泄漏檢測與修復(LDAR)建檔方法研究及應用進展

張鋼鋒， 費 波， 修光利

1.華東理工大學， 國家環境保護化工過程環境風險評價與控制重點實驗室， 上海 200237 2.上海市環境科學研究院， 上海 200233 3.華東理工大學， 上海市環境保護化學污染物環境標準與風險管理重點實驗室， 上海 200237

改革開放以來，我國社會經濟快速發展，以細顆粒物(PM2.5)和臭氧(O3)為主導的大氣環境問題逐漸顯現[1-2]，尤其在京津冀、長三角、珠三角和成渝等特大型城市群及其周邊地區，O3污染日益凸顯[3-7]. 研究[8-10]表明，大氣中的揮發性有機物(VOCs)是造成O3、城市灰霾等大氣污染問題的關鍵前體物. 隨著我國對大氣環境質量要求的不斷提高，VOCs污染引起廣泛關注[11-13]，對其進行有效管控已成為現階段我國打贏藍天保衛戰的重要舉措[14].

泄漏檢測與修復(LDAR)是目前國際上通用的VOCs無組織控制技術，廣泛應用于石化、化工等行業設備泄漏環節的VOCs減排[15-18]，同時也降低了企業安全事故風險[19-21]. 美國在20世紀80年代初通過實施LDAR來控制石化行業設備泄漏排放[22-24]，之后歐盟在20世紀90年代根據美國經驗也建議其成員國在石化行業開展LDAR，并將LDAR列為VOCs管控最佳可行技術(BAT)[25-26]. 2011年9月，我國上海市生態環境管理部門率先出臺相關政策，要求在幾家石化企業開展LDAR試點工作，LDAR技術正式被應用于國內環境管理[27]. 作為石化、化工類企業VOCs管控的重要抓手，目前國家出臺的眾多政策文件和標準規范均對LDAR實施提出明確要求[28-32]. 《“十三五”揮發性有機物減排工作方案》中更是明確，除石化行業外，現代煤化工行業要全面實施LDAR，制藥、農藥、煉焦、涂料、油墨、膠粘劑、染料等行業逐步推廣LDAR工作. 正是由于LDAR在無組織VOCs管控中的重要性，國外從20世紀80年代以來對LDAR實施流程、技術規范、質量審核、創新技術等方面開展了大量研究[33-36]，國內學者近年來對該領域的關注和研究也日趨深入[37-41]. 然而，縱觀當前國內外研究的焦點，主要集中于LDAR發展歷程、應用案例、技術評估等方面，對于LDAR建檔方法的系統研究較為鮮見. 建檔工作作為LDAR體系中最重要的一環，其質量直接決定LDAR項目的實施效果，同時也直接影響企業后期的臺帳管理水平，針對建檔方法進行系統研究意義重大. 該研究通過調研國內外LDAR建檔方法的發展演變，總結對比了主流建檔方法的優缺點，并以問卷方式調查分析了不同建檔方法在我國的應用現狀，在此基礎上提出優化建議，并對其未來發展趨勢提出展望，以期為工業企業LDAR建檔的規范化及相關監督管理工作提供參考借鑒.

1 LDAR及其建檔方法

1.1 LDAR技術的本質

LDAR是一項對工業生產全過程物料泄漏進行控制的系統工程. 通過定期檢測受控密封點VOCs濃度，及時發現泄漏點，并在一定期限內采取有效措施修復泄漏，從而減少VOCs排放[42]. 通常，需要檢測的密封點包括泵、壓縮機、攪拌器、閥門、泄壓設備、取樣連接系統、開口閥或開口管線、法蘭、連接件等. 就一家企業而言，雖然單個密封點的泄漏很微量，但全廠所有密封點可以產生巨大的排放. 據美國環境保護局(US EPA)估算，設備泄漏產生的VOCs排放量約占煉油廠原油加工量的0.01%[43]. 高效的LDAR工作不僅可以幫助企業減少物料產品損失、保障職工健康安全，并減少周邊社區有害物質暴露量，同時還可帶來降低排放稅及避免行政處罰等附加效益[44].

1.2 LDAR實施流程與建檔

圖1 LDAR實施的基本流程Fig.1 Basic process of LDAR implementation

現行的LDAR工作模式最初由美國建立，US EPA的Method 21《揮發性有機物泄漏的測定》標準中規定了LDAR檢測的具體要求，包括檢測儀器種類及其性能指標、檢測方法等. 歐盟、加拿大等地區也均以Method 21作為LDAR實施的技術依據[45]；同時，US EPA發布的《泄漏檢測與修復最佳實踐指南》中指出，典型的LDAR工作主要包括項目密封點識別、泄漏濃度定義、設備組件檢測、泄漏組件修復及數據記錄保存等5個步驟(見圖1)，其中的項目密封點識別是LDAR建檔的核心工作. 建檔具體是在識別受控范圍和受控點的基礎上，收集密封點所屬裝置、區域、類型、可達性等信息，對密封點進行定位和編碼并建立檔案庫的過程，建檔工作是LDAR后續現場實施的基礎，也是保障LDAR工作順利開展最關鍵的一步. 該研究的建檔方法主要針對密封點定位和編碼技術，由于檔案庫的建立原則和技術要求相對固定，目標是記錄密封點的基本信息和屬性，因此筆者并未做討論.

1.3 LDAR建檔方法分類

目前，國內外已有應用的LDAR建檔方法包括傳統掛牌法、PID圖標識法、拍照標識法、GPS定位法、條形碼/二維碼標識法、無線射頻掛牌法等.

傳統掛牌法是最經典的建檔方法，發源于在美國，已有40年的應用歷史. 具體是指在設備元件固定位置懸掛物理標識牌，標識牌刻有該密封點在全廠唯一的編碼(ID)，ID號按一定規則及順序排列，為后續檢測與修復環節服務.

PID圖標識法需首先收集管道儀表圖(PID圖)、裝置平面布置圖、設備臺賬等裝置資料，經物料分析后確認受控設備元件范圍，并在PID圖紙上對設備組件進行編號標記.

拍照標識法是目前國內較為常見的組件標識方法，是指對設備組件進行現場拍照，并對照片內的受控密封點進行編號及標注的方法.

現代科技的高速發展持續推動著LDAR建檔方法的優化及完善，為建檔方法的創新與進步提供了契機. 目前已出現利用現代高分辨率GPS定位系統對組件進行定位及識別的建檔方法，同時以條形碼或無線射頻配件為信息載體構建的非接觸式組件定位識別方法也已有初步應用.

該研究對不同建檔方法的優缺點進行了總結和對比，具體如表1所示.

表1 LDAR建檔方法對比分析Table 1 Comparative analysis of LDAR components filing methods

2 LDAR建檔方法國內外應用進展

2.1 國外應用進展

國外LDAR相關技術研究開展較早，20世紀70年代美國啟動了對煉油、化工企業的大氣污染物排放特征研究，分析了設備泄漏產生的無組織排放特征，提出采用LDAR技術控制設備VOCs泄漏的策略. 20世紀80年代起，美國頒布了一系列標準法規，將煉油、化工企業的VOCs泄漏管控納入法制化和標準化管理[46]. 歐盟于1999年起建議其成員國煉油廠實施LDAR，并將LDAR列入VOCs管控的最佳可行技術(Best Available Technology，BAT)[47]. 1993年，加拿大環境部長理事會發布的《設備泄漏無組織排放檢測與控制實施法規》中也明確提出了對企業管道及設備實施LDAR的具體要求[48].

經過幾十年的發展，美國、歐盟、加拿大等國家和地區的LDAR已經形成了相對完善的LDAR實施技術和管理規范體系. 尤其在美國，LDAR技術已經從最初單純的“發現泄漏點并進行修復”的概念，發展到現在的集法規標準體系、檢測標準方法、操作程序規范、現場檢測及數據管理模式、質量控制、保證及改進體系為一體的綜合系統，并已形成檢測儀器研發與生產、數據庫軟件開發、第三方檢測服務、專業咨詢與審核等成套商業運作體系[49]. 在建檔技術方面，根據對國外文獻資料的調研以及通過電話、郵件對國外專家和服務商的咨詢，發現美國、歐盟仍以傳統掛牌法為主，PID圖標識法也有一定的應用，但拍照標識法等新型建檔方法的應用并不多. 加拿大除了應用傳統掛牌法外，拍照標識法的應用也較為廣泛[50].

2.2 國內應用進展

2.2.1國內相關標準規范對建檔方法的規定

為規范LDAR實施，我國先后出臺了一系列技術標準文件. 該研究梳理了迄今為止國內出臺的相關文件及對LDAR建檔方法的要求，具體如表2所示. 由表2可見，目前國內發布的涉及LDAR管控的標準規范文件有10余部. 就建檔方法而言，文件中規定的方法主要包括PID圖標識法、傳統掛牌法、拍照法等，建檔要求不一、參差不齊，暫未形成統一的技術體系.

2.2.2不同建檔方法的實際應用現狀

采用線上問卷調查的方式，于2019年8月調研了服務于我國11個省(自治區、直轄市)的40余家LDAR第三方服務商，調查內容包括服務商從業年數、完成LDAR案例數、累計檢測密封點數、常用建檔方法類別、LDAR服務收費標準、服務商公司性質等信息，據此分析我國LDAR建檔方法實際應用現狀. 調查對象總體情況如表3所示. 由表3可見，調研對象覆蓋了江蘇省、上海市、廣東省、浙江省、山東省、天津市、山西省、北京市、河北省、遼寧省、寧夏回族自治區等11個省(自治區、直轄市). 從區域分布上看，東部地區的省市較多，包括江蘇省、上海市、廣東省、

表3 調研對象基本情況統計Table 3 Statistics of basic information of research objects

浙江省、山東省、天津市、遼寧省等，而西部地區較少，僅包括山西省、寧夏回族自治區等，這主要是因為我國的石化產業和園區主要集中于東部沿海地區，2018年中國化工園區30強中位于東部地區的有24家，位于中部和西部地區分別僅有3家，產業格局特征也使東部地區成為我國LDAR實施最早、最集中的地方. 因此，在調研對象的選擇上，為了保證代表性，也盡可能地包括了西部地區中已經開展LDAR的山西省和寧夏回族自治區等地區.

調研得到了各服務商開展LDAR業務的年數、累計完成案例數、累計檢測密封點數、服務商性質等信息，相關統計結果如圖2所示.

圖2 LDAR服務商相關數據統計Fig.2 Statistics of LDAR service providers

由圖2可見：從服務商的從業年數來看，從業>1～3年的占比為33%，從業>3～5年的占比為38%，從業超過5年的占比為27%，低于1年(含1年)的僅占2%，從業>3～5年的服務商占比最多，說明多數LDAR服務商服務經驗相對豐富；從服務商完成的LDAR案例數來看，累計完成1～10、11～50、50～100個案例的服務商占比分別為23%、17%和20%，而完成案例數超過100個的服務商占比高達40%，這也說明目前LDAR工作在國內得到了快速的推進和應用；從服務商檢測的密封點數量來看，累計檢測超過100萬個密封點數的服務商占比為43%；從服務商的單位性質來看，主要以民企為主，占比高達70%.

對各服務商所采用建檔方法的調查統計結果如表4所示，可以發現拍照標識法在我國的應用最為廣泛，受調查的服務商中90%都采用過該方法；傳統掛牌法、PID圖標識法、條形碼/二維碼掛牌法等方法在國內也有不同程度的應用；同時，同一服務商采用的建檔方法并不唯一，也會根據不同案例實際情況分別采用不同建檔方法.

與美國、歐盟等西方國家和地區以傳統掛牌法為主的建檔方法相比，拍照標識法是我國建檔方法的絕對主流. 形成這一現象的原因可能有幾個方面：①標準規范要求的差異. 在美國、歐盟的LDAR法規體系中，對傳統掛牌法有相關的要求，但并未對拍照標識法作出規定；相反，我國的許多規范中均明確了拍照建檔的要求(見表2)，宏觀的政策導向使拍照標識法在我國有更多的應用. ②不同發展階段的差異. 美國的LDAR工作已經開展了幾十年，相關工作已經形成了成熟的體系，如果將企業的建檔方式短期內集中更新換代，涉及的工作量和成本投入都會非常大；而我國的LDAR工作剛起步，企業在選擇建檔方式時有更大的靈活性，拍照標識法由于自身的優勢更容易被接受. ③外部環境因素的差異. 近年來，我國信息科技發展日新月異，國家也提出了數字工廠、物聯網工廠的建設愿景，而基于拍照識別法的信息化建檔方式比傳統掛牌法更符合國家的宏觀政策導向；另外，LDAR作為一個近幾年才被國內引入的VOCs精細管控措施，國內外在這方面的交流互動也相對較少，這也在一定程度上影響了西方國家和我國在建檔技術方面的同步性.

表4 采用不同建檔方法的服務商數量及占比Table 4 The number and proportion of LDAR service provider with different components filing methods

2.2.3建檔方法的優化建議

綜上，無論是從已有標準規范要求還是從案例調查結果來看，我國當前的LDAR建檔方法相比美歐國家更加多樣化，條形碼、射頻等跨界技術的應用也充分體現了這一點. 然而，每種技術都有自身的優劣勢，關鍵是要找到平衡點發揮最大效能，筆者建議在實際工作中應多考慮不同技術之間的搭配組合，各取所長，實現一加一大于二. 如將群組物理掛牌和圖片建檔技術組合，通過群組牌定位裝置區域，再通過圖片檔案分解具體密封點位置，這樣既節省成本又提高效率. 目前，這一技術已經在國內部分第三方服務商中被采用，并在上海市等地區的LDAR檢測工作中有大量的應用案例. 根據相關報道[51]，采用組合技術后，工作效率可提升25%. 同時，也建議立足當前建檔方法存在的局限性和不足，結合我國迅猛發展的人工智能等前沿科技，通過技術創新不斷提高LDAR建檔效率、保證建檔質量. 如利用圖像識別技術研發基于視頻流的全自動建檔技術，通過對現場管道組件的視頻拍攝，實現密封點類型自動識別及標注；利用5G傳輸技術實現現場檢測數據的無延遲自動上傳及統計分析，規避人為篡改數據的行為并實時分析泄漏水平，繪制全廠泄漏水平渲染地圖.

國內各地近幾年雖然發布了較多的LDAR技術規范文件，但其中對于建檔方法和技術的規定尚未統一，各地要求參差不齊，建議今后應加強在這方面的標準建設，明確主流建檔方法的實施流程和技術要點等指標，從制度上保障LDAR的實施質量與效果. 2019年初，國家標準化管理委員會和民政部聯合發布了《團體標準管理規定》，鼓勵各行各業制定具有國際領先水平的團體標準. LDAR作為一個以第三方服務為主體的生態環境保護工作，具有明顯的行業團體特征，完全可以通過制定出臺團體標準的形式，對不同建檔技術的基本要求、建檔流程、工作要點、關鍵指標、質量控制等方面試點作出統一要求，待實施驗證及不斷完善后亦可作為國家標準出臺.

3 結論與展望

a) 建檔工作是LDAR有效實施的基礎，科學的建檔方法尤為重要. 國內外在用的建檔方法包括傳統掛牌法、PID圖標識法、拍照標識法、GPS定位法、條形碼/二維碼掛牌法、無線射頻掛牌法等，不同建檔方法均有各自的優劣勢和應用場景.

b) 美國、歐盟、加拿大等國家和地區LDAR工作開展較早，已形成相對完善的實施技術和管理規范體系. 在建檔技術方面，美國、歐盟仍以傳統的傳統掛牌法為主，PID圖標識法也有一定的應用，但拍照標識法等新型建檔方法的應用并不多. 加拿大除傳統掛牌法外，拍照標識法的應用也較為廣泛.

c) 我國應用最多的為拍照標識法，其次為傳統掛牌法，調查對象中采用過這兩種方法的LDAR服務商占比分別為90%和50%，此外PID圖標識法、條形碼/二維碼、其他方法的應用占比依次分別為30.0%、17.5%和5.0%，整體上看我國的建檔方法相比歐美國家更加多樣化.

d) 我國現代科技的迅猛發展為LDAR建檔技術的創新與變革提供了良好契機，未來的LDAR建檔工作必將向更智能、更便捷、更高效的方向發展，尤其是和5G以及人工智能影像識別等技術的結合，會為LDAR建檔技術和效能帶來新的飛躍.

e) 國內現有的LDAR技術規范文件對于建檔方法的要求參差不齊，暫未形成統一的技術體系. 建議應盡快加強在這方面的標準建設，明確主流建檔方法的實施流程和技術要點，從制度上保障LDAR的實施質量與效果.