炼化企业LDAR大数据分析及提质增效探讨

李 龙，石昌磊，2，李凌波，刘新宇，程梦婷

（1. 中石化（大连）石油化工研究院有限公司，辽宁 大连 116045；2. 大连市旅顺口区生态环境保护综合行政执法队，辽宁 大连 116041）

挥发性有机物（VOCs）作为城市臭氧和二次有机气溶胶的重要前体物，是当前区域大气污染防控的关键。“十三五”以来，随着国家标准逐步收紧，VOCs治理不断深入，工业企业VOCs有组织排放控制趋于极限，无组织排放已占据主导地位，排放占比超过60%，成为下一步VOCs排放管控的重点［1］。

炼化企业作为重要的VOCs工业排放源，VOCs排放种类繁多且过程复杂，主要源于设备动静密封泄漏、原油及产品储罐的呼吸与泄漏、油品装卸逸散、污水处理系统逸散、换热器泄漏、冷却塔逸散等12类排放源，绝大多数为无组织排放源。其中，设备动静密封泄漏是仅次于储罐的第二大排放源，排放占比约为VOCs总排放量的10%～25%［2-4］。

泄漏检测与修复（LDAR）是石化企业VOCs无组织排放的源头和过程控制技术，也是控制设备动静密封泄漏的最佳实用技术。LDAR作为一项系统性工程，旨在通过对设备动静密封点实施周期性检测，发现泄漏并组织有效维修，从而实现泄漏控制和VOCs减排。欧美等发达国家自20世纪80年代开始在炼油企业实施LDAR工作，经过多年实践，逐步形成完善的法律法规标准体系和质量管理机制，在保证LDAR工作质量的同时，更加注重实际控制效果［5］。国内LDAR工作起步较晚，自2013年起率先在炼化企业试点，并逐步向化工、油品储运销、印染、制药等其他行业扩展，多年的实施结果验证了LDAR对设备泄漏控制的有效性，在LDAR实施初期，炼化企业设备密封泄漏造成的VOCs排放量消减超过50%［6-9］。但随着LDAR的常规化运行，VOCs减排已进入平台期，如何高效配置检测资源，实现对密封泄漏的快速识别和精准管控，是未来LDAR提质增效的主要方向。

“十四五”期间，国家不断推进LDAR控制效果提升，一方面通过升级LDAR管控标准，强化检测和维修，实现LDAR精细化管理，靶向推动泄漏控制效果提升；另一方面，鼓励源头消减，通过加强对设备泄漏原因分析和易漏设备筛选，推动易漏设备密封升级改造，实现源头减排。为实现上述目标，需进一步对LDAR的检测结果开展大数据分析。

本研究以3家大型炼化企业为研究对象，收集了近年来LDAR管理平台的检测数据400余万条，分析了炼化企业设备泄漏和VOCs排放特点，评估了物料和密封类型对设备泄漏的影响，并基于大数据分析结果，结合国家政策、法规及行业发展趋势，提出了实现LDAR提质增效的建议。

1 研究方法

1.1 数据来源

2022年12月，以华北、华东和华南3家炼化企业为研究对象，基于企业LDAR管理平台（SinoLDAR 2.0），收集了其近几年LDAR检测数据共400余万条。LDAR数据收集范围覆盖了常减压蒸馏、催化裂化、延迟焦化、加氢裂化、催化重整、加氢精制、气体分馏等典型炼油生产装置，具体情况见表1。

表1 数据来源情况

1.2 分析方法

1.2.1 泄漏认定

泄漏阈值执行《石油炼制工业污染物排放标准》（GB 31570—2015）［10］中相关要求，即出现以下情况则认定发生了泄漏：对于涉有机气体和挥发性有机液体（气体和轻液体）密封点，采用氢火焰离子化检测仪（以甲烷或丙烷为校正气体），泄漏检测净值大于等于2 000 μmol/mol；对于涉其他挥发性有机物（重液体）密封点，泄漏检测净值大于等于500 μmol/mol。泄漏率为实际检测的泄漏点个数与同类型密封点总个数的比值，以百分比计。

1.2.2 VOCs排放核算

采用《石化行业VOCs污染源排查工作指南》［11］推荐的中点法确定某密封点的排放时间，再乘以排放时间内的排放速率得到VOCs排放量。由于此次收集的数据均为实际检测值（可达点），因此对于排放速率采用相关方程法进行核算［11］。

1.2.3 数据统计与分析

基于Microsoft Office Access 2013软件建立检测结果数据库，采用交叉表分析密封类型和物料类型对设备泄漏和VOCs排放的影响。VOCs排放核算数据取自中国石化SinoLDAR 2.0数据管理平台，由平台根据LDAR检测数据按1.2.2节所述方法自动计算得出。

2 结果与讨论

2.1 密封点建档情况

3家企业的总受控密封点个数约为125万，其分布情况见表2。其中：连接件密封点占比48.6%，是最主要的受控密封类型；其次为法兰、阀门和开口阀或开口管线，占比分别为31.1%、17.5%和2.3%；其余密封类型占比均小于1%。该密封类型分布特征与化工和涂料制造行业存在一定区别［12-13］，但基本符合炼油行业特征［4］。在炼油工艺中空冷器的大量使用，造成空冷器丝堵（归属连接件）个数较多，如在常减压、催化裂化、重整、加氢、焦化等装置中空冷器丝堵个数占装置总受控密封点个数的30%～50%；此外，受“十三五”期间VOCs排放控制政策的影响，绝大多数安全阀已并入瓦斯管网，且部分取样系统已完成密闭改造，因此泄压设备和取样连接系统密封点占比较小。

表2 密封点分布情况 密封点个数

从受控物料维度分析，3家企业受控物料以气体和轻液体为主，占比分别为41.2%和41.0%；重液体占比相对较小，为17.8%。气体物料主要以燃料气、干气、工艺尾气、馏分气、循环氢、火炬气等（统称炼厂气）为主；而轻液体和重液体物料根据原辅材料、中间产品和产品，又可分为液化气、石脑油、汽油、航煤、柴油、原油、蜡油、渣油、芳烃、含油污水、油泥/渣、沥青等。值得注意的是，部分物料根据工艺过程的差别，物料类型可能存在交叉，需结合工艺参数和物料理化性质进行具体分析，在此不做详细讨论。

从不可达点（指难于检测和险于检测的密封点）控制方面看（见图1），由图1和上述3种物料类型占比数据可知，企业A和企业C的不可达点控制水平较为接近，不可达点占比分别为1.06%和1.05%，企业B不可达点控制较上述两家企业更为严格，不可达点占比为0.31%，3家企业的不可达点控制水平整体上均符合《石化企业泄漏检测与修复工作指南》［11］中“新建装置（包括改建、扩建）的不可达密封点不应超过同类密封点的3%”的要求。此外，涉重液体密封点由于工艺保温需要，不可达点占比较气体和轻液体密封点略高。

图1 3家企业的密封点中不可达点分布情况

2.2 检测结果与泄漏特征

2.2.1 检测结果统计

3家企业的LDAR均执行《石油炼制工业污染物排放标准》（GB 31570—2015）［10］，对于法兰、连接件和其他类型的密封点每半年检测一次，对于泵、压缩机、搅拌器、阀门、开口阀或开口管线、取样连接系统和泄压设备每季度检测一次。表3统计了3家企业各类型密封点的实际检测次数，3家企业检测密封点总次数为4 294 617，其中连接件占比最大，为38.9%；其次为阀门和法兰，分别为28.5%和28.0%（阀门执行每季度检测一次，法兰执行每半年检测一次，整体数量相当）。此外，从物料类型来看，气体、轻液体和重液体检测次数占比分别为37.1%、40.9%和22.0%。

表3 检测结果分布情况 检测次数

2.2.2 泄漏特征分析

各种物料和密封类型的泄漏率如表4所示。泄压设备、取样连接系统、压缩机以及开口阀或开口管线泄漏率相对较高，分别为2.70%、1.85%、1.16%和0.70%；随后是泵、搅拌器和其他密封类型，分别为0.48%、0.28%和0.22%；尽管阀门、法兰和连接件的泄漏点个数较多，但总体泄漏率较低，分别为0.16%、0.12%和0.08%。

表4 泄漏率交叉统计结果 泄漏率，%

由2.1节可知，泄压设备和取样连接系统由于设备和密封改造，整体密封点数量较少，分别为23个和172个；实际检测次数分别为37（部分泄压口为不可达点）和1 889，泄漏次数分别为1和35。进一步排查泄漏原因发现，泄压设备泄漏主要源于隔油池的呼吸口；而取样连接系统与开口阀或开口管线的泄漏原因类似，均为末端阀失效或闭合不到位；压缩机、泵和搅拌器（轴封）是炼化企业典型的动密封，是企业设备管理和日常巡检的重点，通过查找泄漏原因发现，泄漏的设备密封形式基本为单封式。

此外，从物料维度看，气体和轻液体的泄漏率明显高于重液体（高一个数量级），三者的泄漏率分别为0.20%、0.15%和0.02%。在本次数据收集中，重液密封点总共检测945 282次，仅发现泄漏点236次，整体泄漏率基本小于0.10%（除开口阀或开口管线泄漏率为0.13%）。进一步分析泄漏点的主要物料为柴油、重污油、碱渣、重质原油、渣油加氢尾油等成分复杂的混合物料。值得注意的是，现有相关标准对挥发性有机液体的定义，主要针对单组分物料的蒸气压和混合组分VOCs质量分数两个层面，而对于石油炼制而言，其生产过程复杂，且多以混合物料为主，其中间产品的性质与加工原料、工艺参数和馏程密切相关，很难依据标准直接、准确判定混合物料的属性，客观上也增加了LDAR的实施难度。

2.3 排放统计与影响因素

基于实际检测结果得到各企业年度密封点VOCs排放量（可达点排放量），如表5所示。3家企业的2022年度排放量分别为19 754.1，46 765.4，36 775.9 kg，与企业加工能力呈正相关。从企业A连续4年的统计数据看，通过实施LDAR工作，企业设备泄漏排放量逐年降低，与2019年相比，企业A减排比例达到54.6%，客观验证了LDAR的实施效果。

表5 3家企业的密封点泄漏排放统计

从密封点维度来看，连接件、阀门、法兰排放量占比较大，占总排放量的87.7%（密封点占比97.5%）；其次为开口阀或开口管线和泵，排放量占比分别为9.0%（密封点占比2.3%）和2.3%（密封点占比0.2%）；压缩机、搅拌器、泄压设备、取样连接系统以及其他类型密封的排放量占比为1.0%。上述结果与ZHANG等［14］的研究结果基本一致。综合各类型密封点检测次数、泄漏率和排放量可知，尽管连接件、法兰和阀门的泄漏率相对较低，但其密封点基数较大，仍是设备和管线泄漏的主要排放源；而泵、压缩机、搅拌器、开口阀或开口管线、泄压设备和取样连接系统密封点数量少（密封点占比2.5%），但泄漏率和排放量占比较高（泄漏率0.28%～2.70%，排放量占比12.2%），应作为重点控制目标。

图2对比了不同物料类型的排放情况。整体而言，气体和轻液体类密封点排放占主导地位，分别占45.9%和44.4%，而重液体贡献仅占9.6%。从密封点数量上分析，气体和轻液体密封点占比略低于其排放量占比，而重液体密封点占比明显高于排放量占比，客观说明重液类密封点排放贡献较低。

图2 不同物料类型密封点的VOCs排放量占比

此外，通过分析企业A连续4年的排放数据（图3）发现，气体和轻液体密封点VOCs排放量呈现明显下降趋势，而重液体密封点未发现明显变化，说明通过实施LDAR，对企业涉气体和轻液体类型密封点的泄漏控制效果显著，但对于重液体类密封点的控制效果并不明显。

图3 企业A不同物料类型密封点的年度VOCs排放量

2.4 LDAR提质增效探讨

LDAR作为一项系统工程，过程繁琐、工作流程长、工作负荷高，其工作质量、效率和控制效果与企业设备管理水平、检测标准以及质控要求密切相关。实现LDAR提质增效，需要从源头掌握泄漏发生的根本原因，在过程中优化企业内控标准，从末端加强控制效果评估。基于上述分析结果，结合当前政策、法规和标准要求，提出以下几点建议，供进一步实践和探讨。

1）加强源头控制

数据分析结果表明，尽管气体和轻液体类型泵、压缩机和搅拌器（轴封）密封数量较少，但其泄漏率较高，主要的泄漏原因是单级轴封密封失效。因此，建议加强单封式泵、压缩机和搅拌器的跟踪监测，对于多次严重泄漏的单级密封设备改造为双封式，或更换为低渗漏密封设备；也可与工艺控制系统关联，加强动设备密封系统监控与泄漏预警，从工艺角度探索设备泄漏控制策略。

对于末端开口类密封，严格遵循《挥发性有机物无组织排放控制标准》（GB 37822—2019）［15］要求，在工艺和安全许可的条件下，将泄压气体排放至瓦斯系统或VOCs处理设施；对于开口阀或开口管线，安装堵头、盲板、二次阀等二次密封设备；同时，将气体和轻液体采样系统改造为密闭系统，实现涉VOCs物料的密闭收集或回收。

2）优化内控指标

针对易漏密封和物料，细化分级管控指标，通过优化检测资源配置，提高泄漏发现和维修效率。如在本研究中发现，涉气体和轻液体的动密封点和开口类密封点个数较少，但泄漏率和排放量较高，故可适当增加对该类密封点的检测频次，提高维修效率，从而改善泄漏控制效果；同时，对于涉重液体密封点，泄漏率较低，且多年检测结果表明泄漏控制效果并不明显（见2.3节），故可通过强化物料分类，加强日常巡检等手段，加大监管力度，试点按照《排污单位自行监测技术指南 石油炼制工业》（HJ 880—2017）［16］和《排污许可证申请与核发技术规范 石化行业》（HJ 853—2017）［17］的相关要求，减少检测频次，实现检测资源高效配置。

细化物料分类，逐步提升泄漏控制标准。根据工艺特征和物料属性，提高物料分类的准确性，如涉重液体物料柴油、原油、油泥等；同时，加强有毒有害空气污染物和高化学反应活性污染物的管理，建立科学、合理、合规的泄漏阈值指标，并根据实际泄漏情况逐步推动泄漏标准提升。

此外，对于不可达密封点的监管也需进一步加强。通过日常巡检或非常规检测方法评估不可达点泄漏情况，在技术和安全许可的情况下，将多次泄漏点改造为高效密封或更换为低渗漏密封。

3）加强过程质控与VOCs控制效果评估

提升LDAR过程管理方法，一方面建立覆盖密封点建档、检测、维修、质控、排放核算等全生命周期的数字化和信息化管理流程，做到整体过程有据可查、有据可依、过程可追溯；另一方面加强数据质控与监管，通过数据审核、分析和抽查等方式，提高检测和维修结果的可靠性。

定期开展控制效果评估，通过耦合厂区网格化监测、排放溯源监测及VOCs通量监测等技术，建立泄漏监测、预警和溯源工作体系，利用污染扩散返溯模型筛查重点排放区位［18］，进一步指导LDAR筛查和VOCs排放治理。

3 结论

a）阀门、法兰和连接件是炼化企业主要的密封类型，VOCs排放贡献大，但泄漏率低；动设备密封（泵、压缩机和搅拌器）和开口类密封（开口阀或开口管线、取样连接系统和泄压设备）数量少，但泄漏率和排放占比较高，应作为优先控制目标。

b）多年实施结果验证了LDAR工作的有效性，其中气体和轻液体类密封点减排效果显著，但对重液体类密封点并不明显。

c）为进一步实现LDAR提质增效，需从源头、过程和末端多点发力，全面提升厂区VOCs无组织排放综合控制效果：在源头上加强泄漏原因分析，有针对性地开展设备更新或改造；在过程中细化分级控制指标，科学推进检测资源高效配置；在末端加强结果质控和效果评估。最终实现精准治污、科学治污和有效治污。