基于紫外反射的溢油监测技术研发

周志国

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071)

相比炼油厂、油库等其他石油石化生产设施，油品输送管道具有点多、线长、面广的特点，面临的自然及社会环境复杂，更易受外界影响。本文分析总结了目前溢油监测预警技术发展及应用现状，提出了适用于油品管道溢油风险监测预警的技术需求，并利用紫外反射原理，开展了基于LED紫外光源的溢油监测预警设备研发及实验。

1 溢油监测技术现状

按照监测原理，目前水面溢油监测技术可分为：可见光光谱法、红外光光谱法、紫外光光谱法、微波辐射计法和荧光光谱法等[1]。按照监测模式，溢油监测技术可分为：卫星遥感和星载雷达SAR监测、航空遥感监测、船舶遥感监测、CCTV(闭路电视)监测、浮标跟踪监测和定点监测[2,3]。

1.1 卫星遥感和星载雷达SAR监测

卫星遥感(传感器)监测海上溢油主要依据背景海水和油膜层之间的波谱特性差异[4]。通过卫星搭载的溢油遥感传感器全天候监测海面状况，收集海面信息传送至后端进行处理。现阶段，国外用于溢油监测的遥感卫星有很多。我国基于星载合成孔径雷达和船舶自动识别系统监测海面溢油已于2016年业务化运行[1]。

卫星遥感技术的优点是能够全天候监测海面情况，监测规模大，能够有效预测溢油的运动趋向，能够运用成熟的图像处理技术。缺点就是其重复周期过长，不能实时监测海域状况；对小型事故的监测误差比较大，不适用于港口码头、污水排放口及河流等区域。

1.2 航空遥感监测[5]

航空遥感被普遍应用于溢油应急监测中，一方面由于空基航空遥感观测相对更机动灵活，适合大范围巡查和重点区域详查，同时针对不同规模、不同厚度的溢油，航空遥感可以灵活搭载微波、红外、紫外、荧光激光雷达等各种类型的传感器，及时获取事故现场溢油面积及厚度信息。溢油应急中，航空遥感可用于卫星监测结果的验证，弥补卫星观测分辨率、时相的不足。但它也存在一定的局限性，监测能力和范围受天气条件和空中管制等因素制约。

1.3 船舶遥感监测

船舶遥感监测的理论依据是雷达对水面和溢油面的反射效果不同，根据雷达的反射信息对海面进行监测。荷兰、美国、加拿大和俄罗斯在20世纪80年达就已经开始在船舶上安装X波段雷达用于监测海面溢油，并做了大量实验。国内，大连海事大学和长江船舶设计院等院校和机构在进行该方面的研发工作，长江船舶设计院研发的船舶溢油监测系统现已投入使用。

1.4 闭路电视(CCTV)监测[6]

CCTV监视系统是利用可见光/反射红外波段的遥感技术，国内外都有成功应用的经验，如摄像机、照相机，但利用工业电视系统进行监视海面溢油的应用在国内仍处于起步阶段。目前，我国北方海域各港口中，秦皇岛、天津、大连和烟台建立了CCTV系统。

在发现溢油后，使用CCTV监视可以让指挥人员更清晰地了解溢油现场的状况，便于指挥。但CCTV监视系统对于海上溢油的发现贡献不大，溢油信息很难通过仪器自动处理识别，通常依靠肉眼观察识别，因此该方法多用于特殊港区溢油监测。

1.5 浮标跟踪监测

海洋浮标作为现代化的海洋观测设备，利用GPS定位通过GSM/CDMA网络传输数据，能够稳定可靠地收集全天候海洋环境资料参数，同时可以实现自动采集、发送、指示功能。海洋浮标由水上、水下两部分构成，主要收集气象数据(风速、风向、气温、气压、温度)和海洋水文数据(波浪、潮位、海流、海温、盐度)，通过以上参数建立水动力海浪潮流模型估算海上溢油面积及溢油量等。通过浮标监测能够实现溢油跟踪及定位，掌握溢油扩散、漂移等动态信息。目前，将浮标与无人机、无人艇等移动工具进行集成后应用于溢油监测的研究也逐渐增多[7，8]。

浮标跟踪主要用于溢油事故后跟踪监测油膜的漂浮轨迹，并获取溢油海域的环境和水文信息，不具备水上溢油发现和预警功能。

1.6 固定点监测

固定点监测，是将传感器固定在码头桥梁等固定位置或者海域浮标浮筒等被监测水域中，对溢油事故进行监测。按照所使用的传感器类型，可分为电磁能量吸收传感器和紫外诱导荧光传感器[1,9-11]。

电磁能量吸收传感器[12]是通过建立油污厚度与电磁能量吸收率的数学模型来对海上溢油事故进行监测的方法(海水、原油、空气三种介质对高频电磁波能量的吸收率不同)。这种监测方法主要通过衡量电磁波在传播过程中的衰减强度和油污厚度间的线性关系来监测溢油事故。但由于监测为接触式，对水文条件有较高要求，且设备易受污染。美国GE公司开发的LEAKWISE(电磁吸收型)溢油监测仪在国外Shell、BP、Exxon Mobil等企业都有应用，但该技术的不足之处是：由于测试方式为接触式测量，因此该技术对监测水域的水文条件有较高要求，对于水流流速大、杂物多或结冰的环境适应性较差。

紫外诱发荧光技术就是利用紫外脉冲光束照射水面，激发目标区域的油分子产生荧光(水分子不产生荧光)，进而鉴别油分子的信号，并给操作者报警。紫外荧光技术将传感器布于水面之上，即非接触式监测。石油及衍生品中具备较高共轭效应的芳香烃等物质，在紫外光区具有强吸收峰，受到紫外光照射后，会发出近紫外波段和可见波段的荧光。设备发出特定波长的紫外光照射水面，油膜受到紫外光激发后，产生特定波长的荧光，返回监测设备。紫外溢油监测设备主要有美国Inter Ocean公司的紫外荧光监测仪Slick Sleuth、爱沙尼亚LDI公司的荧光溢油监测仪ROW等。该类产品使用过程中存在的主要问题有高压氙灯成本昂贵、使用寿命短，且不能检测汽油、单环芳烃等[13-15]。

固定点监测技术具有全天候自动报警、操作简便、设备成本低、反应灵敏等优点，可实现实时监控和联动报警的功能，适用于石化企业排水口、输油管道穿/跨越河流及下游敏感水体、油品作业码头等溢油事故发生可能性较高的区域。其局限性在于单个传感器监测范围有限，一般需要多台设备组网应用。

2 输油管道溢油监测需求分析

适用于输油管道溢油的监测预警技术设备主要应满足以下几方面需求。

a) 较高的设备灵敏度。应在出现水面薄油膜(如彩虹膜)的第一时间即产生响应，为后续应急处置争取时间。

b) 较好的环境适应性。相比管道陆上泄漏，溢油进入水体后将迅速扩散并对下游造成影响，增大溢油应急处置工作量及处置难度。因此，需要在管道穿跨越河流等开放水域下游附近布设一定数量的溢油监测设备，这就要求设备不易受水面杂物、水流等影响。

c) 较广的油品监测种类范围。国内输油管道往往涉及原油、汽油、柴油、苯等不同油品和化学品输送，监测设备应对常见液体有机化学品泄漏均产生良好的响应。

d) 相对低廉的生产和维护成本。由于输油管道点多、线长、面广的分布特点，建立相对完善的溢油风险监测预警系统需要部署大量的溢油监测仪，设备布设以及运行维护成本是企业需要考虑的重要因素，因此要求设备具有相对低廉的价格，同时应操作简便易于维护。

e) 适于进行组网。大量的溢油监测设备往往给日常管理带来一定困难，因此应通过组网的方式对所有设备参数设定及报警信号等进行统一管理，同时应具备和企业已有相关预警系统进行衔接功能。

f) 良好的安全性能。管道输送的油品及液体有机化学品多为易燃易爆物质，泄漏至水面后易挥发积聚，为避免次生爆炸等安全事故，溢油监测仪应具备良好的抗爆性能。

3 基于紫外反射的溢油监测预警技术

3.1 工作原理

综合溢油监测技术现状及输油管道有监测需求分析，认为非接触式监测技术具备更好的改进潜力。针对目前紫外荧光型监测仪存在的不足，拟利用目前先进的LED紫外灯代替高压氙灯作为光源，研发基于LED紫外光源的新型溢油监测设备。但由于LED紫外光强度不足以有效激发荧光，因此系统设计利用紫外光反射原理来监测油膜。

LED光源发射特定波段的紫外光束，利用水面和油面对光反射情况的差异，监测仪相应地接收不同负荷的能量，转换为电信号，通过检测反射光的强度变化来判断油膜的出现。该设计在大幅降低系统成本并提高仪器寿命的同时，还可以有效检测到原油、柴油、汽油、润滑油等可在水面形成油膜的油品。

3.2 监测仪整体设计

紫外油膜监测仪可分为光源部分和探测器部分。监测仪工作时，首先，LED灯驱动电路以程序设定的频率点亮LED灯光源，发射脉冲紫外光，紫外光通过汇聚镜汇聚之后形成的锥形光束照射在待测目标上，光束遇水面后反射至抛物镜面，再由镜面将反射光聚焦至光传感器，光传感器将收到的光信号转换成电压信号，电压信号经主控板的转换器转换为数字信号，得到的数字信号数值与主控板的单片机中存储的标准值进行对比，主控板将对比后的结果送入上位机进行处理。

当水面发生溢油现象时，反射的紫外光强度变强，数字信号值迅速变大，当数字信号数值超过标准值时，主控板将信号送至上位机中，上位机通过短信报警模块给相关责任人发送短信报警。上位机还可控制声光报警器进行声光报警，提高了对水面溢油的监测效率。

4 性能测试

针对可能影响监测结果的参数，利用测试平台全面开展LED油膜监测仪性能测试，明确监测仪的各项工作参数，检测设备稳定性和灵敏度。

4.1 油品种类

调整设备底部(发送接收面)距水面垂直距离，用针管吸取油品，逐滴向下方容器内水面滴加等量的不同油品，记录随时间响应的信号值，分别测试监测仪对柴油、汽油、润滑油、污油、原油等不同油品的响应程度。

测试结果表明：监测仪对各类油品都有明显响应。上述油品滴入后，都能在水面迅速扩散形成油膜，由于油膜反射率比水大所以能被检测到。本溢油监测仪对柴油、汽油、燃料油、污油、原油等不同油品有良好的分辨能力。其中，柴油、燃料油、原油等性质较为稳定的油品，其信号值响应曲线也较为平稳；汽油(易挥发)及污油(杂质多且油膜分散不一)等性质较不稳定油品的响应值则波动较大。

4.2 油膜厚度

调整设备底部(发送接收面)距水面垂直距离，用针管吸取性质相对稳定的柴油，逐滴缓慢加入水中，待油膜均匀散开，记录其在油膜散开后的响应信号值，根据计算得出其分别对应的油膜厚度。

根据实验结果，少量添加柴油就能使响应值升高，随着滴入量的不断加大，数值大幅度增加。测试结果表明，本溢油监测仪可监测微米级油膜的性能相吻合。

4.3 监测高度

通过调节仪器悬挂高度，测试监测仪在不同高度下对柴油油膜的监测能力，考察安装高度因素对LED油膜监测仪的影响。

结果表明：随着安装高度的升高，监测信号呈规律性衰减趋势，监测仪安装高度在1.0～3.5 m区间监测信号较为稳定。油膜监测仪应安装在水面的正上方，安装高度根据现场要求和设备配置来确定。溢油监测仪下方的有效监测区域，应根据出射角度和安装高度，计算得出有效监测面积，依据调试数据，安装高度2.5 m约对应1 m2的有效监测面积。

4.4 水流速度

打开水泵，模拟流动状态，记录数值，估算水流速度。在不同流速取值下，测试对不同高度下流速影响的监测仪油品响应值的变化趋势。结果表明：流速对信号强度有一定影响，但影响的主要因素是水流状态(层流/乱流)；随着水流速度的不断升高，油品响应绝对值会呈一定的下降趋势。

5 结语

随着输油管道的建设与发展，以及人们环保意识和维权意识提高，如何有效防范输油管道环境风险已成为石油石化企业环保管理工作的重要内容，而提高溢油监测预警能力是风险防控的核心环节。基于LED紫外光源的新型溢油监测设备，克服了现有监测技术的不足，具有灵敏度高、环境适应性好、监测油品种类广泛、安全防爆等特点，完全可应用于输油管道溢油监测，从而提高石油石化企业对管道溢油风险监测预警能力。