化工企业TVOC 网格化在线预警监测系统的建设方案

吴元本

摘要：大气治理进入深水区，PM2.5 和臭氧成最大痛点，“臭氧不断吞噬掉一些优良天数”。如何有效管控臭氧，打造绿色工厂，是当前石化企业大气污染治理的一大难点。本文从 VOC 网格化监测方面提供大气治理的管控思路和技术手段。

关键词：TVOC 监测;化工厂区;网格化;大气污染;预警监测

我国空气质量整体延续了过去七年的改善势头，但幅度明显减小，全国仍有一半以上的城市不能全面达到空气质量标准的要求，主要污染物中，臭氧格外引人注目。自 2013 年发布臭氧数据以来，全国臭氧污染浓度水平一直处于上升趋势。2019 年，全国 337 个城市的臭氧平均浓度同比涨幅 6.5%，其中珠三角、长三角、京津冀及周边等重点区域的涨幅更为显著，且年均浓度均超标。PM2.5 与臭氧的协同治理，需要依赖科技支撑优化减排路径和措施组合，挥发性有机物（ VOCs）是大气光化学过程的主要参与者，是对流层大气 03 和二次有机气溶胶生成的主要前体物[1]。在这样的背景下，石化行业采用网格化监测系统成为行业 VOC 治理技术新的尝试。本文主要对 TVOC 网格化监测预警系统建设方案进行概述， 对其布设原则和技术要求进行分析，从而提高预警效率，完善 TVOC 监测，从而改善环境质量。

空气质量改善整体放缓，臭氧污染日益突出，“十四五”期间，要重视臭氧和细颗粒物（PM2.5）的协同治理，在进一步采取减排措施持续降低 PM2.5 浓度的同时，遏制臭氧污染上升趋势。VOC 网格化监测系统，顾名思义，是将化工厂区划定大气污染防治管理网格，大范围、高密度的布点，能实时了解污染来源， 客观真实反映污染现状，综合分析污染原因。我国针对 TVOC 治理方面的力度没有达到既定的水平，很多化工企业没有设置相应的网格化 TVOC 监测系统，这就导致了很多监管部门和企业都无法及时对厂内 TVOC 排放情况进行分析，从而更为全面地监控污染物。因此，我们需要不断强化网格化 TVOC 在化工厂区的监测。挥发性有机物（TVOC）网格化监测预警系统，可辅助化工企业相关部门切实提高大气环境精细化管理水平的。

一、系统建设目标

实现“边界”管控

通过在厂界四周围墙安装无组织环境空气监测站及厂内各装置区环境敏感点周边安装壁挂式 TVOC 微型站，可将影响环境空气质量的大气监测因子、TVOC 特征污染因子和恶臭气体在 GIS 地图上进行空间分布展示，通过叠加动态风场图，自动分析识别异常点位，通过设置的告警规则，向指定人员发送报警信息，为后期治理提供数据支撑，实现“边界”管控[2]。

实现“水平”管控

通过在上风向安装水平扫描的 TVOC 预警激光雷达，可以有效覆盖水平方向半径为 6-8 公里范围内 TVOC、PM10 和 PM2.5 浓度分布，结合 GIS 地图， 可以有效确定监测区域内各厂区和装置的 TVOC 泄露和排放情况，颗粒物水平污染分布情况等，基于 TVOC 预警雷达扫描监测数据，采用特定的算法，对雷达每一天的扫描或监测数据的进行迭代反演，凸显高浓度污染分布，绘制 TVOC

污染分布图，可以判断 TVOC、PM10＼PM2.5 颗粒物排放规律和污染趋势，为后期 TVOC 和颗粒物污染的管控和治理提供帮助[3]。

实现“立体”管控

通过在上风向和下风向两个地方安装垂直扫描 TVOC 预警激光雷达，垂直扫描半径不小于 6 公里，扫描范围 0-180 度，可以给出 TVOC、PM10 和 PM2.5 浓度的垂直“扇形“分布，同时结合风向和风速等气象条件和气态立体扩散模型， 有效判断 VOC 和颗粒物的输送路径和情况，为突发污染事故提供数据和决策支持。

二、技术要求

气溶胶预警激光雷达技术要求

运用激光作为发射器的空间遥感技术原理，对炼厂高空大气环境 TVOC 载体的气溶胶连续监测。在厂界上下风向布设 TVOC 预警激光雷达扫描系统，分别做水平方向和切面方向的掃描，水平扫描可监测厂界内污染物分布，追踪污染物无组织排放（污染溯源），污染物扩散动态跟踪的预警监测;切面扫描监测污染物的跨界传输、通量计算。最终得到大气环境气溶胶分布的立体结构，同时结合边界站的网格化监测数据和雷达VOC 总量校准模块对激光雷达探测的数据进行标定，通过软件和模型的反演得到准确的 TVOC、PM10 和 PM2.5 的浓度水平，最后把雷达影像、泄漏点热成像、现场照片和监测数据整合到软件上，实现特征污染物 TVOC 的溯源和预警。

壁挂式 TVOC 微型站技术要求

利用壁挂式TVOC 微型站连续 24 小时进行环境监测，监测指标包括 TVOC、臭气浓度和强度、风向风速。建立 TVOC 恶臭网格化监测系统，将厂区划分为若干网格，对每个网格进行恶臭 OU 值、TVOC 进行在线监测。当监测数据异常时，系统会自动触发报警，在监测平台显示报警信息，并将报警信息同时发送到相关负责人手机端，结合厂内空气站数据对污染来源做出初步定位，与厂内环境监测车联动进行现场定性定量分析，实现环境风险及时预警，避免污染事件的发展与扩大。系统可监测到厂区内部污染物的产生，并结合局地气象扩散条件分析污染物迁移情况，实现污染物来源分析。

厂界无组织在线监测站技术要求

厂界环境监控点 4 个（选定 16 项监测因子，非甲烷总烃、苯、甲苯、二甲苯、硫化氢、氨、环氧乙烷、乙二醇、甲醇、醋酸乙烯、苯乙烯、丙酮、NOX、O3、TSP、PM2.5）、风向、风速、温度、湿度、气压等五参数;数据采样和传输设备用于采集、处理和存储监测数据，并能按中心计算机指令传输监测数据和设备工作状态信息，应包括但不限于子站数据采集系统和中心站数据管理软件 等。

三、布点原则

根据 HJ664-2013《环境空气质量监测点位布设技术规范》要求，结合厂区内的装置平面布置、地区常年主导风向，采取符合标准、便于安装的原则，同时考虑各装置各单元进出物料性质及易泄漏点进行加密布设，形成兼顾全厂的网格化监测网络，最后由公司各部门会商确定点位选择，有条件可以联合设计院进行设计布点。

雷达安装地点选择

气溶胶激光预警雷达安装 2 套，1 套放在综合楼顶，配置红外热成像，1 套放在污水厂管理用房房顶，形成对角线位置，以周边 100 米距离无明显遮挡物为原则。

壁挂式 TVOC 微型站安装地点选择

了解本地区常年主导风向，大致估计出污染物的可能扩散概况;设置于平均风向轴线两侧，监控点与无组织排放源所形成的夹角不能超出风向变化的标准偏差;各采样点的设置条件要尽可能一致或标准化，使获得的监测数据具有可比性。盛虹炼化壁挂式防爆型微型站根据厂区大小布设 37 套 TVOC 微型站，仪表箱距离地面 1.5 米，设置立柱或依托周边附属物。

厂界环境空气无组织监测站房地点选择

站房的配置应满足《环境空气气态污染物（SO2、NO2、O3、CO）连续自动监测系统安装验收技术规范》HJ193-2013 及修改单、《环境空气颗粒物（PM10 和 PM2.5）连续自动监测系统安装和验收技术规范》HJ655-2013 及修改单的相关要求。站房的尺寸、机柜、机架、配电设施、通讯接口等，除满足本项目分析仪器布置之外，应有冗余配置。盛虹炼化无组织排放监测站 1 位于西厂界、 2 位于南厂界、3 位于东厂界、 4 位于北厂界，分别放置在厂区四个方向围墙旁。仪表样式及厂区平面布点图如下：

四、通信管理

所有 37 套微型站通过无线网络（5G）实现数据互连;2 套雷达利用光纤进行数据互连，厂界 4 套无组织在线监测站房利用光纤实现数据互连并且按照法规要求将监测数据时时上传地方环保部门。各类信号接线箱防爆级别不得低于工艺设计的防爆电器级别，信号输出电缆按照 HG/T 20512《仪表配管配线设计规定》选用（表 5），信号电缆走线采用独用的信号电缆桥架和汇线槽铺设，如果有本安信号电缆，需采用单独的汇线槽，不能与其他信号线一起铺设，这样就避免或减少了不同电平信号对它的干扰[4]。通过公司建设的 TVOC 在线监测预警管控平台， 将厂区范围内所有的环境空气质量监测数据整合在一起，时时显示污染物监测数据，展示所有实时数据、表格、图表、报告和分类等信息。

公司建设有智能化工厂管控平台以及HSE 信息化管理平台，两个平台都可以抓取 TVOC 网格化监控系统的监测数据，供管理人员查看，并且根据软件强大的信息处理能力，及时研判变化趋势，告知企业管理人员采取相应的措施，及时处理可能发生的异常排污及预判环境风险。

五、可实现的效果及达到的目的

通过气溶胶雷达（含红外热成像）及壁挂式 TVOC 微型站（含臭气检测器）、厂界无组织监测站组合使用，能够及时发现化工厂现场废气泄漏情况;

及时发现和判定TVOC 及臭气超标是由企业内部装置泄露导致还是化工园区其他企业飘进来的污染物导致;

气溶胶雷达及红外热成像仪可作为 LDAR 的辅助手段，对泄漏量较大的点位及时发现，及时治理;

硬件设施与软件设施相互配合，精准且全面的展示各装置现场各监测点位的设备运行状态及每个监测点位的监测数值;

在地方环保局及其他政府部门检查时，进行数据集中展示，为实现绿色工厂谋划布局。

六、环境精细化管理

网格化环境空气监测系统能全面掌握化工企业厂区内污染物的排放情况，为企业环保部门实现对厂区内外污染区域精细化管控和监督提供依据。还能够掌握污染区域的污染物实时浓度及变化趋势，对石化厂区污染物排放科学控制，快速捕捉厂区内污染异常排放行为，实时预警，提升企业环保部门的监管能力加油助力。

结束语：

综上所述，日益复杂的大气污染状况正在对传统的大气污染源监测方式提出挑战，当前实施的环境空气国控点监测系统监测点位数量有限、成本高昂，以点代面的方法导致时效性不足，达不到精细化管控的目标，且无法实现对监测体系中时空动态趋势分析、污染减排评估、污染来源追踪、环境预警预报等能力的深度挖掘。网格化的监测体系可在区域内全覆盖，实现高时空分辨率的大气污染监测，结合信息化大数据的应用实现污染来源追踪、预警预报等功能，为环境污染防控提供更为及时有效的决策支持，让人类和社会都得以持续健康绿色发展。

参考文献：

Seinfeld J H， Pandis S N. Atmospheric Chemistry and Physics：

from Air Pollution to Climate Change[ M]. （ 2nd ed. ）. NewYork： Wiley， 2006. 204-283.

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陈涛，激光雷达探测大气气溶胶反演算法及光学特性研究[D]，中国科学院安徽光学精密仪器研究所，2010.

钱耀红，李亚楠，在线分析小屋系统在 EO 装置中的应用[B]，化工自动化及仪表，2013，040（007）：910-916.