環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)在石化企業(yè)的應(yīng)用

呂燕君

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

石油化工企業(yè)生產(chǎn)過程中涉及到的化學(xué)品種類繁多，這些化學(xué)品的排放或泄漏可能對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。而企業(yè)在泄漏和排放監(jiān)管方面，監(jiān)督常常止于廠際邊界控制，難以準(zhǔn)確追溯和判定發(fā)生泄漏的具體裝置，更難以做到提前判斷；在環(huán)保事故處理方面，缺乏準(zhǔn)確和量化的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，難以準(zhǔn)確判斷因泄漏引起的危害程度和受影響的區(qū)域范圍。

因此，為加強(qiáng)排放溯源和安全應(yīng)急能力，中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)借助信息技術(shù)開展環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用工作。在日常生產(chǎn)情況下，通過環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)監(jiān)測(cè)空氣中的排放物，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和計(jì)算后，幫助環(huán)保管理人員對(duì)超標(biāo)排放物進(jìn)行溯源，判定排放超標(biāo)的原因。當(dāng)遇到泄漏事故時(shí)，應(yīng)用環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)快速分析確定泄漏源位置和泄漏影響區(qū)域，并在地圖上直觀展示，幫助應(yīng)急指揮人員對(duì)事故的影響范圍和程度做出清晰判斷，提高企業(yè)在環(huán)?？刂?、應(yīng)急響應(yīng)、應(yīng)急救援及應(yīng)急指揮方面的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

1 功能實(shí)現(xiàn)

建立上海石化環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)，通過自動(dòng)采集有毒有害氣體、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等的實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)，采用“羽流”模型計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)排放物溯源，對(duì)全公司VOCs、氮氧化物進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測(cè)和追溯，快速定位到裝置，并提供實(shí)時(shí)應(yīng)急響應(yīng)解決方案，為應(yīng)急演練提供模擬信息平臺(tái)，提升企業(yè)在環(huán)境保護(hù)方面的管理水平和應(yīng)急響應(yīng)能力。

1.1 基礎(chǔ)地圖支撐應(yīng)用

以地理信息系統(tǒng)(GIS)地圖作為環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示平臺(tái)的背景，提供地理應(yīng)用的基本功能，包括放大、縮小、漫游、全圖、鷹眼、清除、打印、數(shù)據(jù)等，并在側(cè)邊欄提供功能應(yīng)用模塊以及數(shù)據(jù)篩選等功能。

1.2 環(huán)保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示

在地圖上展示廠區(qū)全貌，標(biāo)識(shí)出各個(gè)傳感器所處位置和采樣數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全公司范圍內(nèi)各裝置傳感器及環(huán)境監(jiān)測(cè)站分析儀的實(shí)時(shí)展示。用戶分為公司級(jí)、部門級(jí)、裝置級(jí)，在授權(quán)范圍內(nèi)瀏覽傳感器采樣點(diǎn)詳細(xì)數(shù)據(jù)，包括裝置名稱、設(shè)備位號(hào)、物料名稱、濃度、限值、時(shí)間、經(jīng)緯度、以及濃度趨勢(shì)展示等。

1.3 環(huán)保數(shù)據(jù)限值報(bào)警

將傳感器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與用戶預(yù)先設(shè)定在系統(tǒng)中的限值相比較，如果超出限值范圍，則在地圖上發(fā)出報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)限值報(bào)警。當(dāng)某采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)超限時(shí)，系統(tǒng)推送報(bào)警事件展示到地圖相應(yīng)位置上，實(shí)現(xiàn)報(bào)警閃爍，同時(shí)可查看該點(diǎn)的報(bào)警統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)報(bào)警信息以及歷史報(bào)警列表信息，還可以從事業(yè)部層級(jí)進(jìn)行報(bào)警統(tǒng)計(jì)，顯示各事業(yè)部的傳感器報(bào)警統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.4 有害氣體泄漏溯源

如果某采樣點(diǎn)觸發(fā)限值報(bào)警，系統(tǒng)基于風(fēng)力模型查找附近區(qū)域其他傳感器數(shù)據(jù)，在具備至少兩組有效的傳感器數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，計(jì)算出泄漏點(diǎn)位置，現(xiàn)場(chǎng)人員據(jù)此精確查找并確認(rèn)泄漏點(diǎn)位置，并進(jìn)一步進(jìn)行擴(kuò)散分析。

如果在報(bào)警點(diǎn)附近沒有匹配的其他傳感器數(shù)據(jù)，缺少計(jì)算所需的兩個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)則計(jì)算出擬檢測(cè)點(diǎn)位置，將信息發(fā)送至移動(dòng)救援車。移動(dòng)救援車按要求達(dá)到指定位置開展檢測(cè)并上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，再由系統(tǒng)計(jì)算出泄漏點(diǎn)位置。

1.5 環(huán)保事件應(yīng)急預(yù)案

針對(duì)關(guān)鍵裝置重點(diǎn)部位，在系統(tǒng)中創(chuàng)建應(yīng)急事故模型，形成不同類型化學(xué)物質(zhì)泄漏情況下的應(yīng)急預(yù)案，模擬展示泄漏點(diǎn)、泄漏濃度、結(jié)合實(shí)際氣象條件計(jì)算泄漏擴(kuò)散路徑。預(yù)案可以分不同類型保存并隨時(shí)進(jìn)行歷史回看，輔助生產(chǎn)安全管理部門制定應(yīng)急預(yù)案，組織應(yīng)急演練。

預(yù)案配置主要包括：氣體名稱、泄漏類型(擴(kuò)散、噴射、燃燒等)、泄漏量(速率/質(zhì)量/體積)、泄漏時(shí)間(相對(duì)時(shí)間或絕對(duì)時(shí)間)、泄漏地點(diǎn)(地圖上定位)。

1.6 報(bào)警消息及時(shí)推送

環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)與企業(yè)移動(dòng)通訊代理服務(wù)器建立短信網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序接口(API)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的及時(shí)推送，按照用戶預(yù)先設(shè)置的規(guī)則定制生成信息內(nèi)容和推送范圍，自動(dòng)將報(bào)警信息通知到相關(guān)生產(chǎn)安全管理人員。

2 關(guān)鍵技術(shù)

采用SAFER Real-Time軟件，建立環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)，應(yīng)用“羽流”模型計(jì)算技術(shù)，利用實(shí)時(shí)氣象及傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在地理信息系統(tǒng)以及實(shí)際的地形信息界面上準(zhǔn)確展示事故的發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括高級(jí)反算、反軌跡模型和化學(xué)品數(shù)據(jù)庫。

2.1 高級(jí)反算

高級(jí)反算(advanced back calculation，ABC)是用于計(jì)算化學(xué)品泄漏率的專利算法，基于拉格朗日模型(Lagrangian Integrated Puff Model)。環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)綜合實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)及氣體傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算化學(xué)品的泄漏率，通過衡量擴(kuò)散時(shí)間計(jì)算出對(duì)下風(fēng)向區(qū)域的影響程度，生成羽流圖，從而對(duì)事故對(duì)泄漏區(qū)域及周邊社區(qū)的影響做出評(píng)估。

環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)讀取多個(gè)處于不同位置的傳感器數(shù)據(jù)，在2 h預(yù)測(cè)窗口內(nèi)，持續(xù)采集并使用特定氣象數(shù)據(jù)下實(shí)際時(shí)間點(diǎn)的氣體濃度數(shù)據(jù)，使用氣體濃度值判斷事故影響程度及范圍。在事故發(fā)生過程中，氣象條件以及傳感器讀取的數(shù)據(jù)會(huì)不斷產(chǎn)生變化，高級(jí)反算能夠讀取并綜合使用所有變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新計(jì)算，持續(xù)不斷地預(yù)測(cè)下風(fēng)向的影響情況。

2.2 反軌跡模型

類似于高級(jí)反算(ABC)，使用氣體和氣象數(shù)據(jù)推算出“羽流”前進(jìn)的路徑，泄漏源定位采用反軌跡模型來計(jì)算反向軌跡，使用氣象數(shù)據(jù)以及兩個(gè)以上的泄漏化學(xué)品氣體的濃度數(shù)據(jù)，調(diào)用高斯(Gaussian)模型計(jì)算所測(cè)點(diǎn)的濃度，從而定位出最有可能的泄漏源。其計(jì)算結(jié)果不僅可以用于確定排放源位置，并結(jié)合該位置附近的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝等因素進(jìn)行分析，最終確定排放的原因，而且可以在發(fā)生緊急情況時(shí)，幫助應(yīng)急指揮人員確定最佳的疏散路線，選擇合適的避難場(chǎng)所，科學(xué)調(diào)配救災(zāi)資源，以及確定泄露事故的責(zé)任歸屬。

2.3 化學(xué)品數(shù)據(jù)庫

環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)的SAFER Real-Time軟件包含普通化學(xué)品庫，是模型計(jì)算所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，可以選擇已有的化學(xué)品或者創(chuàng)建新的單組分化學(xué)品和定義多組分液態(tài)及氣態(tài)化學(xué)品。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)源采集

環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)重點(diǎn)是對(duì)全公司VOCs、氮氧化物進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測(cè)和追溯，模型計(jì)算需要收集的數(shù)據(jù)源主要從固定氣體監(jiān)測(cè)儀、環(huán)境監(jiān)測(cè)站、氣象站、移動(dòng)救援車、日常巡檢儀等設(shè)備獲取，危險(xiǎn)化學(xué)品數(shù)據(jù)包括可燃?xì)怏w、硫化氫、苯、CO、氫氣、氧氣、氨氣、NO、NO2、SO2、Cl2及其他有毒有害氣體，氣象數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、太陽輻射等。固定傳感器數(shù)據(jù)原則上就近接入裝置分布式控制系統(tǒng)(DCS)，集中經(jīng)PHD實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫傳送至環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸接口主要有：

環(huán)境監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)傳輸。從上海石化環(huán)境監(jiān)測(cè)站獲取H2S-SO2分析儀、NH3-NO-NO2-NOx分析儀、高沸點(diǎn)有機(jī)物GC-FID分析儀、低沸點(diǎn)有機(jī)物GC-FID分析儀、有機(jī)硫化合物GC-FID分析儀的分析數(shù)據(jù)，從氣象分析儀獲取風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度數(shù)據(jù)，從太陽輻射儀獲取太陽光輻射度數(shù)據(jù)；

固定氣體傳感器數(shù)據(jù)傳輸。上海石化現(xiàn)有固定式傳感器數(shù)據(jù)約3 700個(gè)，傳感器數(shù)據(jù)從裝置DCS傳輸?shù)絇HD實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，經(jīng)OPC Server供環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)讀取有毒有害、可燃?xì)怏w的數(shù)據(jù)，讀取方式為OPC Client主動(dòng)讀取，刷新間隔為30 s；

移動(dòng)氣體傳感器數(shù)據(jù)傳輸。上海石化移動(dòng)氣體傳感器配置了PID/LEL/H2S/CO/O2探頭，通過中繼器RAELINK3實(shí)現(xiàn)移動(dòng)檢測(cè)聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)直接傳送到環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)；

移動(dòng)救援車數(shù)據(jù)傳輸。移動(dòng)氣體傳感器直接與環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)集成，與SAFER Real-Time軟件自動(dòng)對(duì)接數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)靈活布點(diǎn)監(jiān)控。在日常使用中，在已追溯到的排放源附近部署移動(dòng)氣體傳感器，通過獲取更多的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高溯源計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度。

3.2 計(jì)算結(jié)果展示

根據(jù)上海石化的地理位置，GIS數(shù)據(jù)覆蓋以北緯N29°55′58.50″、東經(jīng)E121°57′20.19″為中心，半徑為10 km的地理范圍。環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)以地圖為WEB頁面展示背景，通過采集移動(dòng)及固定傳感器地理位置數(shù)據(jù)和氣體樣本數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)展示現(xiàn)場(chǎng)所有傳感器的物理分布情況，并展示環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，包括數(shù)據(jù)列表方式和地理圖形方式。

4 典型應(yīng)用

4.1 應(yīng)對(duì)環(huán)保指標(biāo)超限，快速溯源定位泄漏

當(dāng)發(fā)現(xiàn)有環(huán)保數(shù)據(jù)超標(biāo)報(bào)警時(shí)，應(yīng)用環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)的溯源功能，可以快速定位泄漏源所在裝置，為防止環(huán)保事故和減少事故影響爭(zhēng)取寶貴的整治時(shí)間。上海石化安全環(huán)保部建立溯源小組，借助環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)作為技術(shù)手段，開展廠界異味管理和現(xiàn)場(chǎng)溯源管理。如衛(wèi)二路廠界附近曾發(fā)生苯系物偏高事件，當(dāng)時(shí)檢測(cè)到甲苯超標(biāo)報(bào)警，安全環(huán)保部使用環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定源頭是位于衛(wèi)二路廠界外北側(cè)的某塑料制品公司煙囪在15 m高處排放苯系物，系統(tǒng)分析結(jié)果為快速查處環(huán)保事件提供了準(zhǔn)確依據(jù)。

4.2 模擬氣體泄漏影響，研究制定應(yīng)急預(yù)案

環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)能在幾十秒到幾分鐘內(nèi)得出計(jì)算結(jié)果，形成有關(guān)有毒氣體當(dāng)前及后續(xù)影響的預(yù)測(cè)報(bào)告，為有效評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)、制定計(jì)劃、部署資源和做出正確決定提供所需信息。上海石化生產(chǎn)部結(jié)合實(shí)際情況，應(yīng)用環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)的預(yù)案管理功能，研究定制多種應(yīng)急預(yù)案，用于化學(xué)品泄漏的應(yīng)急預(yù)案模擬。

4.3 通過屏幕全局指揮，理性規(guī)避救援風(fēng)險(xiǎn)

環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)能自動(dòng)采集并分析傳感器有關(guān)泄漏物質(zhì)濃度、所在位置、天氣等信息，基于實(shí)時(shí)反饋的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行羽流擴(kuò)散方向和濃度的準(zhǔn)確計(jì)算，羽流大小和形狀能夠從時(shí)間和空間上清晰地展示事故當(dāng)前及未來2 h內(nèi)的預(yù)計(jì)影響。

萬一發(fā)生化學(xué)品泄漏緊急事故，環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)能提供氣體泄漏的即時(shí)和預(yù)估信息，在緊急情況時(shí)可通過上海石化應(yīng)急指揮中心大屏幕將救援指揮從現(xiàn)場(chǎng)移至安全區(qū)域，做到縱觀全局，運(yùn)籌帷幄，幫助救援人員在最新的事態(tài)發(fā)展和資源條件下，決定采取最合理的應(yīng)急和營(yíng)救措施，保障員工、周邊社區(qū)和財(cái)產(chǎn)安全。

5 結(jié)語

上海石化環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)通過自動(dòng)采集有毒有害氣體的實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)，采用“羽流”模型計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)有害氣體排放的溯源，可以對(duì)VOCs、氮氧化物進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，快速定位泄漏源，并提供應(yīng)急響應(yīng)解決方案，提升石化企業(yè)環(huán)保管理水平和應(yīng)急指揮能力。隨著實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的升級(jí)和移動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的更新，環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源接口需要及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保持測(cè)算所需的數(shù)據(jù)源自動(dòng)傳輸。通過加強(qiáng)信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和集成應(yīng)用，不僅可以減少手工輸入現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)和全球定位系統(tǒng)(GPS)信息的工作量，提高測(cè)算工作效率，而且可確保傳感器數(shù)據(jù)和氣象環(huán)境數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確性、完整性和及時(shí)性，避免因數(shù)據(jù)源不足或存在時(shí)間差而導(dǎo)致溯源定位或預(yù)測(cè)影響不準(zhǔn)確，從而進(jìn)一步提升環(huán)保溯源輔助決策系統(tǒng)的應(yīng)用效果。