基于紫外反射的溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)

周志國(guó)

(中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

相比煉油廠、油庫(kù)等其他石油石化生產(chǎn)設(shè)施，油品輸送管道具有點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣的特點(diǎn)，面臨的自然及社會(huì)環(huán)境復(fù)雜，更易受外界影響。本文分析總結(jié)了目前溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了適用于油品管道溢油風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警的技術(shù)需求，并利用紫外反射原理，開(kāi)展了基于LED紫外光源的溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備研發(fā)及實(shí)驗(yàn)。

1 溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

按照監(jiān)測(cè)原理，目前水面溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)可分為：可見(jiàn)光光譜法、紅外光光譜法、紫外光光譜法、微波輻射計(jì)法和熒光光譜法等[1]。按照監(jiān)測(cè)模式，溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)可分為：衛(wèi)星遙感和星載雷達(dá)SAR監(jiān)測(cè)、航空遙感監(jiān)測(cè)、船舶遙感監(jiān)測(cè)、CCTV(閉路電視)監(jiān)測(cè)、浮標(biāo)跟蹤監(jiān)測(cè)和定點(diǎn)監(jiān)測(cè)[2,3]。

1.1 衛(wèi)星遙感和星載雷達(dá)SAR監(jiān)測(cè)

衛(wèi)星遙感(傳感器)監(jiān)測(cè)海上溢油主要依據(jù)背景海水和油膜層之間的波譜特性差異[4]。通過(guò)衛(wèi)星搭載的溢油遙感傳感器全天候監(jiān)測(cè)海面狀況，收集海面信息傳送至后端進(jìn)行處理?，F(xiàn)階段，國(guó)外用于溢油監(jiān)測(cè)的遙感衛(wèi)星有很多。我國(guó)基于星載合成孔徑雷達(dá)和船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)監(jiān)測(cè)海面溢油已于2016年業(yè)務(wù)化運(yùn)行[1]。

衛(wèi)星遙感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠全天候監(jiān)測(cè)海面情況，監(jiān)測(cè)規(guī)模大，能夠有效預(yù)測(cè)溢油的運(yùn)動(dòng)趨向，能夠運(yùn)用成熟的圖像處理技術(shù)。缺點(diǎn)就是其重復(fù)周期過(guò)長(zhǎng)，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海域狀況；對(duì)小型事故的監(jiān)測(cè)誤差比較大，不適用于港口碼頭、污水排放口及河流等區(qū)域。

1.2 航空遙感監(jiān)測(cè)[5]

航空遙感被普遍應(yīng)用于溢油應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，一方面由于空基航空遙感觀測(cè)相對(duì)更機(jī)動(dòng)靈活，適合大范圍巡查和重點(diǎn)區(qū)域詳查，同時(shí)針對(duì)不同規(guī)模、不同厚度的溢油，航空遙感可以靈活搭載微波、紅外、紫外、熒光激光雷達(dá)等各種類(lèi)型的傳感器，及時(shí)獲取事故現(xiàn)場(chǎng)溢油面積及厚度信息。溢油應(yīng)急中，航空遙感可用于衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證，彌補(bǔ)衛(wèi)星觀測(cè)分辨率、時(shí)相的不足。但它也存在一定的局限性，監(jiān)測(cè)能力和范圍受天氣條件和空中管制等因素制約。

1.3 船舶遙感監(jiān)測(cè)

船舶遙感監(jiān)測(cè)的理論依據(jù)是雷達(dá)對(duì)水面和溢油面的反射效果不同，根據(jù)雷達(dá)的反射信息對(duì)海面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。荷蘭、美國(guó)、加拿大和俄羅斯在20世紀(jì)80年達(dá)就已經(jīng)開(kāi)始在船舶上安裝X波段雷達(dá)用于監(jiān)測(cè)海面溢油，并做了大量實(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)，大連海事大學(xué)和長(zhǎng)江船舶設(shè)計(jì)院等院校和機(jī)構(gòu)在進(jìn)行該方面的研發(fā)工作，長(zhǎng)江船舶設(shè)計(jì)院研發(fā)的船舶溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)已投入使用。

1.4 閉路電視(CCTV)監(jiān)測(cè)[6]

CCTV監(jiān)視系統(tǒng)是利用可見(jiàn)光/反射紅外波段的遙感技術(shù)，國(guó)內(nèi)外都有成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，如攝像機(jī)、照相機(jī)，但利用工業(yè)電視系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視海面溢油的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)仍處于起步階段。目前，我國(guó)北方海域各港口中，秦皇島、天津、大連和煙臺(tái)建立了CCTV系統(tǒng)。

在發(fā)現(xiàn)溢油后，使用CCTV監(jiān)視可以讓指揮人員更清晰地了解溢油現(xiàn)場(chǎng)的狀況，便于指揮。但CCTV監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)于海上溢油的發(fā)現(xiàn)貢獻(xiàn)不大，溢油信息很難通過(guò)儀器自動(dòng)處理識(shí)別，通常依靠肉眼觀察識(shí)別，因此該方法多用于特殊港區(qū)溢油監(jiān)測(cè)。

1.5 浮標(biāo)跟蹤監(jiān)測(cè)

海洋浮標(biāo)作為現(xiàn)代化的海洋觀測(cè)設(shè)備，利用GPS定位通過(guò)GSM/CDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，能夠穩(wěn)定可靠地收集全天候海洋環(huán)境資料參數(shù)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集、發(fā)送、指示功能。海洋浮標(biāo)由水上、水下兩部分構(gòu)成，主要收集氣象數(shù)據(jù)(風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、溫度)和海洋水文數(shù)據(jù)(波浪、潮位、海流、海溫、鹽度)，通過(guò)以上參數(shù)建立水動(dòng)力海浪潮流模型估算海上溢油面積及溢油量等。通過(guò)浮標(biāo)監(jiān)測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)溢油跟蹤及定位，掌握溢油擴(kuò)散、漂移等動(dòng)態(tài)信息。目前，將浮標(biāo)與無(wú)人機(jī)、無(wú)人艇等移動(dòng)工具進(jìn)行集成后應(yīng)用于溢油監(jiān)測(cè)的研究也逐漸增多[7，8]。

浮標(biāo)跟蹤主要用于溢油事故后跟蹤監(jiān)測(cè)油膜的漂浮軌跡，并獲取溢油海域的環(huán)境和水文信息，不具備水上溢油發(fā)現(xiàn)和預(yù)警功能。

1.6 固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)

固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，是將傳感器固定在碼頭橋梁等固定位置或者海域浮標(biāo)浮筒等被監(jiān)測(cè)水域中，對(duì)溢油事故進(jìn)行監(jiān)測(cè)。按照所使用的傳感器類(lèi)型，可分為電磁能量吸收傳感器和紫外誘導(dǎo)熒光傳感器[1,9-11]。

電磁能量吸收傳感器[12]是通過(guò)建立油污厚度與電磁能量吸收率的數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)海上溢油事故進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法(海水、原油、空氣三種介質(zhì)對(duì)高頻電磁波能量的吸收率不同)。這種監(jiān)測(cè)方法主要通過(guò)衡量電磁波在傳播過(guò)程中的衰減強(qiáng)度和油污厚度間的線性關(guān)系來(lái)監(jiān)測(cè)溢油事故。但由于監(jiān)測(cè)為接觸式，對(duì)水文條件有較高要求，且設(shè)備易受污染。美國(guó)GE公司開(kāi)發(fā)的LEAKWISE(電磁吸收型)溢油監(jiān)測(cè)儀在國(guó)外Shell、BP、Exxon Mobil等企業(yè)都有應(yīng)用，但該技術(shù)的不足之處是：由于測(cè)試方式為接觸式測(cè)量，因此該技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)水域的水文條件有較高要求，對(duì)于水流流速大、雜物多或結(jié)冰的環(huán)境適應(yīng)性較差。

紫外誘發(fā)熒光技術(shù)就是利用紫外脈沖光束照射水面，激發(fā)目標(biāo)區(qū)域的油分子產(chǎn)生熒光(水分子不產(chǎn)生熒光)，進(jìn)而鑒別油分子的信號(hào)，并給操作者報(bào)警。紫外熒光技術(shù)將傳感器布于水面之上，即非接觸式監(jiān)測(cè)。石油及衍生品中具備較高共軛效應(yīng)的芳香烴等物質(zhì)，在紫外光區(qū)具有強(qiáng)吸收峰，受到紫外光照射后，會(huì)發(fā)出近紫外波段和可見(jiàn)波段的熒光。設(shè)備發(fā)出特定波長(zhǎng)的紫外光照射水面，油膜受到紫外光激發(fā)后，產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的熒光，返回監(jiān)測(cè)設(shè)備。紫外溢油監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有美國(guó)Inter Ocean公司的紫外熒光監(jiān)測(cè)儀Slick Sleuth、愛(ài)沙尼亞LDI公司的熒光溢油監(jiān)測(cè)儀ROW等。該類(lèi)產(chǎn)品使用過(guò)程中存在的主要問(wèn)題有高壓氙燈成本昂貴、使用壽命短，且不能檢測(cè)汽油、單環(huán)芳烴等[13-15]。

固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有全天候自動(dòng)報(bào)警、操作簡(jiǎn)便、設(shè)備成本低、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和聯(lián)動(dòng)報(bào)警的功能，適用于石化企業(yè)排水口、輸油管道穿/跨越河流及下游敏感水體、油品作業(yè)碼頭等溢油事故發(fā)生可能性較高的區(qū)域。其局限性在于單個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)范圍有限，一般需要多臺(tái)設(shè)備組網(wǎng)應(yīng)用。

2 輸油管道溢油監(jiān)測(cè)需求分析

適用于輸油管道溢油的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)設(shè)備主要應(yīng)滿足以下幾方面需求。

a) 較高的設(shè)備靈敏度。應(yīng)在出現(xiàn)水面薄油膜(如彩虹膜)的第一時(shí)間即產(chǎn)生響應(yīng)，為后續(xù)應(yīng)急處置爭(zhēng)取時(shí)間。

b) 較好的環(huán)境適應(yīng)性。相比管道陸上泄漏，溢油進(jìn)入水體后將迅速擴(kuò)散并對(duì)下游造成影響，增大溢油應(yīng)急處置工作量及處置難度。因此，需要在管道穿跨越河流等開(kāi)放水域下游附近布設(shè)一定數(shù)量的溢油監(jiān)測(cè)設(shè)備，這就要求設(shè)備不易受水面雜物、水流等影響。

c) 較廣的油品監(jiān)測(cè)種類(lèi)范圍。國(guó)內(nèi)輸油管道往往涉及原油、汽油、柴油、苯等不同油品和化學(xué)品輸送，監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)對(duì)常見(jiàn)液體有機(jī)化學(xué)品泄漏均產(chǎn)生良好的響應(yīng)。

d) 相對(duì)低廉的生產(chǎn)和維護(hù)成本。由于輸油管道點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣的分布特點(diǎn)，建立相對(duì)完善的溢油風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)需要部署大量的溢油監(jiān)測(cè)儀，設(shè)備布設(shè)以及運(yùn)行維護(hù)成本是企業(yè)需要考慮的重要因素，因此要求設(shè)備具有相對(duì)低廉的價(jià)格，同時(shí)應(yīng)操作簡(jiǎn)便易于維護(hù)。

e) 適于進(jìn)行組網(wǎng)。大量的溢油監(jiān)測(cè)設(shè)備往往給日常管理帶來(lái)一定困難，因此應(yīng)通過(guò)組網(wǎng)的方式對(duì)所有設(shè)備參數(shù)設(shè)定及報(bào)警信號(hào)等進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時(shí)應(yīng)具備和企業(yè)已有相關(guān)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行銜接功能。

f) 良好的安全性能。管道輸送的油品及液體有機(jī)化學(xué)品多為易燃易爆物質(zhì)，泄漏至水面后易揮發(fā)積聚，為避免次生爆炸等安全事故，溢油監(jiān)測(cè)儀應(yīng)具備良好的抗爆性能。

3 基于紫外反射的溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

3.1 工作原理

綜合溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及輸油管道有監(jiān)測(cè)需求分析，認(rèn)為非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)具備更好的改進(jìn)潛力。針對(duì)目前紫外熒光型監(jiān)測(cè)儀存在的不足，擬利用目前先進(jìn)的LED紫外燈代替高壓氙燈作為光源，研發(fā)基于LED紫外光源的新型溢油監(jiān)測(cè)設(shè)備。但由于LED紫外光強(qiáng)度不足以有效激發(fā)熒光，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用紫外光反射原理來(lái)監(jiān)測(cè)油膜。

LED光源發(fā)射特定波段的紫外光束，利用水面和油面對(duì)光反射情況的差異，監(jiān)測(cè)儀相應(yīng)地接收不同負(fù)荷的能量，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)反射光的強(qiáng)度變化來(lái)判斷油膜的出現(xiàn)。該設(shè)計(jì)在大幅降低系統(tǒng)成本并提高儀器壽命的同時(shí)，還可以有效檢測(cè)到原油、柴油、汽油、潤(rùn)滑油等可在水面形成油膜的油品。

3.2 監(jiān)測(cè)儀整體設(shè)計(jì)

紫外油膜監(jiān)測(cè)儀可分為光源部分和探測(cè)器部分。監(jiān)測(cè)儀工作時(shí)，首先，LED燈驅(qū)動(dòng)電路以程序設(shè)定的頻率點(diǎn)亮LED燈光源，發(fā)射脈沖紫外光，紫外光通過(guò)匯聚鏡匯聚之后形成的錐形光束照射在待測(cè)目標(biāo)上，光束遇水面后反射至拋物鏡面，再由鏡面將反射光聚焦至光傳感器，光傳感器將收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)主控板的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，得到的數(shù)字信號(hào)數(shù)值與主控板的單片機(jī)中存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，主控板將對(duì)比后的結(jié)果送入上位機(jī)進(jìn)行處理。

當(dāng)水面發(fā)生溢油現(xiàn)象時(shí)，反射的紫外光強(qiáng)度變強(qiáng)，數(shù)字信號(hào)值迅速變大，當(dāng)數(shù)字信號(hào)數(shù)值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，主控板將信號(hào)送至上位機(jī)中，上位機(jī)通過(guò)短信報(bào)警模塊給相關(guān)責(zé)任人發(fā)送短信報(bào)警。上位機(jī)還可控制聲光報(bào)警器進(jìn)行聲光報(bào)警，提高了對(duì)水面溢油的監(jiān)測(cè)效率。

4 性能測(cè)試

針對(duì)可能影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的參數(shù)，利用測(cè)試平臺(tái)全面開(kāi)展LED油膜監(jiān)測(cè)儀性能測(cè)試，明確監(jiān)測(cè)儀的各項(xiàng)工作參數(shù)，檢測(cè)設(shè)備穩(wěn)定性和靈敏度。

4.1 油品種類(lèi)

調(diào)整設(shè)備底部(發(fā)送接收面)距水面垂直距離，用針管吸取油品，逐滴向下方容器內(nèi)水面滴加等量的不同油品，記錄隨時(shí)間響應(yīng)的信號(hào)值，分別測(cè)試監(jiān)測(cè)儀對(duì)柴油、汽油、潤(rùn)滑油、污油、原油等不同油品的響應(yīng)程度。

測(cè)試結(jié)果表明：監(jiān)測(cè)儀對(duì)各類(lèi)油品都有明顯響應(yīng)。上述油品滴入后，都能在水面迅速擴(kuò)散形成油膜，由于油膜反射率比水大所以能被檢測(cè)到。本溢油監(jiān)測(cè)儀對(duì)柴油、汽油、燃料油、污油、原油等不同油品有良好的分辨能力。其中，柴油、燃料油、原油等性質(zhì)較為穩(wěn)定的油品，其信號(hào)值響應(yīng)曲線也較為平穩(wěn)；汽油(易揮發(fā))及污油(雜質(zhì)多且油膜分散不一)等性質(zhì)較不穩(wěn)定油品的響應(yīng)值則波動(dòng)較大。

4.2 油膜厚度

調(diào)整設(shè)備底部(發(fā)送接收面)距水面垂直距離，用針管吸取性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的柴油，逐滴緩慢加入水中，待油膜均勻散開(kāi)，記錄其在油膜散開(kāi)后的響應(yīng)信號(hào)值，根據(jù)計(jì)算得出其分別對(duì)應(yīng)的油膜厚度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，少量添加柴油就能使響應(yīng)值升高，隨著滴入量的不斷加大，數(shù)值大幅度增加。測(cè)試結(jié)果表明，本溢油監(jiān)測(cè)儀可監(jiān)測(cè)微米級(jí)油膜的性能相吻合。

4.3 監(jiān)測(cè)高度

通過(guò)調(diào)節(jié)儀器懸掛高度，測(cè)試監(jiān)測(cè)儀在不同高度下對(duì)柴油油膜的監(jiān)測(cè)能力，考察安裝高度因素對(duì)LED油膜監(jiān)測(cè)儀的影響。

結(jié)果表明：隨著安裝高度的升高，監(jiān)測(cè)信號(hào)呈規(guī)律性衰減趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)儀安裝高度在1.0～3.5 m區(qū)間監(jiān)測(cè)信號(hào)較為穩(wěn)定。油膜監(jiān)測(cè)儀應(yīng)安裝在水面的正上方，安裝高度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求和設(shè)備配置來(lái)確定。溢油監(jiān)測(cè)儀下方的有效監(jiān)測(cè)區(qū)域，應(yīng)根據(jù)出射角度和安裝高度，計(jì)算得出有效監(jiān)測(cè)面積，依據(jù)調(diào)試數(shù)據(jù)，安裝高度2.5 m約對(duì)應(yīng)1 m2的有效監(jiān)測(cè)面積。

4.4 水流速度

打開(kāi)水泵，模擬流動(dòng)狀態(tài)，記錄數(shù)值，估算水流速度。在不同流速取值下，測(cè)試對(duì)不同高度下流速影響的監(jiān)測(cè)儀油品響應(yīng)值的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：流速對(duì)信號(hào)強(qiáng)度有一定影響，但影響的主要因素是水流狀態(tài)(層流/亂流)；隨著水流速度的不斷升高，油品響應(yīng)絕對(duì)值會(huì)呈一定的下降趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著輸油管道的建設(shè)與發(fā)展，以及人們環(huán)保意識(shí)和維權(quán)意識(shí)提高，如何有效防范輸油管道環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)已成為石油石化企業(yè)環(huán)保管理工作的重要內(nèi)容，而提高溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警能力是風(fēng)險(xiǎn)防控的核心環(huán)節(jié)。基于LED紫外光源的新型溢油監(jiān)測(cè)設(shè)備，克服了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，具有靈敏度高、環(huán)境適應(yīng)性好、監(jiān)測(cè)油品種類(lèi)廣泛、安全防爆等特點(diǎn)，完全可應(yīng)用于輸油管道溢油監(jiān)測(cè)，從而提高石油石化企業(yè)對(duì)管道溢油風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。