呂燕君

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

石油化工企業(yè)生產(chǎn)過程中涉及到的化學(xué)品種類繁多，這些化學(xué)品的排放或泄漏可能對周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。而企業(yè)在泄漏和排放監(jiān)管方面，監(jiān)督常常止于廠際邊界控制，難以準(zhǔn)確追溯和判定發(fā)生泄漏的具體裝置，更難以做到提前判斷；在環(huán)保事故處理方面，缺乏準(zhǔn)確和量化的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，難以準(zhǔn)確判斷因泄漏引起的危害程度和受影響的區(qū)域范圍。

因此，為加強排放溯源和安全應(yīng)急能力，中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)借助信息技術(shù)開展環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用工作。在日常生產(chǎn)情況下，通過環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)監(jiān)測空氣中的排放物，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和計算后，幫助環(huán)保管理人員對超標(biāo)排放物進(jìn)行溯源，判定排放超標(biāo)的原因。當(dāng)遇到泄漏事故時，應(yīng)用環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)快速分析確定泄漏源位置和泄漏影響區(qū)域，并在地圖上直觀展示，幫助應(yīng)急指揮人員對事故的影響范圍和程度做出清晰判斷，提高企業(yè)在環(huán)保控制、應(yīng)急響應(yīng)、應(yīng)急救援及應(yīng)急指揮方面的準(zhǔn)確性和時效性。

1 功能實現(xiàn)

建立上海石化環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)，通過自動采集有毒有害氣體、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等的實時傳感器數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)，采用“羽流”模型計算技術(shù)，實現(xiàn)排放物溯源，對全公司VOCs、氮氧化物進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測和追溯，快速定位到裝置，并提供實時應(yīng)急響應(yīng)解決方案，為應(yīng)急演練提供模擬信息平臺，提升企業(yè)在環(huán)境保護(hù)方面的管理水平和應(yīng)急響應(yīng)能力。

1.1 基礎(chǔ)地圖支撐應(yīng)用

以地理信息系統(tǒng)(GIS)地圖作為環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示平臺的背景，提供地理應(yīng)用的基本功能，包括放大、縮小、漫游、全圖、鷹眼、清除、打印、數(shù)據(jù)等，并在側(cè)邊欄提供功能應(yīng)用模塊以及數(shù)據(jù)篩選等功能。

1.2 環(huán)保數(shù)據(jù)實時展示

在地圖上展示廠區(qū)全貌，標(biāo)識出各個傳感器所處位置和采樣數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全公司范圍內(nèi)各裝置傳感器及環(huán)境監(jiān)測站分析儀的實時展示。用戶分為公司級、部門級、裝置級，在授權(quán)范圍內(nèi)瀏覽傳感器采樣點詳細(xì)數(shù)據(jù)，包括裝置名稱、設(shè)備位號、物料名稱、濃度、限值、時間、經(jīng)緯度、以及濃度趨勢展示等。

1.3 環(huán)保數(shù)據(jù)限值報警

將傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)與用戶預(yù)先設(shè)定在系統(tǒng)中的限值相比較，如果超出限值范圍，則在地圖上發(fā)出報警信息，實現(xiàn)對每個傳感器的實時限值報警。當(dāng)某采樣點數(shù)據(jù)超限時，系統(tǒng)推送報警事件展示到地圖相應(yīng)位置上，實現(xiàn)報警閃爍，同時可查看該點的報警統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括實時報警信息以及歷史報警列表信息，還可以從事業(yè)部層級進(jìn)行報警統(tǒng)計，顯示各事業(yè)部的傳感器報警統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1.4 有害氣體泄漏溯源

如果某采樣點觸發(fā)限值報警，系統(tǒng)基于風(fēng)力模型查找附近區(qū)域其他傳感器數(shù)據(jù)，在具備至少兩組有效的傳感器數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，計算出泄漏點位置，現(xiàn)場人員據(jù)此精確查找并確認(rèn)泄漏點位置，并進(jìn)一步進(jìn)行擴(kuò)散分析。

如果在報警點附近沒有匹配的其他傳感器數(shù)據(jù)，缺少計算所需的兩個傳感器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)則計算出擬檢測點位置，將信息發(fā)送至移動救援車。移動救援車按要求達(dá)到指定位置開展檢測并上傳實時數(shù)據(jù)，再由系統(tǒng)計算出泄漏點位置。

1.5 環(huán)保事件應(yīng)急預(yù)案

針對關(guān)鍵裝置重點部位，在系統(tǒng)中創(chuàng)建應(yīng)急事故模型，形成不同類型化學(xué)物質(zhì)泄漏情況下的應(yīng)急預(yù)案，模擬展示泄漏點、泄漏濃度、結(jié)合實際氣象條件計算泄漏擴(kuò)散路徑。預(yù)案可以分不同類型保存并隨時進(jìn)行歷史回看，輔助生產(chǎn)安全管理部門制定應(yīng)急預(yù)案，組織應(yīng)急演練。

預(yù)案配置主要包括：氣體名稱、泄漏類型(擴(kuò)散、噴射、燃燒等)、泄漏量(速率/質(zhì)量/體積)、泄漏時間(相對時間或絕對時間)、泄漏地點(地圖上定位)。

1.6 報警消息及時推送

環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)與企業(yè)移動通訊代理服務(wù)器建立短信網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序接口(API)，實現(xiàn)報警信息的及時推送，按照用戶預(yù)先設(shè)置的規(guī)則定制生成信息內(nèi)容和推送范圍，自動將報警信息通知到相關(guān)生產(chǎn)安全管理人員。

2 關(guān)鍵技術(shù)

采用SAFER Real-Time軟件，建立環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)，應(yīng)用“羽流”模型計算技術(shù)，利用實時氣象及傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在地理信息系統(tǒng)以及實際的地形信息界面上準(zhǔn)確展示事故的發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括高級反算、反軌跡模型和化學(xué)品數(shù)據(jù)庫。

2.1 高級反算

高級反算(advanced back calculation，ABC)是用于計算化學(xué)品泄漏率的專利算法，基于拉格朗日模型(Lagrangian Integrated Puff Model)。環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)綜合實時氣象數(shù)據(jù)及氣體傳感器數(shù)據(jù)，計算化學(xué)品的泄漏率，通過衡量擴(kuò)散時間計算出對下風(fēng)向區(qū)域的影響程度，生成羽流圖，從而對事故對泄漏區(qū)域及周邊社區(qū)的影響做出評估。

環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)讀取多個處于不同位置的傳感器數(shù)據(jù)，在2 h預(yù)測窗口內(nèi)，持續(xù)采集并使用特定氣象數(shù)據(jù)下實際時間點的氣體濃度數(shù)據(jù)，使用氣體濃度值判斷事故影響程度及范圍。在事故發(fā)生過程中，氣象條件以及傳感器讀取的數(shù)據(jù)會不斷產(chǎn)生變化，高級反算能夠讀取并綜合使用所有變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新計算，持續(xù)不斷地預(yù)測下風(fēng)向的影響情況。

2.2 反軌跡模型

類似于高級反算(ABC)，使用氣體和氣象數(shù)據(jù)推算出“羽流”前進(jìn)的路徑，泄漏源定位采用反軌跡模型來計算反向軌跡，使用氣象數(shù)據(jù)以及兩個以上的泄漏化學(xué)品氣體的濃度數(shù)據(jù)，調(diào)用高斯(Gaussian)模型計算所測點的濃度，從而定位出最有可能的泄漏源。其計算結(jié)果不僅可以用于確定排放源位置，并結(jié)合該位置附近的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝等因素進(jìn)行分析，最終確定排放的原因，而且可以在發(fā)生緊急情況時，幫助應(yīng)急指揮人員確定最佳的疏散路線，選擇合適的避難場所，科學(xué)調(diào)配救災(zāi)資源，以及確定泄露事故的責(zé)任歸屬。

2.3 化學(xué)品數(shù)據(jù)庫

環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)的SAFER Real-Time軟件包含普通化學(xué)品庫，是模型計算所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，可以選擇已有的化學(xué)品或者創(chuàng)建新的單組分化學(xué)品和定義多組分液態(tài)及氣態(tài)化學(xué)品。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)源采集

環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)重點是對全公司VOCs、氮氧化物進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測和追溯，模型計算需要收集的數(shù)據(jù)源主要從固定氣體監(jiān)測儀、環(huán)境監(jiān)測站、氣象站、移動救援車、日常巡檢儀等設(shè)備獲取，危險化學(xué)品數(shù)據(jù)包括可燃?xì)怏w、硫化氫、苯、CO、氫氣、氧氣、氨氣、NO、NO2、SO2、Cl2及其他有毒有害氣體，氣象數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、太陽輻射等。固定傳感器數(shù)據(jù)原則上就近接入裝置分布式控制系統(tǒng)(DCS)，集中經(jīng)PHD實時數(shù)據(jù)庫傳送至環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸接口主要有：

環(huán)境監(jiān)測站數(shù)據(jù)傳輸。從上海石化環(huán)境監(jiān)測站獲取H2S-SO2分析儀、NH3-NO-NO2-NOx分析儀、高沸點有機(jī)物GC-FID分析儀、低沸點有機(jī)物GC-FID分析儀、有機(jī)硫化合物GC-FID分析儀的分析數(shù)據(jù)，從氣象分析儀獲取風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度數(shù)據(jù)，從太陽輻射儀獲取太陽光輻射度數(shù)據(jù)；

固定氣體傳感器數(shù)據(jù)傳輸。上海石化現(xiàn)有固定式傳感器數(shù)據(jù)約3 700個，傳感器數(shù)據(jù)從裝置DCS傳輸?shù)絇HD實時數(shù)據(jù)庫，經(jīng)OPC Server供環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)讀取有毒有害、可燃?xì)怏w的數(shù)據(jù)，讀取方式為OPC Client主動讀取，刷新間隔為30 s；

移動氣體傳感器數(shù)據(jù)傳輸。上海石化移動氣體傳感器配置了PID/LEL/H2S/CO/O2探頭，通過中繼器RAELINK3實現(xiàn)移動檢測聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)直接傳送到環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)；

移動救援車數(shù)據(jù)傳輸。移動氣體傳感器直接與環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)集成，與SAFER Real-Time軟件自動對接數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場靈活布點監(jiān)控。在日常使用中，在已追溯到的排放源附近部署移動氣體傳感器，通過獲取更多的監(jiān)測點數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高溯源計算結(jié)果的精準(zhǔn)度。

3.2 計算結(jié)果展示

根據(jù)上海石化的地理位置，GIS數(shù)據(jù)覆蓋以北緯N29°55′58.50″、東經(jīng)E121°57′20.19″為中心，半徑為10 km的地理范圍。環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)以地圖為WEB頁面展示背景，通過采集移動及固定傳感器地理位置數(shù)據(jù)和氣體樣本數(shù)據(jù)，實時展示現(xiàn)場所有傳感器的物理分布情況，并展示環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)的計算結(jié)果，包括數(shù)據(jù)列表方式和地理圖形方式。

4 典型應(yīng)用

4.1 應(yīng)對環(huán)保指標(biāo)超限，快速溯源定位泄漏

當(dāng)發(fā)現(xiàn)有環(huán)保數(shù)據(jù)超標(biāo)報警時，應(yīng)用環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)的溯源功能，可以快速定位泄漏源所在裝置，為防止環(huán)保事故和減少事故影響爭取寶貴的整治時間。上海石化安全環(huán)保部建立溯源小組，借助環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)作為技術(shù)手段，開展廠界異味管理和現(xiàn)場溯源管理。如衛(wèi)二路廠界附近曾發(fā)生苯系物偏高事件，當(dāng)時檢測到甲苯超標(biāo)報警，安全環(huán)保部使用環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定源頭是位于衛(wèi)二路廠界外北側(cè)的某塑料制品公司煙囪在15 m高處排放苯系物，系統(tǒng)分析結(jié)果為快速查處環(huán)保事件提供了準(zhǔn)確依據(jù)。

4.2 模擬氣體泄漏影響，研究制定應(yīng)急預(yù)案

環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)能在幾十秒到幾分鐘內(nèi)得出計算結(jié)果，形成有關(guān)有毒氣體當(dāng)前及后續(xù)影響的預(yù)測報告，為有效評估風(fēng)險、制定計劃、部署資源和做出正確決定提供所需信息。上海石化生產(chǎn)部結(jié)合實際情況，應(yīng)用環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)的預(yù)案管理功能，研究定制多種應(yīng)急預(yù)案，用于化學(xué)品泄漏的應(yīng)急預(yù)案模擬。

4.3 通過屏幕全局指揮，理性規(guī)避救援風(fēng)險

環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)能自動采集并分析傳感器有關(guān)泄漏物質(zhì)濃度、所在位置、天氣等信息，基于實時反饋的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行羽流擴(kuò)散方向和濃度的準(zhǔn)確計算，羽流大小和形狀能夠從時間和空間上清晰地展示事故當(dāng)前及未來2 h內(nèi)的預(yù)計影響。

萬一發(fā)生化學(xué)品泄漏緊急事故，環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)能提供氣體泄漏的即時和預(yù)估信息，在緊急情況時可通過上海石化應(yīng)急指揮中心大屏幕將救援指揮從現(xiàn)場移至安全區(qū)域，做到縱觀全局，運籌帷幄，幫助救援人員在最新的事態(tài)發(fā)展和資源條件下，決定采取最合理的應(yīng)急和營救措施，保障員工、周邊社區(qū)和財產(chǎn)安全。

5 結(jié)語

上海石化環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)通過自動采集有毒有害氣體的實時傳感器數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)，采用“羽流”模型計算技術(shù)，實現(xiàn)了對有害氣體排放的溯源，可以對VOCs、氮氧化物進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測，快速定位泄漏源，并提供應(yīng)急響應(yīng)解決方案，提升石化企業(yè)環(huán)保管理水平和應(yīng)急指揮能力。隨著實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的升級和移動檢測設(shè)備的更新，環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源接口需要及時進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保持測算所需的數(shù)據(jù)源自動傳輸。通過加強信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和集成應(yīng)用，不僅可以減少手工輸入現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)和全球定位系統(tǒng)(GPS)信息的工作量，提高測算工作效率，而且可確保傳感器數(shù)據(jù)和氣象環(huán)境數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確性、完整性和及時性，避免因數(shù)據(jù)源不足或存在時間差而導(dǎo)致溯源定位或預(yù)測影響不準(zhǔn)確，從而進(jìn)一步提升環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)的應(yīng)用效果。