化工企業(yè)TVOC 網(wǎng)格化在線預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)方案

吳元本

摘要：大氣治理進(jìn)入深水區(qū)，PM2.5 和臭氧成最大痛點(diǎn)，“臭氧不斷吞噬掉一些優(yōu)良天數(shù)”。如何有效管控臭氧，打造綠色工廠，是當(dāng)前石化企業(yè)大氣污染治理的一大難點(diǎn)。本文從 VOC 網(wǎng)格化監(jiān)測方面提供大氣治理的管控思路和技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：TVOC 監(jiān)測;化工廠區(qū);網(wǎng)格化;大氣污染;預(yù)警監(jiān)測

我國空氣質(zhì)量整體延續(xù)了過去七年的改善勢頭，但幅度明顯減小，全國仍有一半以上的城市不能全面達(dá)到空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，主要污染物中，臭氧格外引人注目。自 2013 年發(fā)布臭氧數(shù)據(jù)以來，全國臭氧污染濃度水平一直處于上升趨勢。2019 年，全國 337 個(gè)城市的臭氧平均濃度同比漲幅 6.5%，其中珠三角、長三角、京津冀及周邊等重點(diǎn)區(qū)域的漲幅更為顯著，且年均濃度均超標(biāo)。PM2.5 與臭氧的協(xié)同治理，需要依賴科技支撐優(yōu)化減排路徑和措施組合，揮發(fā)性有機(jī)物（ VOCs）是大氣光化學(xué)過程的主要參與者，是對(duì)流層大氣 03 和二次有機(jī)氣溶膠生成的主要前體物[1]。在這樣的背景下，石化行業(yè)采用網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)成為行業(yè) VOC 治理技術(shù)新的嘗試。本文主要對(duì) TVOC 網(wǎng)格化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)方案進(jìn)行概述， 對(duì)其布設(shè)原則和技術(shù)要求進(jìn)行分析，從而提高預(yù)警效率，完善 TVOC 監(jiān)測，從而改善環(huán)境質(zhì)量。

空氣質(zhì)量改善整體放緩，臭氧污染日益突出，“十四五”期間，要重視臭氧和細(xì)顆粒物（PM2.5）的協(xié)同治理，在進(jìn)一步采取減排措施持續(xù)降低 PM2.5 濃度的同時(shí)，遏制臭氧污染上升趨勢。VOC 網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)，顧名思義，是將化工廠區(qū)劃定大氣污染防治管理網(wǎng)格，大范圍、高密度的布點(diǎn)，能實(shí)時(shí)了解污染來源， 客觀真實(shí)反映污染現(xiàn)狀，綜合分析污染原因。我國針對(duì) TVOC 治理方面的力度沒有達(dá)到既定的水平，很多化工企業(yè)沒有設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)格化 TVOC 監(jiān)測系統(tǒng)，這就導(dǎo)致了很多監(jiān)管部門和企業(yè)都無法及時(shí)對(duì)廠內(nèi) TVOC 排放情況進(jìn)行分析，從而更為全面地監(jiān)控污染物。因此，我們需要不斷強(qiáng)化網(wǎng)格化 TVOC 在化工廠區(qū)的監(jiān)測。揮發(fā)性有機(jī)物（TVOC）網(wǎng)格化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可輔助化工企業(yè)相關(guān)部門切實(shí)提高大氣環(huán)境精細(xì)化管理水平的。

一、系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

實(shí)現(xiàn)“邊界”管控

通過在廠界四周圍墻安裝無組織環(huán)境空氣監(jiān)測站及廠內(nèi)各裝置區(qū)環(huán)境敏感點(diǎn)周邊安裝壁掛式 TVOC 微型站，可將影響環(huán)境空氣質(zhì)量的大氣監(jiān)測因子、TVOC 特征污染因子和惡臭氣體在 GIS 地圖上進(jìn)行空間分布展示，通過疊加動(dòng)態(tài)風(fēng)場圖，自動(dòng)分析識(shí)別異常點(diǎn)位，通過設(shè)置的告警規(guī)則，向指定人員發(fā)送報(bào)警信息，為后期治理提供數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)“邊界”管控[2]。

實(shí)現(xiàn)“水平”管控

通過在上風(fēng)向安裝水平掃描的 TVOC 預(yù)警激光雷達(dá)，可以有效覆蓋水平方向半徑為 6-8 公里范圍內(nèi) TVOC、PM10 和 PM2.5 濃度分布，結(jié)合 GIS 地圖， 可以有效確定監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各廠區(qū)和裝置的 TVOC 泄露和排放情況，顆粒物水平污染分布情況等，基于 TVOC 預(yù)警雷達(dá)掃描監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用特定的算法，對(duì)雷達(dá)每一天的掃描或監(jiān)測數(shù)據(jù)的進(jìn)行迭代反演，凸顯高濃度污染分布，繪制 TVOC

污染分布圖，可以判斷 TVOC、PM10＼PM2.5 顆粒物排放規(guī)律和污染趨勢，為后期 TVOC 和顆粒物污染的管控和治理提供幫助[3]。

實(shí)現(xiàn)“立體”管控

通過在上風(fēng)向和下風(fēng)向兩個(gè)地方安裝垂直掃描 TVOC 預(yù)警激光雷達(dá)，垂直掃描半徑不小于 6 公里，掃描范圍 0-180 度，可以給出 TVOC、PM10 和 PM2.5 濃度的垂直“扇形“分布，同時(shí)結(jié)合風(fēng)向和風(fēng)速等氣象條件和氣態(tài)立體擴(kuò)散模型， 有效判斷 VOC 和顆粒物的輸送路徑和情況，為突發(fā)污染事故提供數(shù)據(jù)和決策支持。

二、技術(shù)要求

氣溶膠預(yù)警激光雷達(dá)技術(shù)要求

運(yùn)用激光作為發(fā)射器的空間遙感技術(shù)原理，對(duì)煉廠高空大氣環(huán)境 TVOC 載體的氣溶膠連續(xù)監(jiān)測。在廠界上下風(fēng)向布設(shè) TVOC 預(yù)警激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，分別做水平方向和切面方向的掃描，水平掃描可監(jiān)測廠界內(nèi)污染物分布，追蹤污染物無組織排放（污染溯源），污染物擴(kuò)散動(dòng)態(tài)跟蹤的預(yù)警監(jiān)測;切面掃描監(jiān)測污染物的跨界傳輸、通量計(jì)算。最終得到大氣環(huán)境氣溶膠分布的立體結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合邊界站的網(wǎng)格化監(jiān)測數(shù)據(jù)和雷達(dá)VOC 總量校準(zhǔn)模塊對(duì)激光雷達(dá)探測的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，通過軟件和模型的反演得到準(zhǔn)確的 TVOC、PM10 和 PM2.5 的濃度水平，最后把雷達(dá)影像、泄漏點(diǎn)熱成像、現(xiàn)場照片和監(jiān)測數(shù)據(jù)整合到軟件上，實(shí)現(xiàn)特征污染物 TVOC 的溯源和預(yù)警。

壁掛式 TVOC 微型站技術(shù)要求

利用壁掛式TVOC 微型站連續(xù) 24 小時(shí)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，監(jiān)測指標(biāo)包括 TVOC、臭氣濃度和強(qiáng)度、風(fēng)向風(fēng)速。建立 TVOC 惡臭網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)，將廠區(qū)劃分為若干網(wǎng)格，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行惡臭 OU 值、TVOC 進(jìn)行在線監(jiān)測。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，在監(jiān)測平臺(tái)顯示報(bào)警信息，并將報(bào)警信息同時(shí)發(fā)送到相關(guān)負(fù)責(zé)人手機(jī)端，結(jié)合廠內(nèi)空氣站數(shù)據(jù)對(duì)污染來源做出初步定位，與廠內(nèi)環(huán)境監(jiān)測車聯(lián)動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場定性定量分析，實(shí)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)預(yù)警，避免污染事件的發(fā)展與擴(kuò)大。系統(tǒng)可監(jiān)測到廠區(qū)內(nèi)部污染物的產(chǎn)生，并結(jié)合局地氣象擴(kuò)散條件分析污染物遷移情況，實(shí)現(xiàn)污染物來源分析。

廠界無組織在線監(jiān)測站技術(shù)要求

廠界環(huán)境監(jiān)控點(diǎn) 4 個(gè)（選定 16 項(xiàng)監(jiān)測因子，非甲烷總烴、苯、甲苯、二甲苯、硫化氫、氨、環(huán)氧乙烷、乙二醇、甲醇、醋酸乙烯、苯乙烯、丙酮、NOX、O3、TSP、PM2.5）、風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓等五參數(shù);數(shù)據(jù)采樣和傳輸設(shè)備用于采集、處理和存儲(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并能按中心計(jì)算機(jī)指令傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備工作狀態(tài)信息，應(yīng)包括但不限于子站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和中心站數(shù)據(jù)管理軟件 等。

三、布點(diǎn)原則

根據(jù) HJ664-2013《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)技術(shù)規(guī)范》要求，結(jié)合廠區(qū)內(nèi)的裝置平面布置、地區(qū)常年主導(dǎo)風(fēng)向，采取符合標(biāo)準(zhǔn)、便于安裝的原則，同時(shí)考慮各裝置各單元進(jìn)出物料性質(zhì)及易泄漏點(diǎn)進(jìn)行加密布設(shè)，形成兼顧全廠的網(wǎng)格化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，最后由公司各部門會(huì)商確定點(diǎn)位選擇，有條件可以聯(lián)合設(shè)計(jì)院進(jìn)行設(shè)計(jì)布點(diǎn)。

雷達(dá)安裝地點(diǎn)選擇

氣溶膠激光預(yù)警雷達(dá)安裝 2 套，1 套放在綜合樓頂，配置紅外熱成像，1 套放在污水廠管理用房房頂，形成對(duì)角線位置，以周邊 100 米距離無明顯遮擋物為原則。

壁掛式 TVOC 微型站安裝地點(diǎn)選擇

了解本地區(qū)常年主導(dǎo)風(fēng)向，大致估計(jì)出污染物的可能擴(kuò)散概況;設(shè)置于平均風(fēng)向軸線兩側(cè)，監(jiān)控點(diǎn)與無組織排放源所形成的夾角不能超出風(fēng)向變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差;各采樣點(diǎn)的設(shè)置條件要盡可能一致或標(biāo)準(zhǔn)化，使獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有可比性。盛虹煉化壁掛式防爆型微型站根據(jù)廠區(qū)大小布設(shè) 37 套 TVOC 微型站，儀表箱距離地面 1.5 米，設(shè)置立柱或依托周邊附屬物。

廠界環(huán)境空氣無組織監(jiān)測站房地點(diǎn)選擇

站房的配置應(yīng)滿足《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物（SO2、NO2、O3、CO）連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)安裝驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》HJ193-2013 及修改單、《環(huán)境空氣顆粒物（PM10 和 PM2.5）連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)安裝和驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》HJ655-2013 及修改單的相關(guān)要求。站房的尺寸、機(jī)柜、機(jī)架、配電設(shè)施、通訊接口等，除滿足本項(xiàng)目分析儀器布置之外，應(yīng)有冗余配置。盛虹煉化無組織排放監(jiān)測站 1 位于西廠界、 2 位于南廠界、3 位于東廠界、 4 位于北廠界，分別放置在廠區(qū)四個(gè)方向圍墻旁。儀表樣式及廠區(qū)平面布點(diǎn)圖如下：

四、通信管理

所有 37 套微型站通過無線網(wǎng)絡(luò)（5G）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互連;2 套雷達(dá)利用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)互連，廠界 4 套無組織在線監(jiān)測站房利用光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互連并且按照法規(guī)要求將監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)上傳地方環(huán)保部門。各類信號(hào)接線箱防爆級(jí)別不得低于工藝設(shè)計(jì)的防爆電器級(jí)別，信號(hào)輸出電纜按照 HG/T 20512《儀表配管配線設(shè)計(jì)規(guī)定》選用（表 5），信號(hào)電纜走線采用獨(dú)用的信號(hào)電纜橋架和匯線槽鋪設(shè)，如果有本安信號(hào)電纜，需采用單獨(dú)的匯線槽，不能與其他信號(hào)線一起鋪設(shè)，這樣就避免或減少了不同電平信號(hào)對(duì)它的干擾[4]。通過公司建設(shè)的 TVOC 在線監(jiān)測預(yù)警管控平臺(tái)， 將廠區(qū)范圍內(nèi)所有的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)整合在一起，時(shí)時(shí)顯示污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)，展示所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、表格、圖表、報(bào)告和分類等信息。

公司建設(shè)有智能化工廠管控平臺(tái)以及HSE 信息化管理平臺(tái)，兩個(gè)平臺(tái)都可以抓取 TVOC 網(wǎng)格化監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，供管理人員查看，并且根據(jù)軟件強(qiáng)大的信息處理能力，及時(shí)研判變化趨勢，告知企業(yè)管理人員采取相應(yīng)的措施，及時(shí)處理可能發(fā)生的異常排污及預(yù)判環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

五、可實(shí)現(xiàn)的效果及達(dá)到的目的

通過氣溶膠雷達(dá)（含紅外熱成像）及壁掛式 TVOC 微型站（含臭氣檢測器）、廠界無組織監(jiān)測站組合使用，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)化工廠現(xiàn)場廢氣泄漏情況;

及時(shí)發(fā)現(xiàn)和判定TVOC 及臭氣超標(biāo)是由企業(yè)內(nèi)部裝置泄露導(dǎo)致還是化工園區(qū)其他企業(yè)飄進(jìn)來的污染物導(dǎo)致;

氣溶膠雷達(dá)及紅外熱成像儀可作為 LDAR 的輔助手段，對(duì)泄漏量較大的點(diǎn)位及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)治理;

硬件設(shè)施與軟件設(shè)施相互配合，精準(zhǔn)且全面的展示各裝置現(xiàn)場各監(jiān)測點(diǎn)位的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位的監(jiān)測數(shù)值;

在地方環(huán)保局及其他政府部門檢查時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)集中展示，為實(shí)現(xiàn)綠色工廠謀劃布局。

六、環(huán)境精細(xì)化管理

網(wǎng)格化環(huán)境空氣監(jiān)測系統(tǒng)能全面掌握化工企業(yè)廠區(qū)內(nèi)污染物的排放情況，為企業(yè)環(huán)保部門實(shí)現(xiàn)對(duì)廠區(qū)內(nèi)外污染區(qū)域精細(xì)化管控和監(jiān)督提供依據(jù)。還能夠掌握污染區(qū)域的污染物實(shí)時(shí)濃度及變化趨勢，對(duì)石化廠區(qū)污染物排放科學(xué)控制，快速捕捉廠區(qū)內(nèi)污染異常排放行為，實(shí)時(shí)預(yù)警，提升企業(yè)環(huán)保部門的監(jiān)管能力加油助力。

結(jié)束語：

綜上所述，日益復(fù)雜的大氣污染狀況正在對(duì)傳統(tǒng)的大氣污染源監(jiān)測方式提出挑戰(zhàn)，當(dāng)前實(shí)施的環(huán)境空氣國控點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)量有限、成本高昂，以點(diǎn)代面的方法導(dǎo)致時(shí)效性不足，達(dá)不到精細(xì)化管控的目標(biāo)，且無法實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測體系中時(shí)空動(dòng)態(tài)趨勢分析、污染減排評(píng)估、污染來源追蹤、環(huán)境預(yù)警預(yù)報(bào)等能力的深度挖掘。網(wǎng)格化的監(jiān)測體系可在區(qū)域內(nèi)全覆蓋，實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率的大氣污染監(jiān)測，結(jié)合信息化大數(shù)據(jù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)污染來源追蹤、預(yù)警預(yù)報(bào)等功能，為環(huán)境污染防控提供更為及時(shí)有效的決策支持，讓人類和社會(huì)都得以持續(xù)健康綠色發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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

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

林燕珍，陳婉敏，淺談大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)測的應(yīng)用[J]，廣東化工， 2019，46（14）：120-121.

陳濤，激光雷達(dá)探測大氣氣溶膠反演算法及光學(xué)特性研究[D]，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密儀器研究所，2010.

錢耀紅，李亞楠，在線分析小屋系統(tǒng)在 EO 裝置中的應(yīng)用[B]，化工自動(dòng)化及儀表，2013，040（007）：910-916.