天然气净化厂VOCs泄漏检测与修复技术应用探讨

杨 刚 周晓曼 易 容 谢倩雯 周 非 江 丽

(1.中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院；2.中国石油西南油气田公司重庆天然气净化总厂)

0 引 言

挥发性有机物(VOCs)是指参与大气光化学反应的有机化合物，或者根据有关规定确定的有机化合物[1]。VOCs是形成臭氧(O3)和细颗粒物(PM2.5)的重要前体物。近几年，国家和地方政府逐步加强对VOCs的排放控制，相继发布了相关排放标准。生态环境部2015年发布的GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》、GB 31571—2015《石油化学工业污染物排放标准》均对VOCs相关特征指标的排放限值作出了规定，2019年发布了GB 37822—2019《挥发性有机物无组织排放标准》；天津市生态环境局2014年发布DB 12/524—2014《工业企业挥发性有机物排放控制标准》；四川省生态环境厅2017年发布DB 51/2377—2017《四川省固定污染源大气挥发性有机物排放标准》等。

石油天然气行业是VOCs的重要排放源。VOCs既可通过固定源排放，由于其挥发特性，还可通过无组织排放。在石化等行业中70%以上的VOCs排放都来自于无组织逸散排放[2]。因此，采取必要措施对石油天然气行业VOCs无组织排放进行监测及治理是VOCs减排的一个重要方向。泄漏检测与修复(Leak Detection and Repair，LDAR)技术是当前国内推广的一种减排控制措施，是指使用专门的气体检测设备对流经设备和管线组件等的VOCs浓度进行检测，定期检查是否存在泄漏，并在规定时间内对泄漏组件进行替换或修复，以减少VOCs排放的实践方法[3]。根据美国环保署(EPA)的统计数据，通过实施LDAR措施，石化装置可消减约63%的无组织排放，一般化工装置可消减约56%的无组织排放，带来巨大的环境效益[4]。遂宁市2018年下发的《关于印发遂宁市安居区挥发性有机物污染防治实施方案(2018—2020年)的通知》中，明确要求中国石油遂宁天然气净化有限公司开展VOCs监测治理工作。本文以A净化厂为例，对LDAR技术在天然气净化厂的应用进行探讨。

1 LDAR技术国内外进展

1.1 国外进展情况

美国自20世纪80年代开始要求石化行业开展LDAR作业，并于1990年正式将LDAR技术纳入修正的《清洁生产法》；1993年，EPA颁布了《设备泄漏排放估算协议》，1995年对该协议进行修正，提出平均排放系数法、筛分法、EPA关联法及特殊设备关联法4种泄漏量估算方法，用于核算VOCs泄漏量[5]；2006年，EPA推出了采用红外气体成像设备的SMART-LDAR技术，与传统LDAR技术相比，可更快速地进行泄漏检测，提高了检测效率；2007年，EPA出台了《泄漏检测与修复最佳实践指南》，进一步详细地规范了LDAR操作流程[5]。

加拿大1993年发布的《设备泄漏无组织排放检测与控制实施法规》对LDAR作业提出了具体要求，包括对不同设备检测频次、修复时间等方面的规定。

欧盟于1999年开始建议其成员国在石油炼化行业开展LDAR相关工作。

1.2 国内进展情况

我国LDAR技术推广应用较晚，生态环境部2012年发布《重点区域大气污染防治“十二五”规划》，首次提出“石化企业应全面推行LDAR(泄漏检测与修复)技术，加强石化生产、输送和储存过程挥发性有机物泄漏的监测和监管，对泄漏率超过标准的要进行设备改造”；2013 年下发《挥发性有机物(VOCs)污染防治技术政策》，提出将LDAR技术列为VOCs污染防治技术措施；2014年印发《石化行业挥发性有机物综合整治方案》，明确要求石化行业全面开展LDAR工作；2015年印发《石化行业VOCs污染源排查工作指南》及《石化企业泄漏检测与修复工作指南》；2020年6月发布《挥发性有机物治理实用手册》《重点行业企业挥发性有机物现场检查指南(试行)》等。国内各地也相继出台相关规范，浙江省生态环境厅2015年发布了《浙江省工业企业挥发性有机物泄漏检测与修复(LDAR)技术要求(试行)》；上海市生态环境局2018年发布了《设备泄漏挥发性有机物排放控制技术规范》等。

我国近年虽然逐步重视LDAR技术的推广应用，但由于处在起步阶段，各省、市环保部门都在探索前进，关于LDAR技术执行规范化、专业化等方面尚缺乏相关管理体系的配套建设。

2 LDAR技术工作流程

2.1 资料收集与装置情况调研

包括熟悉厂区范围环境，了解装置基本情况，收集工艺流程图(PFD)、管道仪表图(P & ID)，并进行分析，逐一分析辨识装置内设备和管线是否有接触或流经涉及VOCs的物料，明确LDAR实施范围。

2.2 密封点台账建立

密封点指受控设备可能泄漏涉VOCs物料的密封，包括动密封和静密封[5]。通过对现场装置、工艺、物料调研和P & ID等图纸分析，明确密封点，划分密封点区域。对每一个密封点设置唯一性编码，描述其名称、位置、类别等，通过拍照、现场挂牌或对P & ID图标识等方式进行密封点的定位。

2.3 现场检测

制定检测方案，检测仪器设备的校正、流量检查、零点和示值检查，对已建档的密封点逐一进行泄漏检测，做好检测记录(包括检测任务单、检测仪器台账、校准气体台账、检测周期等)。

2.4 泄漏修复

对确认的泄漏点及时加挂泄漏标识牌，在规定的时间内对泄漏点进行修复，并做好维修记录(包括维修任务单、维修实施记录、延迟修复记录等)。

2.5 数据核算与分析

对检测数据进行分类统计，如泄漏类型等，根据检测结果和泄漏量计算方法估算密封点VOCs泄漏总量，对排放量及减排潜力进行评估分析。

3 结果与分析

3.1 检测范围与检测仪器

采用便携式FID检测器(氢火焰离子化检测器)对A天然气净化厂Ⅰ列净化装置进行VOCs泄漏检测，主要包括原料气过滤分离单元、脱硫脱碳单元和脱水单元。便携式FID检测器的检测结果为总烃含量，A天然气净化厂原料气组分中除去硫化氢、二氧化碳、氮气等无机组分含量，甲烷与非甲烷总烃的含量比例约为98∶2，FID检测器的检测结果乘以2%即认为是VOCs(非甲烷总烃表征)含量。

3.2 密封点数量统计

净化装置密封点类型及数量统计见表1。

表1 净化装置密封点类型及数量统计

由表1可知，A天然气净化厂净化装置阀门、法兰和连接件(螺纹连接)的密封点数量较多，分别占密封点总数的18.1%，29.0%，49.7%，三者合计占密封点总数的96.8%。

3.3 泄漏密封点数量统计

根据GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》、GB 31571—2015《石油化学工业污染物排放标准》中5.3.4规定的“泄漏的认定”，有机气体和挥发性有机液体流经的设备与管线组件泄漏检测值大于等于2 000 μmol/mol，以及其他挥发性有机物流经的设备与管线组件泄漏检测值大于等于500 μmol/mol的被认定发生了泄漏。净化装置泄漏密封点数量统计见表2，泄漏浓度区间密封点数量统计见表3。

表2 净化装置泄漏密封点数量统计

表3 净化装置泄漏浓度区间密封点数量统计

3.4 VOCs排放量统计

设备动静密封点VOCs排放量核算主要有实测法、相关方程法、筛选范围法和平均排放系数法[6]。实测法一般采用包袋法或大体积采样法，准确度最高，但操作繁琐，耗费大量人力、物力和财力，一般不采用。筛选范围法和平均排放系数法主要针对不可达密封点或未开展LDAR工作使用。相关方程法根据现场实测泄漏浓度，通过修正后的净检测值，经查表确定排放速率。相关方程法是目前国内外普遍采用的计算方法。A天然气净化厂净化装置通过相关方程法计算得到VOCs排放量，结果见表4。

表4 净化装置VOCs排放量计算结果

3.5 VOCs泄漏修复与减排效果评估

根据《石化企业泄漏检测与修复工作指南》要求，首次维修不得迟于自发现泄漏之日起5日内，泄漏密封点首次维修或实质性维修后，应在5日内完成验证检测(复测)[6]。针对A天然气净化厂不同类型的泄漏密封点，通过清理更换配件、适当拧紧螺栓螺母、加装阀门等方式进行泄漏修复，并对修复后的泄漏点及时进行复测。净化装置修复前后VOCs减排情况见表5。

由表5可看出，首次泄漏检测净化装置可达密封点的VOCs排放量为39.104 kg/a。经维修，根据复测值计算出实施LDAR后净化装置可达密封点的VOCs泄漏排放量为7.734 kg/a，实现减排31.370 kg/a，减排率达 80.22%。A天然气净化厂共有7列净化装置，预估VOCs泄漏量达274 kg/a，可实现减排220 kg/a。

表5 净化装置VOCs减排情况

4 结论与建议

石化行业LDAR技术推广应用已有四年左右的时间，但天然气行业对LDAR技术的应用还处于起步探索阶段。本文通过对A天然气净化厂实施LDAR，证明LDAR技术是控制天然气净化厂无组织排放的一种重要且有效的方法，不仅能取得良好的环境效益和经济效益，还能降低一定的安全风险。LDAR技术的应用对控制VOCs排放和改善空气质量(特别是减少甲烷等温室气体排放)具有重要意义。

同时，在天然气净化厂开展LDAR项目中发现，目前在LDAR技术管理规范体系上还存在需要进一步完善的地方。

4.1 检测设备在天然气行业实用性需调高

当前市面上针对泄漏检测的便携式FID检测器基本都是配备单FID检测通道，仅能针对总烃进行检测；但在天然气行业，总烃检测结果包括甲烷和非甲烷总烃，在应用检测结果计算VOCs排放量时需要扣除甲烷含量。因此，检测设备还需进一步改进，以提高在天然气行业应用的实用性。

4.2 LDAR管理平台不够规范

现阶段不同的检测机构根据自身对LDAR技术的理解，开发建立了自己的管理平台，不同机构的平台缺乏通用性和规范性，导致政府在对各企业VOCs排放信息管理上不能很好地利用各机构建立的数据平台。因此，大型企业或政府有必要建立统一的平台系统，以便于管理。

4.3 LDAR项目实施效果评估体系不够全面

各企业实施LDAR项目更关注的是VOCs减排量，但一个完整的LDAR项目的效果不仅是得到一个最终减排量的数据，还应包括项目实施过程中检测人员能力、检测设备等方面的评估和审查，检测技术审查，数据审查等多方面内容[5]。只有做好相应评估审查，才能更好地保障项目实施效果。因此，需要进一步研究LDAR技术评估规范体系，以便能更好地评估相关LDAR项目实施效果。

4.4 LDAR技术泄漏量核算方法有一定局限性

现阶段采用的核算方法(实测法、相关方程法、筛选范围法和平均排放系数法)主要参考EPA公布的方法，其泄漏排放量采用的排放系数不一定完全适合我国，因此，需要借鉴国外在LDAR领域的相关经验，制定我国的泄漏系数，制定适合我国的泄漏量计算方法。