环保溯源辅助决策系统在石化企业的应用

吕燕君

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

石油化工企业生产过程中涉及到的化学品种类繁多，这些化学品的排放或泄漏可能对周边环境产生严重的影响。而企业在泄漏和排放监管方面，监督常常止于厂际边界控制，难以准确追溯和判定发生泄漏的具体装置，更难以做到提前判断；在环保事故处理方面，缺乏准确和量化的关键数据，难以准确判断因泄漏引起的危害程度和受影响的区域范围。

因此，为加强排放溯源和安全应急能力，中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)借助信息技术开展环保溯源辅助决策系统的建设和应用工作。在日常生产情况下，通过环保溯源辅助决策系统监测空气中的排放物，经过数据分析和计算后，帮助环保管理人员对超标排放物进行溯源，判定排放超标的原因。当遇到泄漏事故时，应用环保溯源辅助决策系统快速分析确定泄漏源位置和泄漏影响区域，并在地图上直观展示，帮助应急指挥人员对事故的影响范围和程度做出清晰判断，提高企业在环保控制、应急响应、应急救援及应急指挥方面的准确性和时效性。

1 功能实现

建立上海石化环保溯源辅助决策系统，通过自动采集有毒有害气体、挥发性有机物(VOCs)等的实时传感器数据及气象数据，采用“羽流”模型计算技术，实现排放物溯源，对全公司VOCs、氮氧化物进行严密监测和追溯，快速定位到装置，并提供实时应急响应解决方案，为应急演练提供模拟信息平台，提升企业在环境保护方面的管理水平和应急响应能力。

1.1 基础地图支撑应用

以地理信息系统(GIS)地图作为环保溯源辅助决策系统数据展示平台的背景，提供地理应用的基本功能，包括放大、缩小、漫游、全图、鹰眼、清除、打印、数据等，并在侧边栏提供功能应用模块以及数据筛选等功能。

1.2 环保数据实时展示

在地图上展示厂区全貌，标识出各个传感器所处位置和采样数据，实现全公司范围内各装置传感器及环境监测站分析仪的实时展示。用户分为公司级、部门级、装置级，在授权范围内浏览传感器采样点详细数据，包括装置名称、设备位号、物料名称、浓度、限值、时间、经纬度、以及浓度趋势展示等。

1.3 环保数据限值报警

将传感器采集到的实时数据与用户预先设定在系统中的限值相比较，如果超出限值范围，则在地图上发出报警信息，实现对每个传感器的实时限值报警。当某采样点数据超限时，系统推送报警事件展示到地图相应位置上，实现报警闪烁，同时可查看该点的报警统计数据，包括实时报警信息以及历史报警列表信息，还可以从事业部层级进行报警统计，显示各事业部的传感器报警统计数据。

1.4 有害气体泄漏溯源

如果某采样点触发限值报警，系统基于风力模型查找附近区域其他传感器数据，在具备至少两组有效的传感器数据基础上，计算出泄漏点位置，现场人员据此精确查找并确认泄漏点位置，并进一步进行扩散分析。

如果在报警点附近没有匹配的其他传感器数据，缺少计算所需的两个传感器数据，系统则计算出拟检测点位置，将信息发送至移动救援车。移动救援车按要求达到指定位置开展检测并上传实时数据，再由系统计算出泄漏点位置。

1.5 环保事件应急预案

针对关键装置重点部位，在系统中创建应急事故模型，形成不同类型化学物质泄漏情况下的应急预案，模拟展示泄漏点、泄漏浓度、结合实际气象条件计算泄漏扩散路径。预案可以分不同类型保存并随时进行历史回看，辅助生产安全管理部门制定应急预案，组织应急演练。

预案配置主要包括：气体名称、泄漏类型(扩散、喷射、燃烧等)、泄漏量(速率/质量/体积)、泄漏时间(相对时间或绝对时间)、泄漏地点(地图上定位)。

1.6 报警消息及时推送

环保溯源辅助决策系统与企业移动通讯代理服务器建立短信网关的应用程序接口(API)，实现报警信息的及时推送，按照用户预先设置的规则定制生成信息内容和推送范围，自动将报警信息通知到相关生产安全管理人员。

2 关键技术

采用SAFER Real-Time软件，建立环保溯源辅助决策系统，应用“羽流”模型计算技术，利用实时气象及传感器数据，实现在地理信息系统以及实际的地形信息界面上准确展示事故的发展，其关键技术主要包括高级反算、反轨迹模型和化学品数据库。

2.1 高级反算

高级反算(advanced back calculation，ABC)是用于计算化学品泄漏率的专利算法，基于拉格朗日模型(Lagrangian Integrated Puff Model)。环保溯源辅助决策系统综合实时气象数据及气体传感器数据，计算化学品的泄漏率，通过衡量扩散时间计算出对下风向区域的影响程度，生成羽流图，从而对事故对泄漏区域及周边社区的影响做出评估。

环保溯源辅助决策系统读取多个处于不同位置的传感器数据，在2 h预测窗口内，持续采集并使用特定气象数据下实际时间点的气体浓度数据，使用气体浓度值判断事故影响程度及范围。在事故发生过程中，气象条件以及传感器读取的数据会不断产生变化，高级反算能够读取并综合使用所有变化的数据进行重新计算，持续不断地预测下风向的影响情况。

2.2 反轨迹模型

类似于高级反算(ABC)，使用气体和气象数据推算出“羽流”前进的路径，泄漏源定位采用反轨迹模型来计算反向轨迹，使用气象数据以及两个以上的泄漏化学品气体的浓度数据，调用高斯(Gaussian)模型计算所测点的浓度，从而定位出最有可能的泄漏源。其计算结果不仅可以用于确定排放源位置，并结合该位置附近的生产设备、生产工艺等因素进行分析，最终确定排放的原因，而且可以在发生紧急情况时，帮助应急指挥人员确定最佳的疏散路线，选择合适的避难场所，科学调配救灾资源，以及确定泄露事故的责任归属。

2.3 化学品数据库

环保溯源辅助决策系统的SAFER Real-Time软件包含普通化学品库，是模型计算所需的基础数据库，可以选择已有的化学品或者创建新的单组分化学品和定义多组分液态及气态化学品。

3 数据处理

3.1 数据源采集

环保溯源辅助决策系统重点是对全公司VOCs、氮氧化物进行严密监测和追溯，模型计算需要收集的数据源主要从固定气体监测仪、环境监测站、气象站、移动救援车、日常巡检仪等设备获取，危险化学品数据包括可燃气体、硫化氢、苯、CO、氢气、氧气、氨气、NO、NO2、SO2、Cl2及其他有毒有害气体，气象数据包括风速、风向、温度、湿度、太阳辐射等。固定传感器数据原则上就近接入装置分布式控制系统(DCS)，集中经PHD实时数据库传送至环保溯源辅助决策系统。数据传输接口主要有：

环境监测站数据传输。从上海石化环境监测站获取H2S-SO2分析仪、NH3-NO-NO2-NOx分析仪、高沸点有机物GC-FID分析仪、低沸点有机物GC-FID分析仪、有机硫化合物GC-FID分析仪的分析数据，从气象分析仪获取风速、风向、温度、湿度数据，从太阳辐射仪获取太阳光辐射度数据；

固定气体传感器数据传输。上海石化现有固定式传感器数据约3 700个，传感器数据从装置DCS传输到PHD实时数据库，经OPC Server供环保溯源辅助决策系统读取有毒有害、可燃气体的数据，读取方式为OPC Client主动读取，刷新间隔为30 s；

移动气体传感器数据传输。上海石化移动气体传感器配置了PID/LEL/H2S/CO/O2探头，通过中继器RAELINK3实现移动检测联网，将数据直接传送到环保溯源辅助决策系统；

移动救援车数据传输。移动气体传感器直接与环保溯源辅助决策系统集成，与SAFER Real-Time软件自动对接数据，实现现场灵活布点监控。在日常使用中，在已追溯到的排放源附近部署移动气体传感器，通过获取更多的监测点数据，进一步提高溯源计算结果的精准度。

3.2 计算结果展示

根据上海石化的地理位置，GIS数据覆盖以北纬N29°55′58.50″、东经E121°57′20.19″为中心，半径为10 km的地理范围。环保溯源辅助决策系统以地图为WEB页面展示背景，通过采集移动及固定传感器地理位置数据和气体样本数据，实时展示现场所有传感器的物理分布情况，并展示环保溯源辅助决策系统的计算结果，包括数据列表方式和地理图形方式。

4 典型应用

4.1 应对环保指标超限，快速溯源定位泄漏

当发现有环保数据超标报警时，应用环保溯源辅助决策系统的溯源功能，可以快速定位泄漏源所在装置，为防止环保事故和减少事故影响争取宝贵的整治时间。上海石化安全环保部建立溯源小组，借助环保溯源辅助决策系统作为技术手段，开展厂界异味管理和现场溯源管理。如卫二路厂界附近曾发生苯系物偏高事件，当时检测到甲苯超标报警，安全环保部使用环保溯源辅助决策系统进行分析，确定源头是位于卫二路厂界外北侧的某塑料制品公司烟囱在15 m高处排放苯系物，系统分析结果为快速查处环保事件提供了准确依据。

4.2 模拟气体泄漏影响，研究制定应急预案

环保溯源辅助决策系统能在几十秒到几分钟内得出计算结果，形成有关有毒气体当前及后续影响的预测报告，为有效评估风险、制定计划、部署资源和做出正确决定提供所需信息。上海石化生产部结合实际情况，应用环保溯源辅助决策系统的预案管理功能，研究定制多种应急预案，用于化学品泄漏的应急预案模拟。

4.3 通过屏幕全局指挥，理性规避救援风险

环保溯源辅助决策系统能自动采集并分析传感器有关泄漏物质浓度、所在位置、天气等信息，基于实时反馈的现场数据进行羽流扩散方向和浓度的准确计算，羽流大小和形状能够从时间和空间上清晰地展示事故当前及未来2 h内的预计影响。

万一发生化学品泄漏紧急事故，环保溯源辅助决策系统能提供气体泄漏的即时和预估信息，在紧急情况时可通过上海石化应急指挥中心大屏幕将救援指挥从现场移至安全区域，做到纵观全局，运筹帷幄，帮助救援人员在最新的事态发展和资源条件下，决定采取最合理的应急和营救措施，保障员工、周边社区和财产安全。

5 结语

上海石化环保溯源辅助决策系统通过自动采集有毒有害气体的实时传感器数据及气象数据，采用“羽流”模型计算技术，实现了对有害气体排放的溯源，可以对VOCs、氮氧化物进行严密监测，快速定位泄漏源，并提供应急响应解决方案，提升石化企业环保管理水平和应急指挥能力。随着实时数据库系统的升级和移动检测设备的更新，环保溯源辅助决策系统的数据源接口需要及时进行相应的调整，以保持测算所需的数据源自动传输。通过加强信息系统之间的数据共享和集成应用，不仅可以减少手工输入现场检测数据和全球定位系统(GPS)信息的工作量，提高测算工作效率，而且可确保传感器数据和气象环境数据等数据源的准确性、完整性和及时性，避免因数据源不足或存在时间差而导致溯源定位或预测影响不准确，从而进一步提升环保溯源辅助决策系统的应用效果。