周志國

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

相比煉油廠、油庫等其他石油石化生產(chǎn)設施，油品輸送管道具有點多、線長、面廣的特點，面臨的自然及社會環(huán)境復雜，更易受外界影響。本文分析總結了目前溢油監(jiān)測預警技術發(fā)展及應用現(xiàn)狀，提出了適用于油品管道溢油風險監(jiān)測預警的技術需求，并利用紫外反射原理，開展了基于LED紫外光源的溢油監(jiān)測預警設備研發(fā)及實驗。

1 溢油監(jiān)測技術現(xiàn)狀

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

1.1 衛(wèi)星遙感和星載雷達SAR監(jiān)測

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

衛(wèi)星遙感技術的優(yōu)點是能夠全天候監(jiān)測海面情況，監(jiān)測規(guī)模大，能夠有效預測溢油的運動趨向，能夠運用成熟的圖像處理技術。缺點就是其重復周期過長，不能實時監(jiān)測海域狀況；對小型事故的監(jiān)測誤差比較大，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[5]

航空遙感被普遍應用于溢油應急監(jiān)測中，一方面由于空基航空遙感觀測相對更機動靈活，適合大范圍巡查和重點區(qū)域詳查，同時針對不同規(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、熒光激光雷達等各種類型的傳感器，及時獲取事故現(xiàn)場溢油面積及厚度信息。溢油應急中，航空遙感可用于衛(wèi)星監(jiān)測結果的驗證，彌補衛(wèi)星觀測分辨率、時相的不足。但它也存在一定的局限性，監(jiān)測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

船舶遙感監(jiān)測的理論依據(jù)是雷達對水面和溢油面的反射效果不同，根據(jù)雷達的反射信息對海面進行監(jiān)測。荷蘭、美國、加拿大和俄羅斯在20世紀80年達就已經(jīng)開始在船舶上安裝X波段雷達用于監(jiān)測海面溢油，并做了大量實驗。國內(nèi)，大連海事大學和長江船舶設計院等院校和機構在進行該方面的研發(fā)工作，長江船舶設計院研發(fā)的船舶溢油監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)已投入使用。

1.4 閉路電視(CCTV)監(jiān)測[6]

CCTV監(jiān)視系統(tǒng)是利用可見光/反射紅外波段的遙感技術，國內(nèi)外都有成功應用的經(jīng)驗，如攝像機、照相機，但利用工業(yè)電視系統(tǒng)進行監(jiān)視海面溢油的應用在國內(nèi)仍處于起步階段。目前，我國北方海域各港口中，秦皇島、天津、大連和煙臺建立了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)場的狀況，便于指揮。但CCTV監(jiān)視系統(tǒng)對于海上溢油的發(fā)現(xiàn)貢獻不大，溢油信息很難通過儀器自動處理識別，通常依靠肉眼觀察識別，因此該方法多用于特殊港區(qū)溢油監(jiān)測。

1.5 浮標跟蹤監(jiān)測

海洋浮標作為現(xiàn)代化的海洋觀測設備，利用GPS定位通過GSM/CDMA網(wǎng)絡傳輸數(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)，同時可以實現(xiàn)自動采集、發(fā)送、指示功能。海洋浮標由水上、水下兩部分構成，主要收集氣象數(shù)據(jù)(風速、風向、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)，通過以上參數(shù)建立水動力海浪潮流模型估算海上溢油面積及溢油量等。通過浮標監(jiān)測能夠實現(xiàn)溢油跟蹤及定位，掌握溢油擴散、漂移等動態(tài)信息。目前，將浮標與無人機、無人艇等移動工具進行集成后應用于溢油監(jiān)測的研究也逐漸增多[7，8]。

浮標跟蹤主要用于溢油事故后跟蹤監(jiān)測油膜的漂浮軌跡，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)和預警功能。

1.6 固定點監(jiān)測

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

電磁能量吸收傳感器[12]是通過建立油污厚度與電磁能量吸收率的數(shù)學模型來對海上溢油事故進行監(jiān)測的方法(海水、原油、空氣三種介質(zhì)對高頻電磁波能量的吸收率不同)。這種監(jiān)測方法主要通過衡量電磁波在傳播過程中的衰減強度和油污厚度間的線性關系來監(jiān)測溢油事故。但由于監(jiān)測為接觸式，對水文條件有較高要求，且設備易受污染。美國GE公司開發(fā)的LEAKWISE(電磁吸收型)溢油監(jiān)測儀在國外Shell、BP、Exxon Mobil等企業(yè)都有應用，但該技術的不足之處是：由于測試方式為接觸式測量，因此該技術對監(jiān)測水域的水文條件有較高要求，對于水流流速大、雜物多或結冰的環(huán)境適應性較差。

紫外誘發(fā)熒光技術就是利用紫外脈沖光束照射水面，激發(fā)目標區(qū)域的油分子產(chǎn)生熒光(水分子不產(chǎn)生熒光)，進而鑒別油分子的信號，并給操作者報警。紫外熒光技術將傳感器布于水面之上，即非接觸式監(jiān)測。石油及衍生品中具備較高共軛效應的芳香烴等物質(zhì)，在紫外光區(qū)具有強吸收峰，受到紫外光照射后，會發(fā)出近紫外波段和可見波段的熒光。設備發(fā)出特定波長的紫外光照射水面，油膜受到紫外光激發(fā)后，產(chǎn)生特定波長的熒光，返回監(jiān)測設備。紫外溢油監(jiān)測設備主要有美國Inter Ocean公司的紫外熒光監(jiān)測儀Slick Sleuth、愛沙尼亞LDI公司的熒光溢油監(jiān)測儀ROW等。該類產(chǎn)品使用過程中存在的主要問題有高壓氙燈成本昂貴、使用壽命短，且不能檢測汽油、單環(huán)芳烴等[13-15]。

固定點監(jiān)測技術具有全天候自動報警、操作簡便、設備成本低、反應靈敏等優(yōu)點，可實現(xiàn)實時監(jiān)控和聯(lián)動報警的功能，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。其局限性在于單個傳感器監(jiān)測范圍有限，一般需要多臺設備組網(wǎng)應用。

2 輸油管道溢油監(jiān)測需求分析

適用于輸油管道溢油的監(jiān)測預警技術設備主要應滿足以下幾方面需求。

a) 較高的設備靈敏度。應在出現(xiàn)水面薄油膜(如彩虹膜)的第一時間即產(chǎn)生響應，為后續(xù)應急處置爭取時間。

b) 較好的環(huán)境適應性。相比管道陸上泄漏，溢油進入水體后將迅速擴散并對下游造成影響，增大溢油應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放水域下游附近布設一定數(shù)量的溢油監(jiān)測設備，這就要求設備不易受水面雜物、水流等影響。

c) 較廣的油品監(jiān)測種類范圍。國內(nèi)輸油管道往往涉及原油、汽油、柴油、苯等不同油品和化學品輸送，監(jiān)測設備應對常見液體有機化學品泄漏均產(chǎn)生良好的響應。

d) 相對低廉的生產(chǎn)和維護成本。由于輸油管道點多、線長、面廣的分布特點，建立相對完善的溢油風險監(jiān)測預警系統(tǒng)需要部署大量的溢油監(jiān)測儀，設備布設以及運行維護成本是企業(yè)需要考慮的重要因素，因此要求設備具有相對低廉的價格，同時應操作簡便易于維護。

e) 適于進行組網(wǎng)。大量的溢油監(jiān)測設備往往給日常管理帶來一定困難，因此應通過組網(wǎng)的方式對所有設備參數(shù)設定及報警信號等進行統(tǒng)一管理，同時應具備和企業(yè)已有相關預警系統(tǒng)進行銜接功能。

f) 良好的安全性能。管道輸送的油品及液體有機化學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)測儀應具備良好的抗爆性能。

3 基于紫外反射的溢油監(jiān)測預警技術

3.1 工作原理

綜合溢油監(jiān)測技術現(xiàn)狀及輸油管道有監(jiān)測需求分析，認為非接觸式監(jiān)測技術具備更好的改進潛力。針對目前紫外熒光型監(jiān)測儀存在的不足，擬利用目前先進的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)測設備。但由于LED紫外光強度不足以有效激發(fā)熒光，因此系統(tǒng)設計利用紫外光反射原理來監(jiān)測油膜。

LED光源發(fā)射特定波段的紫外光束，利用水面和油面對光反射情況的差異，監(jiān)測儀相應地接收不同負荷的能量，轉換為電信號，通過檢測反射光的強度變化來判斷油膜的出現(xiàn)。該設計在大幅降低系統(tǒng)成本并提高儀器壽命的同時，還可以有效檢測到原油、柴油、汽油、潤滑油等可在水面形成油膜的油品。

3.2 監(jiān)測儀整體設計

紫外油膜監(jiān)測儀可分為光源部分和探測器部分。監(jiān)測儀工作時，首先，LED燈驅動電路以程序設定的頻率點亮LED燈光源，發(fā)射脈沖紫外光，紫外光通過匯聚鏡匯聚之后形成的錐形光束照射在待測目標上，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轉換成電壓信號，電壓信號經(jīng)主控板的轉換器轉換為數(shù)字信號，得到的數(shù)字信號數(shù)值與主控板的單片機中存儲的標準值進行對比，主控板將對比后的結果送入上位機進行處理。

當水面發(fā)生溢油現(xiàn)象時，反射的紫外光強度變強，數(shù)字信號值迅速變大，當數(shù)字信號數(shù)值超過標準值時，主控板將信號送至上位機中，上位機通過短信報警模塊給相關責任人發(fā)送短信報警。上位機還可控制聲光報警器進行聲光報警，提高了對水面溢油的監(jiān)測效率。

4 性能測試

針對可能影響監(jiān)測結果的參數(shù)，利用測試平臺全面開展LED油膜監(jiān)測儀性能測試，明確監(jiān)測儀的各項工作參數(shù)，檢測設備穩(wěn)定性和靈敏度。

4.1 油品種類

調(diào)整設備底部(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，記錄隨時間響應的信號值，分別測試監(jiān)測儀對柴油、汽油、潤滑油、污油、原油等不同油品的響應程度。

測試結果表明：監(jiān)測儀對各類油品都有明顯響應。上述油品滴入后，都能在水面迅速擴散形成油膜，由于油膜反射率比水大所以能被檢測到。本溢油監(jiān)測儀對柴油、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，其信號值響應曲線也較為平穩(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)定油品的響應值則波動較大。

4.2 油膜厚度

調(diào)整設備底部(發(fā)送接收面)距水面垂直距離，用針管吸取性質(zhì)相對穩(wěn)定的柴油，逐滴緩慢加入水中，待油膜均勻散開，記錄其在油膜散開后的響應信號值，根據(jù)計算得出其分別對應的油膜厚度。

根據(jù)實驗結果，少量添加柴油就能使響應值升高，隨著滴入量的不斷加大，數(shù)值大幅度增加。測試結果表明，本溢油監(jiān)測儀可監(jiān)測微米級油膜的性能相吻合。

4.3 監(jiān)測高度

通過調(diào)節(jié)儀器懸掛高度，測試監(jiān)測儀在不同高度下對柴油油膜的監(jiān)測能力，考察安裝高度因素對LED油膜監(jiān)測儀的影響。

結果表明：隨著安裝高度的升高，監(jiān)測信號呈規(guī)律性衰減趨勢，監(jiān)測儀安裝高度在1.0～3.5 m區(qū)間監(jiān)測信號較為穩(wěn)定。油膜監(jiān)測儀應安裝在水面的正上方，安裝高度根據(jù)現(xiàn)場要求和設備配置來確定。溢油監(jiān)測儀下方的有效監(jiān)測區(qū)域，應根據(jù)出射角度和安裝高度，計算得出有效監(jiān)測面積，依據(jù)調(diào)試數(shù)據(jù)，安裝高度2.5 m約對應1 m2的有效監(jiān)測面積。

4.4 水流速度

打開水泵，模擬流動狀態(tài)，記錄數(shù)值，估算水流速度。在不同流速取值下，測試對不同高度下流速影響的監(jiān)測儀油品響應值的變化趨勢。結果表明：流速對信號強度有一定影響，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，油品響應絕對值會呈一定的下降趨勢。

5 結語

隨著輸油管道的建設與發(fā)展，以及人們環(huán)保意識和維權意識提高，如何有效防范輸油管道環(huán)境風險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)測預警能力是風險防控的核心環(huán)節(jié)?；贚ED紫外光源的新型溢油監(jiān)測設備，克服了現(xiàn)有監(jiān)測技術的不足，具有靈敏度高、環(huán)境適應性好、監(jiān)測油品種類廣泛、安全防爆等特點，完全可應用于輸油管道溢油監(jiān)測，從而提高石油石化企業(yè)對管道溢油風險監(jiān)測預警能力。