法兰密封安装泄漏收集机构，在收集机构的导漏口处直接联接传感器，并通过无线通信技术把实时监测数据及时发送到后台PC端或移动客户端，后台直接通过算法和软件计算一定期间内的累计泄漏量，对于超标泄漏的密封点或监测值明显异于历史监测值的密封点，物联网云平台会直接实时推送短信给相关责任者。

典型的包袋式泄漏收集和预防机构如图1所示，是一种可双侧收集主密封泄漏的泄漏收集和预防机构，图中的引漏密封环(即为辅助密封)可收集源自主密封环的泄漏，收集的泄漏通过检漏孔和引漏管导出。此机构的主密封环是一种恒应力抗逸散密封组件，能够长期承受高低温交变载荷还维持极低的泄漏率;主、辅密封环集泄漏收集和抗高低温交变密封载荷于一体，作为一种泄漏监测和预防机构。

在多个易漏危险的重要难于检测密封点上部署此种泄漏收集和预防机构，在泄漏收集和预防机构的导漏口联接具有无线收发功能的、能够在线实时监测法兰密封泄漏率的监测仪，多个监测仪通过网关或数据收集器组成无线传感网WSN或监测物联网，就能够在线智能监测不可达密封点的泄漏，及早感知和识别危险的泄漏源。

物联网泄漏监测方案，能够见微知著，比便携式或红外线定期检漏更早感知到微小的无组织泄漏，能够实现重要设备管线难于检测密封点的预防性维修，变事后“消缺管理”为事前“预防维护”。

2016年8月，公司在丙烯腈及苯乙烯装置重要难于检测密封点安装部署了“物联网实时泄漏率监测节点设备”，共部署定点监测设备30台，数据集中器2台，实现了部分难于检测密封点泄漏量的在线实时监测和超标短信推送报警。现场部署的物联网监测节点设备如图2所示。

图2 物联网监测节点设备

3.2 PDA－RFID可达点泄漏监测

对于可达密封点，采用FID－PID便携式监测仪与WiFi PDA－RFID配对技术，可实现检测数据传输和人工后处理，减少人工监测数据录入工时和后期数据处理出错机会。

PDA－RFID泄漏检测原理是可达密封点部位先期部署写入PID位号信息的RFID射频识别标牌，现场检测时先用PDA设备读取RFID芯片上绑定的可达密封点位号信息，PDA与FID－PID便携式监测仪通过蓝牙接口配对互联;如此，FIDPID便携式监测仪每检测一个密封点，泄漏值就会自动实时传到PDA设备，PDA就自动一一对应地同步存储于后台LDAR管理数据库中(具体可参见图3)。数据库管理平台可以追踪设备及/组件清单，管理检测数据和维修信息，与现场检测设备完美结合，可进行排放计算和审计，自动发送检测报告。

图3 物联网PDA－RFID在线泄漏检测原理

公司从2007年开始实施LDAR以来，从最初的第一代金属密封挂牌，至目前采用图像建档，RFID标牌，可以利用射频远距离定点识别，具有更快识别速度，避免因污染、腐蚀导致标牌无法扫描辨识，或者标签数据无法更改的问题。挂牌及拍照顺序也参照最优化检测路径设计，大大提升后续检测效率和准确性。13套装置，50 055块挂牌，382 833个密封点，全部在公司管维平台上。实现了与公司Smart Plant P＆ID与SAP PM系统的互联互通。

4 有待完善的问题

4.1 物联网实时泄漏监测

物联网实时泄漏率监测输出的监测值是流量值sccm(标态下每分钟泄漏多少毫升)，与传统LDAR检测值μmol/mol单位不同，但能通过美国EAP 21或《石化行业密封点VOCs排放速率核算办法》的相关方程式法间接换算;对于低于500 μmol/mol的低泄漏，相关方程式法的准确性是否足够，尚需进一步比对验证，对低于50 μmol/mol的混合可挥发性有机物的微泄漏，物联网泄漏率监测仪的重复精度和准确性也需要进一步测试验证。

此外，物联网实时泄漏率监测仪及无线系统的成本目前还比较高，还只能用于危险重要的设备管线难于检测密封点泄漏监测和预防，大规模推广还有待于政府环保部门的认可和自身性价比的大幅提高。

4.2 PDA－RFID可达点泄漏监测

PDA－RFID泄漏检测，仍然需要大量的人工作业，因此不适合全天候连续监测、不能有效消除高空等难于检测密封点带来的潜在安全隐患;对于危险的有毒有害介质泄漏点，还需要人工近距离检测，还存在危害一线检测人员身心健康的风险。

5 物联网检测、监测技术展望

物联网检测、监测技术可以大幅减少人工数据处理工作量，提高检漏效率;特别是物联网在线实时泄漏率监测和预防技术，可以全天候连续监测危险重要难于检测密封点的微泄漏和低泄漏，能够及早探测、预测和预防高低温交变带来的泄漏危险，有效减少全隐患，实现危险重要设备管线组件的预防维护，保障关键设备或管线组件安、稳、长、满、优运行。

超高难于检测密封点若通过FID－PID便携式仪器检测的话，需要搭脚手架和监护。按照上海地区的人工成本，搭建一个高约5 m的经检验合格且安全的标准脚手架成本是1 500元，每年检测1～2次的成本是1 500～3 000元。若物联网在线实时泄漏率监测节点设备和数据集中器的综合成本降到2 000元/台左右，便具备了大规模推广普及的条件。因为若难于检测密封点免于检测或监测而导致泄漏、引起火灾或人员伤亡等安全事故，每起事故的直接(如灭火救人)和间接损失(如停工停产)都将高达数十万至数百万元;假定每台物联网在线实时泄漏率监测设备能可靠工作4～5年，则投资物联网在线实时泄漏率监测设备的收益率是非常可观的。

危险区域物联网阵列监测也是一种很有前途的实时监测技术。在危险区域内重要泄漏源邻域及其边界泄漏介质经过的部位非均匀网格化部署易燃易爆、有毒有害气体智能无线监测仪阵列，见图4，利用气体扩散模型、大数据分析和机器学习技术，智能追溯泄漏源的大致方位并预测泄漏等级，安全预警。

图4 危险重要区域阵列监测

物联网在线实时定点泄漏率监测技术可以快速探测哪里泄漏、何时泄漏、何种物质泄漏和漏了多少;物联网在线实时区域阵列监测技术能够在科学合理地减少布点的前提下定漏溯源、安全预警。

物联网在线实时定点和区域阵列监测有机组合，比便携式或红外线定期检漏更早感知到微小的无组织泄漏，安全防漏更无忧，环保监测更高效。

6 结语

物联网泄漏检测和监测是一种新型的智能在线感知技术，尤其在难于检测点的应用上具有较高的应用价值。比较好地解决了原LDAR工作中不足之处，考虑到现阶段经济上所能承受的现状，辅以网格化区域列陈监测，点面结合，不失为一个比较有效的监测方案。