揮發性有機物泄漏檢測與修復管理體系研究

魏自濤 云 箭 鄒麗蓉 茍進軍 姬 園 李 穎 王 磊

（1.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠；2.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司；3.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司）

0 引 言

揮發性有機物（VOCs）作為PM2.5的主要前驅物之一，其排放控制逐漸得到國家、地方政府和社會各界的廣泛關注。據相關研究表明，石化行業是VOCs主要人為排放源之一，其中無組織排放約占總排放量的三分之一甚至更高比例。設備的無組織排放是無意的損失，可能是由于正常磨損、部件裝配不當或不完整、材料規格不充分、制造缺陷、安裝或使用過程中的損壞、腐蝕、污染和環境影響造成的［1-2］。在頻繁的熱循環、振動或低溫環境下，部件的平均排放量往往更大。無組織排放不僅造成環境污染，而且引起原材料的加工損失，并可能引發各類安全事故，對其實施控制是實現VOCs減排的重要途徑。近年來，國家環保部和地方政府的法律法規相繼出臺，《中華人民共和國大氣污染防治法》要求將VOCs納入監管，部分省市已對VOCs實施征收排污費。

1 概 況

1.1 天然氣處理廠VOCs管理現狀

蘇里格氣田天然氣處理廠涉及VOCs的生產設施主要有脫油脫水裝置、甲醇回收裝置、罐區、壓縮機房等存在的VOCs無組織排放的設備與管線，涉及的排放源主要有閥門、法蘭、管道連接設備、泵、壓縮機、卸壓裝置等。天然氣處理廠尚未對無組織排放VOCs進行管控。

在內蒙古自治區環保廳發布的《內蒙古自治區2016年度大氣污染防治實施計劃》中，蘇里格氣田5座天然氣處理廠被列為VOCs整治工作重點企業，根據其物料衡算計算結果，5座天然氣處理廠排放量VOCs 7 550 t／a，減排目標 2 265 t／a，要 求開展LDAR項目。

1.2 LDAR技術體系

泄漏檢測與修復（LDAR）是指對工業生產全過程物料泄漏進行控制的系統工程。通過固定或移動式檢測儀器，定量檢測或檢查生產裝置中閥門等易產生VOCs泄漏的密封點，并在一定期限內采取有效措施修復泄漏點，從而控制物料泄漏損失，減少對環境造成的污染。自20世紀80年代初以來，美國和歐盟通過LDAR技術的長期運行管理，大幅降低了化工和石化企業設備管件的VOCs無組織排放。美國為控制無組織排放（即閥門、連接器、泵、壓縮機等管道部件的排放）實施了LDAR計劃［3］，形成了較為完善的LDAR技術應用體系和管理模式，通過實施LDAR技術帶來的VOCs減排效益顯著［4］。以卡塔爾的工廠LDAR項技術應用效果為例，LDAR項目在的全面推廣應用保持了較低的泄漏率，有效地減少了約97%的VOCs無組織排放［5］。LDAR技術已成為目前國際控制VOCs無組織排放的最佳可行技術。

根據國家環保部《石化企業泄漏檢測與修復工作指南》相關要求，天然氣處理廠廠區內流經氣體／蒸汽、輕液、重液狀態下的VOCs所在設備、管道等均需建立LDAR組件臺賬。天然氣處理廠LDAR體系建設對象為脫油脫水裝置、甲醇回收裝置、罐區、壓縮機房涉及到VOCs的區域。天然氣處理廠VOCs檢測的泄漏閾值：氣體／蒸汽與輕液為2 000μmol／mol；重液為500μmol／mol。現階段我國泄漏檢測與修復技術尚處于探索階段，若不實施LDAR技術，按照全國各地區VOCs排污費收費標準中最低單價1.2元／當量計算，將來蘇里格氣田天然氣處理廠每年將繳納VOCs排污費954萬元。因此需開展VOCs泄漏檢測來核定天然氣處理廠VOCs的實際排放量，并通過建立LDAR技術管理體系對泄漏點進行控制。

2 LDAR技術管理體系建設

2.1 資料收集與工藝分析

裝置工藝分析的目的是查詢裝置涉及的全部物料屬性，依據“LDAR適用范圍判定原則”，對各工藝單元和設備管線及其物料進行審核和評估，初步確定LDAR項目的實施范圍。

2.2 圖紙分析與核對

圖紙分析與核對是在裝置工藝分析成果的基礎上，結合管線內物質相態的判斷，在工藝流程圖、管道儀表流程圖上將不同類型管道進行彩色標注、管線號標記，并對密封點數進行客觀預估。

2.3 排放源定位

在圖紙標記的基礎上通過掛Flag阻燃標記帶的方式，對納入LDAR項目的具體管線進行準確定位，并對在現場適用管線上的密封點進行拍照、Flag標記。即對納入LDAR項目范圍的管線，按照工藝流程方向，使用有編號的Flag標記帶進行標記，針對不同管線使用不同顏色標記，標記原則如表1所示，并記錄Flag號及其對應的所有信息（如管線號、管線內物質等），為建立排放源信息奠定基礎。

表1 排放源標記規范

2.4 組件掛牌、拍照與描述

將現場采集的每個Flag組件信息進行描述，并電子化，建立組件信息臺賬。信息臺賬包括組件類型、子類型、標簽號、尺寸大小、位置描述和其它信息等。并將這些信息導入到數據庫中，同時對每一類合規組件分配法規段。法規段中對各類組件的檢測方法、頻率、泄漏閾值、維修期限、最小檢測停留時間等進行了規定。檢測人員根據這些信息，迅速在現場找到檢測位置，并對相應的組件進行檢測。項目所用Tag牌示例、現場圖片建檔后示例見圖1。

圖1 項目所用Tag牌示例、現場圖片建檔后示例

2.5 確定檢測依據及LDAR技術泄漏量核算方法

2.5.1 檢測依據

結合天然氣處理廠生產工藝流程、設備設施等，對目前國內外現行的相關標準進行對比分析，最后確定《石化企業泄漏檢測與修復工作指南》《泄漏和敞開液面排放的揮發性有機物檢測技術導則》、QSH 0546—2012《石化裝置揮發性有機化合物泄漏檢測規范》及美國環保署（EPA）出臺的Met hod 21中規定的檢測方法適合蘇里格天然氣處理廠，并應用相對應的檢測方法實施檢測。

2.5.2 LDAR技術泄漏量核算方法

現階段，中國針對泄漏檢測與修復的泄漏量核算方法主要參考EPA公布的4種核算方法，對石化、化工裝置設備及管閥件的泄漏排放量估算主要方法有平均排放系數法、篩選范圍系數法、相關曲線方程法、特殊設備相關系數法［6-7］。不同方法適用范圍及優缺點對比見表2。

表2 不同方法適用范圍及優缺點對比

目前，相關曲線方程法是國外石化、化工行業常用的計算方法，并且也是環保部出臺的《石化行業泄漏檢測與修復工作指南》［8］所用的計算方法。

根據天然氣處理廠生產工藝流程、設備設施等生產實際，結合4種核算方法應用范圍，蘇里格氣田天然氣處理廠VOCs排放量實施LDAR技術后按平均排放系數法、相關曲線方程法進行綜合計算。

2.6 質量控制

為確保現場檢測過程的真實性及合規性，從“人、機、料、法、環”等要素進行綜合控制，尤其是控制其中的人員、設備等關鍵點［9-10］。

2.6.1 嚴格檢測人員檢測技能培訓

2.6.2 嚴格遵守操作規范

檢測人員現場檢測時，嚴格遵守操作規范，儀器使用之前，對儀器性能進行核查，以確保各項儀器性能指標滿足相應規定要求。每日現場檢測前和檢測結束后，均需對檢測儀器進行校準，確保當天檢測值有效。各類型組件檢測的滯留時間按照表3的規定執行。確保現場檢測過程符合規定。LDAR軟件系統正常運行后，應采用現場檢測數據采集軟件，進行任務下載及數據上傳工作，實現現場檢測數據電子記錄，以確保現場檢測數據真實有效。

表3 檢測探頭在待檢組件的最小停留時間參考

2.6.3 嚴格檢測設備選型

在天然氣處理廠裝置中的密封點被分為兩類：常規檢測點、難于檢測點（DT M）。

常規檢測點指檢測員能用便攜式VOCs分析儀檢測得到的密封點，使用檢測儀TVA-2020。它可實現檢測數據的實時采集和通過無線通訊直接上傳至LDAR項目管理系統平臺，還可協助控制檢測人員現場檢測操作的合規性，如：檢測時停留時間不足則檢測數據無效。

難于檢測點是指由于空間距離、隔離等物理因素或安全因素，難以或無法實施常規檢測的密封點，使用非常規檢測方法——目視檢查。

2.7 現場檢測

針對蘇里格氣田天然氣處理廠生產工藝流程、設備設施等，選擇出合適的檢測方法對脫油脫水裝置、甲醇回收裝置、罐區、壓縮機房等全面實施LDAR項目，共計檢測18 920個常規檢測點，84個非常規點位。根據國家環保部定義的泄漏閾值規定，首次檢測結果超過泄漏閾值的共有85個，泄漏率為0.45%，檢測值超過5 000μmol／mol有33個，見表4。

表4 密封點檢測值分布（按組件類型）

根據組件類型劃分，85個漏點中法蘭的泄漏率為61.2%，開口管線的泄漏率為22.4%，閥門的泄漏率為10.6%，連接件的泄漏率為5.9%。

市場環境的復雜性、多元化特征,使得對稻米品種與種植等方面的需求也呈現出新的發展趨勢,例如稻米種植地專用化趨勢、稻米品種多元化趨勢。使用傳統防治白葉枯、稻飛虱等病害的技術手段，已經難以滿足當前水稻生產的需求。此外，水稻種植中還出現了新的病原菌變異等情況,使得病蟲害防治對象也發生了變更。

2.8 建設LDAR泄漏管理數據庫平臺

2.8.1 LDAR項目組件統計

根據裝置Flag標記和掛Tag牌過程中建立的所有需檢測點的信息，按照組件類型差異、管線流經物料相態差異兩方面對全部裝置納入LDAR項目的19 004個檢測點進行了統計分析。

2.8.2 LDAR數據庫平臺

在完成項目裝置工藝分析、物料核對和分析、排放源定位、組件描述和定位的基礎上，形成了“裝置組件信息基礎臺賬”。該臺賬包含所有組件的基礎信息及其相關的基礎信息，如：組件類型、尺寸、對應工藝管線號、介質及其狀態、位置描述等。

同時建立了全面的、模塊化、可視化的VOCs排放控制數據管理平臺——蘇里格第*天然氣處理廠LDAR數據庫管理平臺。

該系統平臺能夠對組件信息、檢測信息、泄漏信息、修復信息和排放信息等進行高效管理，可實現以下功能：①通過采用工作計劃表的形式控制LDAR項目實施，確保每個組件可以及時檢測和維修；②根據LDAR實施的技術要求（如檢測頻率、泄漏濃度等），為維修人員制訂分階段推進的LDAR工作訂單，高效完成維修工作；③根據用戶自定需求，篩選、分析和導出所需的組件信息、檢測信息、維修信息、VOCs減排量的統計分析結果；④可定期導出用戶需要的報告并驗證其合規性。

3 檢測結果及分析

3.1 檢測結果分析

根據環保部出臺的《石化行業泄漏檢測與修復工作指南》的要求，若不實施LDAR項目，則企業上報VOCs排放清單時，需要用平均排放系數法統計組件數目后進行估算。經統計常規檢測點和DT M點位共計19 004個密封點的排放量，用平均排放系數法估算為67.194 t／a。由于蘇里格氣田實施了完整的LDAR項目，因此VOCs排放量按平均排放系數法、相關曲線方程法進行綜合計算，經LDAR數據庫平臺計算，2017年蘇里格氣田5座天然氣處理廠VOCs排放量為6.174 t，85個泄漏點的排放量為4.262 t／a，占總體排放量的69.03%。如表5所示。

表5 總排放量及泄漏點排放量計算結果統計

3.2 泄漏維修及效果評估

3.2.1 泄漏維修

“蘇里格氣田然氣處理廠LDAR項目數據庫管理平臺”根據《石化企業泄漏檢測與修復工作指南》《設備泄漏揮發性有機物排放控制技術規范》及《石油化學工業污染物排放標準》中有關“修復”的規定，自動計算并分配維修任務，將維修工作訂單（如圖2所示）交付給被檢單位，被檢單位維修后再進行復測，并將相應維修操作、復測和延遲修復的信息上傳系統平臺中，實現維修工作的電子化追蹤和管理。

圖2 維修工單示例

3.2.2 泄漏效果評估

維修人員主要采取更換機封、緊固螺栓、緊固填料壓蓋等方式對85個泄漏點進行維修，根據85個泄漏點修復后的復測值，計算出實施LDAR后2017年年排放量為4.982 t，減排量為1.192 t／a，泄漏組件維修效果明顯。2018年排放量為2.834 t，減排量2.148 t，詳見表6。

表6 排放量及預計減排量

3.3 經濟效益估算

根據地方環保局的物料衡算法，蘇里格氣田5座天然氣處理廠VOCs的排放量為7 550 t／a，若不實施完整的LDAR項目，統計19 004個密封點的排放量，用平均排放系數法估算排放量為67.194 t／a，由于蘇里格氣田實施了完整的LDAR管理體系，因此采用平均排放系數法、相關曲線方程法進行綜合計算排放量為6.174 t／a，維修泄漏點后2017年VOCs年排放量達到4.982 t，2017年減排量達到1.192 t。

若參考浙江、江蘇規定的VOCs排污收費政策，按照全國各地區21省市VOCs排污費收費標準中最低單價1.2元／當量計算，按環保局核算的排放量我廠每年將繳納VOCs排污費953.68萬元，實施LDAR后核算出的排放量，2017年排污費為0.63萬元，泄漏修復后節省排污費953.05萬元，如表7所示。

表7 經濟效益估算

4 結 論

蘇里格氣田通過對天然氣處理廠開展LDAR項目，實踐證明泄漏檢測與修復技術是控制企業無組織排放的有效方法。建立LDAR管理體系，對無組織排放VOCs總量減排、改善環境、安全生產、經濟效益等具有重要意義。

1）提升了環保管理合規性，降低了行政處罰風險。通過開展LDAR技術管理體系建設，完成了項目建立、現場檢測及泄漏修復評估等工作，遵循了《中國人民共和國大氣污染防治法》及地方環保部門關于VOCs的管理要求，提升了環保管理合規性，降低了行政處罰風險。同時為地方環保部門將來核定VOCs排污權，制定總量控制政策等提供技術、數據支撐。

2）建立了蘇里格氣田天然氣處理廠VOCs LDAR管理體系。通過應用LDAR技術對天然氣處理廠無組織排放氣體進行管理，建設了“LDAR數據庫管理平臺”。該平臺與地方環保部門銜接，并根據LDAR實施技術規范，智能化制定檢測工作計劃，實現對檢測、維修情況進行電子化跟蹤和管理，定期出具符合用戶需求的相關報告并驗證其合規性，可對檢測點進行長期高效管理，實現了對檢測點的閉環管理。

3）降低泄漏損失量，減少安全隱患，保護環境。VOCs大多是易燃易爆物，且很多都是致癌、致畸、致突變物質，VOCs泄漏會使工作場所產生有毒環境，爆炸環境，檢測并修復VOCs泄漏，降低了泄漏損失量，直接改善了崗位員工的工作環境，改善泄漏區域的空氣環境，減少了安全隱患，降低了爆炸風險，也保證了安全生產。