LDAR技术在油气装置上的应用

朱机灵

(中国石化 中原油田分公司天然气处理厂，河南 濮阳 457162)

挥发性有机物(VOCs)是大气光化学反应的重要前体，可能对空气中臭氧、二次有机气溶胶和雾霾的生成有一定的贡献。VOCs主要源于工业排放，其中石化行业排放占据重要地位。石化行业VOCs排放主要来自设备密封泄漏、原油及产品储罐的呼吸等12类排放源，绝大部分为无组织排放，其中设备密封点泄漏占VOCs排放总量的比例超过 25%，是最主要的排放源之一，其最佳实用控制技术是泄漏检测与修复(LDAR)[1]。

1 LDAR概述

LDAR是指对工业生产全过程物料泄漏进行控制的系统工程。该技术采用固定或移动检测仪器，定量或定性检测生产装置中易产生VOCs泄漏的密封点(包括阀门、法兰和连接件等)，并在一定期限内采取有效措施修复超过一定浓度的泄漏点，从而控制物料泄漏损失，减少对环境造成的污染，达到减少污染物排放、改善周边环境、提高装置运行安全稳定的目的。

LDAR技术在石油炼制和化工行业得到了普通应用，环保部门也把LDAR应用情况作为一项重要监管内容，加大了对企业的检查和考核力度。近两年逐步推广到煤化工行业，但是还没有见到应用于天然气处理行业的报道。根据《石化行业挥发性有机物综合整治方案》(环发【2014】177号)要求，以天然气为原料生产有机化合物的企业也在监管范围，详细产品目录可以参与《石油化工工业污染物排放标准》(GB31571-2015)中附录A相关内容。

2 LDAR应用的必要性

中原油田的天然气以石油伴生气为主，溶解在原油中的天然气伴随着原油开采而分离出来，含有丰富的乙烷、丙烷、丁烷，还有部分戊烷以上组分。为了满足管输要求，同时回收轻烃提高效益，中原油田天然气处理厂建有天然气处理装置和轻烃深加工装置(以下合称油气装置)。油气装置对伴生气进行处理，脱除天然气中的水分和轻烃，并对轻烃进行精分离，主要产品有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、正己烷及其他烷烃类产品。根据VOCs定义，这些产品都是挥发性有机化合物，在大气中能发生光化学反应，破坏环境和健康。为了降低装置的无组织排放，减少产品损失、保护环境，有必要在油气装置上推广应用LDAR技术，发现泄漏点并及时进行修复，同时也能提高了装置的安全水平。

3 项目建立

根据《石化企业泄漏检测与修复工作指南》相关要求，LDAR主要分为项目建立、现场检测及泄漏修复三个部分，并最后出具检测报告。中石化炼化企业LDAR项目使用的是石化盈科管理平台，建立了密封点数据库标准。天然气处理厂作为石化内部企业，为了保证LDAR项目的统一标准，便于今后管理，计划在中石化LDAR相关标准的基础上建立具有单位特色的LDAR管理体系。

项目建立前要进行前期准备工作，包括人员准备、资料准备及材料准备，其中资料收集是比较繁琐的工作，主要有P&ID(管道仪表流程图)、PFD(工艺流程图)、物料平衡表及MSDS(化学品安全说明书)等内容。项目建立主要指建立密封点基础数据库和组件标识，必要时要建立密封点基础数据库管理平台。以下以轻烃深加工装置为例进行说明，该装置的轻烃加工能力为2.5万t/a。

3.1 建立基础数据库

严格意义上说，甲烷属于VOCs的范围。但由于甲烷的光化学活性很弱，可忽略不计，美国EPA规定VOCs不包括甲烷[2]。但甲烷具有易燃易爆的特性，甲烷泄漏会产生较大的安全隐患。通过对油气装置进行分析，从安全管理和环境保护的角度考虑，对涉及天然气和烷烃的工艺管线进行识别，把天然气和烷烃都纳入LDAR范围。经统计，轻烃深加工装置有10 664个密封点，其中动密封点2 192个，静密封点8 472个。

在进行密封点数据库建档过程中，各企业普遍采用了“工艺流程法”，即结合PFD图对涉及VOCs的密封点进行统计，按物料流向进行组件划分和密封点建档工作。这样在LDAR检测过程中，就存在以下难题：检测人员由于不熟悉生产工艺，很难准确找到密封点；工艺流程上密封点在不同楼层或区域，检测过程需在不同楼层检测，检测工作量较大。为此，天然气处理厂采取了“区域化”建档法，首先确定涉及VOCs的管线，然后再到现场进行区域划分，可以按楼层划分，也可以按设备划分，不但提高了建档效果，还提高了检测效率。

3.2 组件标识

对于大型装置来说，密封点较多，定位较困难。为了便于管理，一般将有规律分布的管阀件作为一个组合，简称组件，组件上面集合了许多密封点。这样，在实际工作中，只要找相应的组件，就能找到所要检测的密封点。对于组件管理，有三种方法：挂牌法、P&ID标示法和图片标示法。常用是图片标示法。在现场对组件进行拍照，在图片上完成密封点的标示，比较直观、形象，很容易在装置现场找到相应组件和密封点的位置。对组件图片进行标示管理，中石化还没有相应标准和规范，各炼化企业各有侧重、各有特点，有时同一企业各个车间就有不同的标识方法。为了便于管理，天然气处理厂制定了标准模式，对图片大小(如1.6 cm×10 cm)、文本框大小(如1 cm×0.8 cm)、标注位置、组件信息框及最大标注数量(如30个)等都做了详细规定，可以在PPT中很方便绘制密封点位置。

3.3 建立管理平台

企业可以自建LDAR管理平台，也可从市场上购置合适的管理平台。天然气处理厂根据单位实际，自建了一套管理系统，分为PC端和移动端。PC端实现了数据库管理、计划下达、图片标示管理及数据管理等功能；移动端实现了区域化划分、图示按键检测及无线数据传输等功能。在检测过程中，密封点找点定位是个难题，在天然气处理厂自建的LDAR管理平台中，把装置划分成若干区域，每个区域对应着现场装置图片，图片上标注有组件分布信息，点击组件编号就能调入相应组件图片，可以很方便找到密封点。防爆PDA上安装自研的检测APP，能与VOCs检测仪进行蓝牙连接，实现检测数据的无线传输和自动记录，检测人员不再手动记录数据，大大减少了工作量。

4 泄漏检测

4.1 检测标准

天然气处理厂在LDAR检测过程中主要是参考《泄漏和敞开液面排放的挥发性有机物检测技术导则》(HJ733-2014)、《挥发性有机物无组织排放控制标准》(GB37822-2019)和《石化企业泄漏检测与修复工作指南》，利用便携式氢离子(FID)VOCs检测仪进行检测。其中动密封点每季度检测一次，静密封点每半年检测一次。由于所涉及介质是气体和轻烃，考虑到濮阳是“2+26”城市之一，为了保护环境，将泄漏标准定义为2 000 μmol/mol。以下以轻烃深加工装置为例对检测数据进行统计和分析，找到密封点泄漏的发生规律，便于指导泄漏修复和现场管理工作。

4.2 检测结果

轻烃深加工装置投产近20年，未进行过LDAR检测工作，只有在员工巡检发现大泄漏时才对泄漏点及时处理，不能发现微泄漏，不能及时掌握密封点泄漏趋势和规律。2019年，组织员工对装置进行了首轮检测，检测过程执行相关国家标准和行业标准，所用仪器是美国LDARtools公司生产的Phx21型便捷式VOCs检测仪。检测结果见表1。

表1 轻烃深加工装置LDAR检测统计表

从表1可以看出，泄漏率最高的是阀门，泄漏率为3.48%，其次是开口管线，泄漏率是2.94%；泄漏点最少的是屏蔽泵，泄漏率为0。说明在设备巡检过程中，还没有对阀门和开口管线给予重视，只有发生较大泄漏时才能及时发现。密封点发生较大泄漏时，既污染了环境，也有较大的安全隐患。

5 排放估算

5.1 排放量核算标准

根据国家环保部《石化行业污染源排查工作指南》相关规定，企业可根据自身LDAR开展工作，选择核算方法。排放量核算结果的准确度从高到低排序为：实测法、相关方程法、筛选范围法、平均排放系数法。实测法是对于采用包袋法和大体积采样法进行实测的密封点，可根据实测情况确定该密封点的排放速率，但工作量较大，人力和物力消耗较多，成本较高。对于开展LDAR的企业，常用的排放量核算法是相关方程法，具体见下面公式。

式中：eTOC密封点的TOC(总有机碳)排放速率，kg/h；SV修正后净检测值，μmol/mol；e0密封点i的默认零值排放速率，kg/h；ep密封点i的限定排放速率，kg/h；ef密封点i的相关方程核算排放速率，kg/h。

相关方程式法规定了默认零值排放速率、限定排放速率和相关方法。密封点净检测值为0时，密封点也会有极小泄漏量，即为零值排放速率；当密封点的净检测值大于0且小于1时，把零值排放速率默认为该密封点的排放速率，即默认零值排放速率。当净检测值≥50 000 μmol/mol，用限定排放速率作为该密封点的排放速率；净检测值在两者之间，用相关方程计算该点的排放速率，相关计算见表2。由于油气装置的实际情况接近于石油炼制行业，表2中的相关数值采用了石油炼制的泄漏率。

表2 石油炼制设备组件的设备泄漏率a

注：a，美国环保署，1995b报告的数据。b，SV是检测设备测得的净检测值(μmol/mol)。

5.2 排放量计算

根据LDAR检测的实际数据，利用表2的默认零值排放速率、限定排放速率及相关方程计算，得到物料的排放数据为7 086 kg/a。轻烃装置全年的VOCs排放量不高，密封点泄漏量不大，说明企业整体安全环保水平处于较高水平。

6 泄漏修复

LDAR检测发现泄漏后，要求首次维修不得迟于自发现泄漏之日起5日内。首次维修未修复的泄漏点，应在自发现泄漏之日起15日内进行实质性维修；若还无法进行修复，且符合延迟修复条件，应在下次停工检修结束前完成修复。天然气处理厂在完成LDAR检测后，及时对泄漏密封点进行了修复和复测，泄漏点的检测值大大降低，大多数低于2 000 μmol/mol的泄漏标准，甚至泄漏达到了零值，即保持了环境，也消除了安全隐患，达到了安全和环保双提升、双促进。

7 结论

LDAR技术在油气装置的成功应用，降低了VOCs的排放，还能提前发现较大泄漏点，及时消除安全隐患。特别是在LDAR研究应用过程中，采用了“区域化”密封点建档和图片标示标准化模板，并借助自研的LDAR检测软件(包括PC端和检测APP)，方便了检测人员进行密封点的现场定位工作，并实现了检测数据的无线传输，大大提高工作效率，降低了劳动强度。