石化廠區(qū)碳排放源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分析

摘 要：文章主要分析了石化行業(yè)中對(duì)工業(yè)過(guò)程產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w精確監(jiān)測(cè)其相關(guān)的產(chǎn)業(yè)背景、政策、發(fā)展現(xiàn)狀以及開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的無(wú)線傳感器技術(shù)和目前市場(chǎng)產(chǎn)品的情況。

關(guān)鍵詞：碳排放；無(wú)線傳感器；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 22-0000-01

石化行業(yè)是溫室氣體排放量最大的行業(yè)，其在工業(yè)過(guò)程中燃燒燃料后產(chǎn)生大量二氧化碳?xì)怏w排放到大氣中加劇全球變暖，引起溫室效應(yīng)。并且引起生產(chǎn)安全的相關(guān)問(wèn)題。因此，對(duì)石化行業(yè)碳排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、產(chǎn)業(yè)政策和影響

石化產(chǎn)業(yè)能耗高、污染重，屬于高碳排放產(chǎn)業(yè)。我國(guó)政府2009年末宣布，到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳（CO2）排放比2005年下降40%-45%；同時(shí)作為約束性指標(biāo)納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃，制定相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測(cè)、考核辦法。新近發(fā)布的《石化產(chǎn)業(yè)調(diào)整振興技術(shù)支撐指導(dǎo)意見(jiàn)》已經(jīng)將碳減排技術(shù)的開(kāi)發(fā)列為重點(diǎn)。在2011年，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)規(guī)劃（2011—2015年）》中重點(diǎn)提出了“十二五”期間我國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要目標(biāo)和重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。其中工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要目標(biāo)之一是提高工業(yè)信息化水平：重點(diǎn)研發(fā)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵傳輸設(shè)備及系統(tǒng)，培育自主可控的物聯(lián)網(wǎng)感知產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用服務(wù)業(yè)。

隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，大量的應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)在災(zāi)害發(fā)生前的預(yù)防性監(jiān)測(cè)，和災(zāi)害發(fā)生后的應(yīng)急性監(jiān)測(cè)等方面。碳排放監(jiān)測(cè)不僅與環(huán)境問(wèn)題密切相關(guān)，也是安全生產(chǎn)重要保障。石化廠區(qū)內(nèi)的關(guān)鍵輔助生產(chǎn)設(shè)備空分裝置對(duì)空氣含碳量有著精確的限值。空分裝置主要以空壓機(jī)吸入空氣通過(guò)低溫精餾制備O2和N2提供給其它生產(chǎn)裝置。裝置的進(jìn)氣口處的大氣的CO2濃度要求在500ppm以下。如果超過(guò)該警戒值將會(huì)縮短相應(yīng)設(shè)備再生周期或?qū)е卵b置停車，甚至引發(fā)化學(xué)性爆炸。這類爆炸事故在國(guó)內(nèi)外時(shí)有報(bào)導(dǎo)，1997年撫順乙烯化工廠6000M3/H空分塔發(fā)生惡性爆炸事故，造成4人死亡，4人重傷，27人輕傷，直接經(jīng)濟(jì)損失約400萬(wàn)元；同年馬來(lái)西亞賓突魯殼牌石油公司一套81760m3/H空分設(shè)備發(fā)生惡性爆炸。爆炸范圍造成5千米內(nèi)窗框玻璃震碎，飛出的金屬擊破石油和煤油儲(chǔ)罐而引發(fā)大火；2004年哈爾濱氣化廠空分分廠10000M3/H空分設(shè)備主冷發(fā)生爆炸，主冷和上塔報(bào)廢。

二、發(fā)展現(xiàn)狀

在2010年舉辦的第21屆國(guó)際儀表與綠色經(jīng)濟(jì)高峰論壇上，中石化自控中心站技術(shù)委員會(huì)副主任委員黃步余作了《石油化工工業(yè)集成自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展》的主題報(bào)告，分析了石化工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。報(bào)告中反映出：與國(guó)外領(lǐng)先的石化企業(yè)相比，中國(guó)石化企業(yè)還處在信息化建設(shè)的初級(jí)階段。

目前，國(guó)內(nèi)的大型石化企業(yè)里通過(guò)建立少量的監(jiān)測(cè)站對(duì)周邊大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)為主。以茂名石化煉油廠區(qū)為例，在該廠區(qū)近4平方公里的范圍內(nèi)分布著3個(gè)大氣監(jiān)測(cè)站，這些站點(diǎn)以各自獨(dú)立的采集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)分別顯示某時(shí)間點(diǎn)某處的空氣質(zhì)量，受大氣湍流和復(fù)雜工業(yè)環(huán)境干擾，其對(duì)工業(yè)生產(chǎn)決策過(guò)程并未發(fā)揮應(yīng)有的作用：未能精確的、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)每一處廢氣排放區(qū)域的空氣質(zhì)量。與廠區(qū)內(nèi)稀疏分布的監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)方式相比運(yùn)用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)的模式能有效提高監(jiān)測(cè)精確度和實(shí)時(shí)性。

三、現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）通常能完成諸如環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等需求。它將數(shù)量眾多的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)放在一起通過(guò)自組織自適應(yīng)的形式連接成一個(gè)整體，并合作感知、收集、處理并傳輸各種自然界的環(huán)境數(shù)據(jù)。

在已有的氣體源點(diǎn)定位研究中，多數(shù)研究者采用的方法按照定位移動(dòng)代理的機(jī)動(dòng)程度以及定位模型的復(fù)雜程度可以劃分為以下幾類：（1）傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，主要采用的傳感器裝置，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳回處理中心進(jìn)行分析；（2）使用機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)的大型移動(dòng)機(jī)器人搜索定位，通過(guò)機(jī)器人的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)氣體源點(diǎn)定位；[2]（3）通過(guò)小型移動(dòng)機(jī)器人搜索定位，各機(jī)器人通過(guò)傳感器測(cè)量氣體的濃度值，并估計(jì)氣體擴(kuò)散速度及方向；多個(gè)小機(jī)器人根據(jù)監(jiān)測(cè)的信息協(xié)同移動(dòng)搜索，采用群體智能實(shí)現(xiàn)氣體源點(diǎn)定位；[3]（4）采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)定位氣體源點(diǎn)；（5）基于力導(dǎo)向量子粒子群算法的氣體源點(diǎn)定位；（6）通過(guò)錨節(jié)點(diǎn)分簇的節(jié)點(diǎn)快速定位算法定位氣體源點(diǎn)。

系統(tǒng)的關(guān)鍵是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估各碳排放源在區(qū)域中的影響、產(chǎn)生因素。在大氣沉降、渦流和復(fù)雜廠區(qū)環(huán)境的影響下，我們對(duì)采集到的數(shù)據(jù)，基于概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，建立模型為數(shù)據(jù)找出特征值并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行未確定的分類。（未確定分類指基于經(jīng)驗(yàn)無(wú)法判斷影響空氣碳含量超標(biāo)的單個(gè)或多個(gè)影響類型）。

四、國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品情況

在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)中，以監(jiān)測(cè)方法劃分為傳統(tǒng)的依靠監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行人工、實(shí)驗(yàn)室測(cè)量為主的方案和工業(yè)園區(qū)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案兩種，以下該按劃分方式介紹相關(guān)產(chǎn)品。

使用人工檢測(cè)儀方案具有使用維護(hù)簡(jiǎn)便，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜的特點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)產(chǎn)品普遍存在儀器性能不理想，服務(wù)不到位等情況，加上不規(guī)范操作以及非正當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)等市場(chǎng)因素，難以引進(jìn)國(guó)外技術(shù)。高質(zhì)量的分析儀，專用檢測(cè)儀器和自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍從國(guó)外引進(jìn)。

主要功能以點(diǎn)式監(jiān)測(cè)點(diǎn)位定量監(jiān)測(cè)污染物濃度，作為大型工業(yè)園周邊空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)和大型工業(yè)園污染物排放量估算的基準(zhǔn)，同時(shí)以開(kāi)放光程的界周監(jiān)測(cè)、激光雷達(dá)掃描的平面監(jiān)測(cè)作為定性補(bǔ)充，以掌握污染物的空間分布，形成點(diǎn)、線、面結(jié)合的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。典型應(yīng)用：產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)監(jiān)測(cè)、工業(yè)園區(qū)（化工園區(qū)）監(jiān)測(cè)、大型企業(yè)監(jiān)測(cè)、廠界監(jiān)測(cè)等，在河南、四川、遼寧等地項(xiàng)目廣泛應(yīng)用。

目前石化行業(yè)是溫室氣體排放量最大的行業(yè)，對(duì)石化行業(yè)碳排放強(qiáng)度估算及減排對(duì)策已有初步研究。但是在此環(huán)境下的提高對(duì)排放源定位的精確性是該類系統(tǒng)需解決問(wèn)題的方向。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)目前大型石化工廠里原有的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)而言，具有價(jià)格便宜、布置方便、監(jiān)控面積廣，采集點(diǎn)多的特點(diǎn)。該技術(shù)未來(lái)將作為主要數(shù)據(jù)的采集方式之一，在更廣泛的行業(yè)領(lǐng)域被采用。

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[作者簡(jiǎn)介]吳憲君，男，廣東茂名人，講師，碩士，研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。