化工企業TVOC 網格化在線預警監測系統的建設方案

吳元本

摘要：大氣治理進入深水區，PM2.5 和臭氧成最大痛點，“臭氧不斷吞噬掉一些優良天數”。如何有效管控臭氧，打造綠色工廠，是當前石化企業大氣污染治理的一大難點。本文從 VOC 網格化監測方面提供大氣治理的管控思路和技術手段。

關鍵詞：TVOC 監測;化工廠區;網格化;大氣污染;預警監測

我國空氣質量整體延續了過去七年的改善勢頭，但幅度明顯減小，全國仍有一半以上的城市不能全面達到空氣質量標準的要求，主要污染物中，臭氧格外引人注目。自 2013 年發布臭氧數據以來，全國臭氧污染濃度水平一直處于上升趨勢。2019 年，全國 337 個城市的臭氧平均濃度同比漲幅 6.5%，其中珠三角、長三角、京津冀及周邊等重點區域的漲幅更為顯著，且年均濃度均超標。PM2.5 與臭氧的協同治理，需要依賴科技支撐優化減排路徑和措施組合，揮發性有機物（ VOCs）是大氣光化學過程的主要參與者，是對流層大氣 03 和二次有機氣溶膠生成的主要前體物[1]。在這樣的背景下，石化行業采用網格化監測系統成為行業 VOC 治理技術新的嘗試。本文主要對 TVOC 網格化監測預警系統建設方案進行概述， 對其布設原則和技術要求進行分析，從而提高預警效率，完善 TVOC 監測，從而改善環境質量。

空氣質量改善整體放緩，臭氧污染日益突出，“十四五”期間，要重視臭氧和細顆粒物（PM2.5）的協同治理，在進一步采取減排措施持續降低 PM2.5 濃度的同時，遏制臭氧污染上升趨勢。VOC 網格化監測系統，顧名思義，是將化工廠區劃定大氣污染防治管理網格，大范圍、高密度的布點，能實時了解污染來源， 客觀真實反映污染現狀，綜合分析污染原因。我國針對 TVOC 治理方面的力度沒有達到既定的水平，很多化工企業沒有設置相應的網格化 TVOC 監測系統，這就導致了很多監管部門和企業都無法及時對廠內 TVOC 排放情況進行分析，從而更為全面地監控污染物。因此，我們需要不斷強化網格化 TVOC 在化工廠區的監測。揮發性有機物（TVOC）網格化監測預警系統，可輔助化工企業相關部門切實提高大氣環境精細化管理水平的。

一、系統建設目標

實現“邊界”管控

通過在廠界四周圍墻安裝無組織環境空氣監測站及廠內各裝置區環境敏感點周邊安裝壁掛式 TVOC 微型站，可將影響環境空氣質量的大氣監測因子、TVOC 特征污染因子和惡臭氣體在 GIS 地圖上進行空間分布展示，通過疊加動態風場圖，自動分析識別異常點位，通過設置的告警規則，向指定人員發送報警信息，為后期治理提供數據支撐，實現“邊界”管控[2]。

實現“水平”管控

通過在上風向安裝水平掃描的 TVOC 預警激光雷達，可以有效覆蓋水平方向半徑為 6-8 公里范圍內 TVOC、PM10 和 PM2.5 濃度分布，結合 GIS 地圖， 可以有效確定監測區域內各廠區和裝置的 TVOC 泄露和排放情況，顆粒物水平污染分布情況等，基于 TVOC 預警雷達掃描監測數據，采用特定的算法，對雷達每一天的掃描或監測數據的進行迭代反演，凸顯高濃度污染分布，繪制 TVOC

污染分布圖，可以判斷 TVOC、PM10＼PM2.5 顆粒物排放規律和污染趨勢，為后期 TVOC 和顆粒物污染的管控和治理提供幫助[3]。

實現“立體”管控

通過在上風向和下風向兩個地方安裝垂直掃描 TVOC 預警激光雷達，垂直掃描半徑不小于 6 公里，掃描范圍 0-180 度，可以給出 TVOC、PM10 和 PM2.5 濃度的垂直“扇形“分布，同時結合風向和風速等氣象條件和氣態立體擴散模型， 有效判斷 VOC 和顆粒物的輸送路徑和情況，為突發污染事故提供數據和決策支持。

二、技術要求

氣溶膠預警激光雷達技術要求

運用激光作為發射器的空間遙感技術原理，對煉廠高空大氣環境 TVOC 載體的氣溶膠連續監測。在廠界上下風向布設 TVOC 預警激光雷達掃描系統，分別做水平方向和切面方向的掃描，水平掃描可監測廠界內污染物分布，追蹤污染物無組織排放（污染溯源），污染物擴散動態跟蹤的預警監測;切面掃描監測污染物的跨界傳輸、通量計算。最終得到大氣環境氣溶膠分布的立體結構，同時結合邊界站的網格化監測數據和雷達VOC 總量校準模塊對激光雷達探測的數據進行標定，通過軟件和模型的反演得到準確的 TVOC、PM10 和 PM2.5 的濃度水平，最后把雷達影像、泄漏點熱成像、現場照片和監測數據整合到軟件上，實現特征污染物 TVOC 的溯源和預警。

壁掛式 TVOC 微型站技術要求

利用壁掛式TVOC 微型站連續 24 小時進行環境監測，監測指標包括 TVOC、臭氣濃度和強度、風向風速。建立 TVOC 惡臭網格化監測系統，將廠區劃分為若干網格，對每個網格進行惡臭 OU 值、TVOC 進行在線監測。當監測數據異常時，系統會自動觸發報警，在監測平臺顯示報警信息，并將報警信息同時發送到相關負責人手機端，結合廠內空氣站數據對污染來源做出初步定位，與廠內環境監測車聯動進行現場定性定量分析，實現環境風險及時預警，避免污染事件的發展與擴大。系統可監測到廠區內部污染物的產生，并結合局地氣象擴散條件分析污染物遷移情況，實現污染物來源分析。

廠界無組織在線監測站技術要求

廠界環境監控點 4 個（選定 16 項監測因子，非甲烷總烴、苯、甲苯、二甲苯、硫化氫、氨、環氧乙烷、乙二醇、甲醇、醋酸乙烯、苯乙烯、丙酮、NOX、O3、TSP、PM2.5）、風向、風速、溫度、濕度、氣壓等五參數;數據采樣和傳輸設備用于采集、處理和存儲監測數據，并能按中心計算機指令傳輸監測數據和設備工作狀態信息，應包括但不限于子站數據采集系統和中心站數據管理軟件 等。

三、布點原則

根據 HJ664-2013《環境空氣質量監測點位布設技術規范》要求，結合廠區內的裝置平面布置、地區常年主導風向，采取符合標準、便于安裝的原則，同時考慮各裝置各單元進出物料性質及易泄漏點進行加密布設，形成兼顧全廠的網格化監測網絡，最后由公司各部門會商確定點位選擇，有條件可以聯合設計院進行設計布點。

雷達安裝地點選擇

氣溶膠激光預警雷達安裝 2 套，1 套放在綜合樓頂，配置紅外熱成像，1 套放在污水廠管理用房房頂，形成對角線位置，以周邊 100 米距離無明顯遮擋物為原則。

壁掛式 TVOC 微型站安裝地點選擇

了解本地區常年主導風向，大致估計出污染物的可能擴散概況;設置于平均風向軸線兩側，監控點與無組織排放源所形成的夾角不能超出風向變化的標準偏差;各采樣點的設置條件要盡可能一致或標準化，使獲得的監測數據具有可比性。盛虹煉化壁掛式防爆型微型站根據廠區大小布設 37 套 TVOC 微型站，儀表箱距離地面 1.5 米，設置立柱或依托周邊附屬物。

廠界環境空氣無組織監測站房地點選擇

站房的配置應滿足《環境空氣氣態污染物（SO2、NO2、O3、CO）連續自動監測系統安裝驗收技術規范》HJ193-2013 及修改單、《環境空氣顆粒物（PM10 和 PM2.5）連續自動監測系統安裝和驗收技術規范》HJ655-2013 及修改單的相關要求。站房的尺寸、機柜、機架、配電設施、通訊接口等，除滿足本項目分析儀器布置之外，應有冗余配置。盛虹煉化無組織排放監測站 1 位于西廠界、 2 位于南廠界、3 位于東廠界、 4 位于北廠界，分別放置在廠區四個方向圍墻旁。儀表樣式及廠區平面布點圖如下：

四、通信管理

所有 37 套微型站通過無線網絡（5G）實現數據互連;2 套雷達利用光纖進行數據互連，廠界 4 套無組織在線監測站房利用光纖實現數據互連并且按照法規要求將監測數據時時上傳地方環保部門。各類信號接線箱防爆級別不得低于工藝設計的防爆電器級別，信號輸出電纜按照 HG/T 20512《儀表配管配線設計規定》選用（表 5），信號電纜走線采用獨用的信號電纜橋架和匯線槽鋪設，如果有本安信號電纜，需采用單獨的匯線槽，不能與其他信號線一起鋪設，這樣就避免或減少了不同電平信號對它的干擾[4]。通過公司建設的 TVOC 在線監測預警管控平臺， 將廠區范圍內所有的環境空氣質量監測數據整合在一起，時時顯示污染物監測數據，展示所有實時數據、表格、圖表、報告和分類等信息。

公司建設有智能化工廠管控平臺以及HSE 信息化管理平臺，兩個平臺都可以抓取 TVOC 網格化監控系統的監測數據，供管理人員查看，并且根據軟件強大的信息處理能力，及時研判變化趨勢，告知企業管理人員采取相應的措施，及時處理可能發生的異常排污及預判環境風險。

五、可實現的效果及達到的目的

通過氣溶膠雷達（含紅外熱成像）及壁掛式 TVOC 微型站（含臭氣檢測器）、廠界無組織監測站組合使用，能夠及時發現化工廠現場廢氣泄漏情況;

及時發現和判定TVOC 及臭氣超標是由企業內部裝置泄露導致還是化工園區其他企業飄進來的污染物導致;

氣溶膠雷達及紅外熱成像儀可作為 LDAR 的輔助手段，對泄漏量較大的點位及時發現，及時治理;

硬件設施與軟件設施相互配合，精準且全面的展示各裝置現場各監測點位的設備運行狀態及每個監測點位的監測數值;

在地方環保局及其他政府部門檢查時，進行數據集中展示，為實現綠色工廠謀劃布局。

六、環境精細化管理

網格化環境空氣監測系統能全面掌握化工企業廠區內污染物的排放情況，為企業環保部門實現對廠區內外污染區域精細化管控和監督提供依據。還能夠掌握污染區域的污染物實時濃度及變化趨勢，對石化廠區污染物排放科學控制，快速捕捉廠區內污染異常排放行為，實時預警，提升企業環保部門的監管能力加油助力。

結束語：

綜上所述，日益復雜的大氣污染狀況正在對傳統的大氣污染源監測方式提出挑戰，當前實施的環境空氣國控點監測系統監測點位數量有限、成本高昂，以點代面的方法導致時效性不足，達不到精細化管控的目標，且無法實現對監測體系中時空動態趨勢分析、污染減排評估、污染來源追蹤、環境預警預報等能力的深度挖掘。網格化的監測體系可在區域內全覆蓋，實現高時空分辨率的大氣污染監測，結合信息化大數據的應用實現污染來源追蹤、預警預報等功能，為環境污染防控提供更為及時有效的決策支持，讓人類和社會都得以持續健康綠色發展。

參考文獻：

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