煉化企業LDAR大數據分析及提質增效探討

李 龍，石昌磊，2，李凌波，劉新宇，程夢婷

（1. 中石化（大連）石油化工研究院有限公司，遼寧 大連 116045；2. 大連市旅順口區生態環境保護綜合行政執法隊，遼寧 大連 116041）

揮發性有機物（VOCs）作為城市臭氧和二次有機氣溶膠的重要前體物，是當前區域大氣污染防控的關鍵?！笆濉币詠?，隨著國家標準逐步收緊，VOCs治理不斷深入，工業企業VOCs有組織排放控制趨于極限，無組織排放已占據主導地位，排放占比超過60%，成為下一步VOCs排放管控的重點［1］。

煉化企業作為重要的VOCs工業排放源，VOCs排放種類繁多且過程復雜，主要源于設備動靜密封泄漏、原油及產品儲罐的呼吸與泄漏、油品裝卸逸散、污水處理系統逸散、換熱器泄漏、冷卻塔逸散等12類排放源，絕大多數為無組織排放源。其中，設備動靜密封泄漏是僅次于儲罐的第二大排放源，排放占比約為VOCs總排放量的10%～25%［2-4］。

泄漏檢測與修復（LDAR）是石化企業VOCs無組織排放的源頭和過程控制技術，也是控制設備動靜密封泄漏的最佳實用技術。LDAR作為一項系統性工程，旨在通過對設備動靜密封點實施周期性檢測，發現泄漏并組織有效維修，從而實現泄漏控制和VOCs減排。歐美等發達國家自20世紀80年代開始在煉油企業實施LDAR工作，經過多年實踐，逐步形成完善的法律法規標準體系和質量管理機制，在保證LDAR工作質量的同時，更加注重實際控制效果［5］。國內LDAR工作起步較晚，自2013年起率先在煉化企業試點，并逐步向化工、油品儲運銷、印染、制藥等其他行業擴展，多年的實施結果驗證了LDAR對設備泄漏控制的有效性，在LDAR實施初期，煉化企業設備密封泄漏造成的VOCs排放量消減超過50%［6-9］。但隨著LDAR的常規化運行，VOCs減排已進入平臺期，如何高效配置檢測資源，實現對密封泄漏的快速識別和精準管控，是未來LDAR提質增效的主要方向。

“十四五”期間，國家不斷推進LDAR控制效果提升，一方面通過升級LDAR管控標準，強化檢測和維修，實現LDAR精細化管理，靶向推動泄漏控制效果提升；另一方面，鼓勵源頭消減，通過加強對設備泄漏原因分析和易漏設備篩選，推動易漏設備密封升級改造，實現源頭減排。為實現上述目標，需進一步對LDAR的檢測結果開展大數據分析。

本研究以3家大型煉化企業為研究對象，收集了近年來LDAR管理平臺的檢測數據400余萬條，分析了煉化企業設備泄漏和VOCs排放特點，評估了物料和密封類型對設備泄漏的影響，并基于大數據分析結果，結合國家政策、法規及行業發展趨勢，提出了實現LDAR提質增效的建議。

1 研究方法

1.1 數據來源

2022年12月，以華北、華東和華南3家煉化企業為研究對象，基于企業LDAR管理平臺（SinoLDAR 2.0），收集了其近幾年LDAR檢測數據共400余萬條。LDAR數據收集范圍覆蓋了常減壓蒸餾、催化裂化、延遲焦化、加氫裂化、催化重整、加氫精制、氣體分餾等典型煉油生產裝置，具體情況見表1。

表1 數據來源情況

1.2 分析方法

1.2.1 泄漏認定

泄漏閾值執行《石油煉制工業污染物排放標準》（GB 31570—2015）［10］中相關要求，即出現以下情況則認定發生了泄漏：對于涉有機氣體和揮發性有機液體（氣體和輕液體）密封點，采用氫火焰離子化檢測儀（以甲烷或丙烷為校正氣體），泄漏檢測凈值大于等于2 000 μmol/mol；對于涉其他揮發性有機物（重液體）密封點，泄漏檢測凈值大于等于500 μmol/mol。泄漏率為實際檢測的泄漏點個數與同類型密封點總個數的比值，以百分比計。

1.2.2 VOCs排放核算

采用《石化行業VOCs污染源排查工作指南》［11］推薦的中點法確定某密封點的排放時間，再乘以排放時間內的排放速率得到VOCs排放量。由于此次收集的數據均為實際檢測值（可達點），因此對于排放速率采用相關方程法進行核算［11］。

1.2.3 數據統計與分析

基于Microsoft Office Access 2013軟件建立檢測結果數據庫，采用交叉表分析密封類型和物料類型對設備泄漏和VOCs排放的影響。VOCs排放核算數據取自中國石化SinoLDAR 2.0數據管理平臺，由平臺根據LDAR檢測數據按1.2.2節所述方法自動計算得出。

2 結果與討論

2.1 密封點建檔情況

3家企業的總受控密封點個數約為125萬，其分布情況見表2。其中：連接件密封點占比48.6%，是最主要的受控密封類型；其次為法蘭、閥門和開口閥或開口管線，占比分別為31.1%、17.5%和2.3%；其余密封類型占比均小于1%。該密封類型分布特征與化工和涂料制造行業存在一定區別［12-13］，但基本符合煉油行業特征［4］。在煉油工藝中空冷器的大量使用，造成空冷器絲堵（歸屬連接件）個數較多，如在常減壓、催化裂化、重整、加氫、焦化等裝置中空冷器絲堵個數占裝置總受控密封點個數的30%～50%；此外，受“十三五”期間VOCs排放控制政策的影響，絕大多數安全閥已并入瓦斯管網，且部分取樣系統已完成密閉改造，因此泄壓設備和取樣連接系統密封點占比較小。

表2 密封點分布情況 密封點個數

從受控物料維度分析，3家企業受控物料以氣體和輕液體為主，占比分別為41.2%和41.0%；重液體占比相對較小，為17.8%。氣體物料主要以燃料氣、干氣、工藝尾氣、餾分氣、循環氫、火炬氣等（統稱煉廠氣）為主；而輕液體和重液體物料根據原輔材料、中間產品和產品，又可分為液化氣、石腦油、汽油、航煤、柴油、原油、蠟油、渣油、芳烴、含油污水、油泥/渣、瀝青等。值得注意的是，部分物料根據工藝過程的差別，物料類型可能存在交叉，需結合工藝參數和物料理化性質進行具體分析，在此不做詳細討論。

從不可達點（指難于檢測和險于檢測的密封點）控制方面看（見圖1），由圖1和上述3種物料類型占比數據可知，企業A和企業C的不可達點控制水平較為接近，不可達點占比分別為1.06%和1.05%，企業B不可達點控制較上述兩家企業更為嚴格，不可達點占比為0.31%，3家企業的不可達點控制水平整體上均符合《石化企業泄漏檢測與修復工作指南》［11］中“新建裝置（包括改建、擴建）的不可達密封點不應超過同類密封點的3%”的要求。此外，涉重液體密封點由于工藝保溫需要，不可達點占比較氣體和輕液體密封點略高。

圖1 3家企業的密封點中不可達點分布情況

2.2 檢測結果與泄漏特征

2.2.1 檢測結果統計

3家企業的LDAR均執行《石油煉制工業污染物排放標準》（GB 31570—2015）［10］，對于法蘭、連接件和其他類型的密封點每半年檢測一次，對于泵、壓縮機、攪拌器、閥門、開口閥或開口管線、取樣連接系統和泄壓設備每季度檢測一次。表3統計了3家企業各類型密封點的實際檢測次數，3家企業檢測密封點總次數為4 294 617，其中連接件占比最大，為38.9%；其次為閥門和法蘭，分別為28.5%和28.0%（閥門執行每季度檢測一次，法蘭執行每半年檢測一次，整體數量相當）。此外，從物料類型來看，氣體、輕液體和重液體檢測次數占比分別為37.1%、40.9%和22.0%。

表3 檢測結果分布情況 檢測次數

2.2.2 泄漏特征分析

各種物料和密封類型的泄漏率如表4所示。泄壓設備、取樣連接系統、壓縮機以及開口閥或開口管線泄漏率相對較高，分別為2.70%、1.85%、1.16%和0.70%；隨后是泵、攪拌器和其他密封類型，分別為0.48%、0.28%和0.22%；盡管閥門、法蘭和連接件的泄漏點個數較多，但總體泄漏率較低，分別為0.16%、0.12%和0.08%。

表4 泄漏率交叉統計結果 泄漏率，%

由2.1節可知，泄壓設備和取樣連接系統由于設備和密封改造，整體密封點數量較少，分別為23個和172個；實際檢測次數分別為37（部分泄壓口為不可達點）和1 889，泄漏次數分別為1和35。進一步排查泄漏原因發現，泄壓設備泄漏主要源于隔油池的呼吸口；而取樣連接系統與開口閥或開口管線的泄漏原因類似，均為末端閥失效或閉合不到位；壓縮機、泵和攪拌器（軸封）是煉化企業典型的動密封，是企業設備管理和日常巡檢的重點，通過查找泄漏原因發現，泄漏的設備密封形式基本為單封式。

此外，從物料維度看，氣體和輕液體的泄漏率明顯高于重液體（高一個數量級），三者的泄漏率分別為0.20%、0.15%和0.02%。在本次數據收集中，重液密封點總共檢測945 282次，僅發現泄漏點236次，整體泄漏率基本小于0.10%（除開口閥或開口管線泄漏率為0.13%）。進一步分析泄漏點的主要物料為柴油、重污油、堿渣、重質原油、渣油加氫尾油等成分復雜的混合物料。值得注意的是，現有相關標準對揮發性有機液體的定義，主要針對單組分物料的蒸氣壓和混合組分VOCs質量分數兩個層面，而對于石油煉制而言，其生產過程復雜，且多以混合物料為主，其中間產品的性質與加工原料、工藝參數和餾程密切相關，很難依據標準直接、準確判定混合物料的屬性，客觀上也增加了LDAR的實施難度。

2.3 排放統計與影響因素

基于實際檢測結果得到各企業年度密封點VOCs排放量（可達點排放量），如表5所示。3家企業的2022年度排放量分別為19 754.1，46 765.4，36 775.9 kg，與企業加工能力呈正相關。從企業A連續4年的統計數據看，通過實施LDAR工作，企業設備泄漏排放量逐年降低，與2019年相比，企業A減排比例達到54.6%，客觀驗證了LDAR的實施效果。

表5 3家企業的密封點泄漏排放統計

從密封點維度來看，連接件、閥門、法蘭排放量占比較大，占總排放量的87.7%（密封點占比97.5%）；其次為開口閥或開口管線和泵，排放量占比分別為9.0%（密封點占比2.3%）和2.3%（密封點占比0.2%）；壓縮機、攪拌器、泄壓設備、取樣連接系統以及其他類型密封的排放量占比為1.0%。上述結果與ZHANG等［14］的研究結果基本一致。綜合各類型密封點檢測次數、泄漏率和排放量可知，盡管連接件、法蘭和閥門的泄漏率相對較低，但其密封點基數較大，仍是設備和管線泄漏的主要排放源；而泵、壓縮機、攪拌器、開口閥或開口管線、泄壓設備和取樣連接系統密封點數量少（密封點占比2.5%），但泄漏率和排放量占比較高（泄漏率0.28%～2.70%，排放量占比12.2%），應作為重點控制目標。

圖2對比了不同物料類型的排放情況。整體而言，氣體和輕液體類密封點排放占主導地位，分別占45.9%和44.4%，而重液體貢獻僅占9.6%。從密封點數量上分析，氣體和輕液體密封點占比略低于其排放量占比，而重液體密封點占比明顯高于排放量占比，客觀說明重液類密封點排放貢獻較低。

圖2 不同物料類型密封點的VOCs排放量占比

此外，通過分析企業A連續4年的排放數據（圖3）發現，氣體和輕液體密封點VOCs排放量呈現明顯下降趨勢，而重液體密封點未發現明顯變化，說明通過實施LDAR，對企業涉氣體和輕液體類型密封點的泄漏控制效果顯著，但對于重液體類密封點的控制效果并不明顯。

圖3 企業A不同物料類型密封點的年度VOCs排放量

2.4 LDAR提質增效探討

LDAR作為一項系統工程，過程繁瑣、工作流程長、工作負荷高，其工作質量、效率和控制效果與企業設備管理水平、檢測標準以及質控要求密切相關。實現LDAR提質增效，需要從源頭掌握泄漏發生的根本原因，在過程中優化企業內控標準，從末端加強控制效果評估?；谏鲜龇治鼋Y果，結合當前政策、法規和標準要求，提出以下幾點建議，供進一步實踐和探討。

1）加強源頭控制

數據分析結果表明，盡管氣體和輕液體類型泵、壓縮機和攪拌器（軸封）密封數量較少，但其泄漏率較高，主要的泄漏原因是單級軸封密封失效。因此，建議加強單封式泵、壓縮機和攪拌器的跟蹤監測，對于多次嚴重泄漏的單級密封設備改造為雙封式，或更換為低滲漏密封設備；也可與工藝控制系統關聯，加強動設備密封系統監控與泄漏預警，從工藝角度探索設備泄漏控制策略。

對于末端開口類密封，嚴格遵循《揮發性有機物無組織排放控制標準》（GB 37822—2019）［15］要求，在工藝和安全許可的條件下，將泄壓氣體排放至瓦斯系統或VOCs處理設施；對于開口閥或開口管線，安裝堵頭、盲板、二次閥等二次密封設備；同時，將氣體和輕液體采樣系統改造為密閉系統，實現涉VOCs物料的密閉收集或回收。

2）優化內控指標

針對易漏密封和物料，細化分級管控指標，通過優化檢測資源配置，提高泄漏發現和維修效率。如在本研究中發現，涉氣體和輕液體的動密封點和開口類密封點個數較少，但泄漏率和排放量較高，故可適當增加對該類密封點的檢測頻次，提高維修效率，從而改善泄漏控制效果；同時，對于涉重液體密封點，泄漏率較低，且多年檢測結果表明泄漏控制效果并不明顯（見2.3節），故可通過強化物料分類，加強日常巡檢等手段，加大監管力度，試點按照《排污單位自行監測技術指南 石油煉制工業》（HJ 880—2017）［16］和《排污許可證申請與核發技術規范 石化行業》（HJ 853—2017）［17］的相關要求，減少檢測頻次，實現檢測資源高效配置。

細化物料分類，逐步提升泄漏控制標準。根據工藝特征和物料屬性，提高物料分類的準確性，如涉重液體物料柴油、原油、油泥等；同時，加強有毒有害空氣污染物和高化學反應活性污染物的管理，建立科學、合理、合規的泄漏閾值指標，并根據實際泄漏情況逐步推動泄漏標準提升。

此外，對于不可達密封點的監管也需進一步加強。通過日常巡檢或非常規檢測方法評估不可達點泄漏情況，在技術和安全許可的情況下，將多次泄漏點改造為高效密封或更換為低滲漏密封。

3）加強過程質控與VOCs控制效果評估

提升LDAR過程管理方法，一方面建立覆蓋密封點建檔、檢測、維修、質控、排放核算等全生命周期的數字化和信息化管理流程，做到整體過程有據可查、有據可依、過程可追溯；另一方面加強數據質控與監管，通過數據審核、分析和抽查等方式，提高檢測和維修結果的可靠性。

定期開展控制效果評估，通過耦合廠區網格化監測、排放溯源監測及VOCs通量監測等技術，建立泄漏監測、預警和溯源工作體系，利用污染擴散返溯模型篩查重點排放區位［18］，進一步指導LDAR篩查和VOCs排放治理。

3 結論

a）閥門、法蘭和連接件是煉化企業主要的密封類型，VOCs排放貢獻大，但泄漏率低；動設備密封（泵、壓縮機和攪拌器）和開口類密封（開口閥或開口管線、取樣連接系統和泄壓設備）數量少，但泄漏率和排放占比較高，應作為優先控制目標。

b）多年實施結果驗證了LDAR工作的有效性，其中氣體和輕液體類密封點減排效果顯著，但對重液體類密封點并不明顯。

c）為進一步實現LDAR提質增效，需從源頭、過程和末端多點發力，全面提升廠區VOCs無組織排放綜合控制效果：在源頭上加強泄漏原因分析，有針對性地開展設備更新或改造；在過程中細化分級控制指標，科學推進檢測資源高效配置；在末端加強結果質控和效果評估。最終實現精準治污、科學治污和有效治污。