摘要：隨著石油、天然氣等資源開發的不斷深入、石化產品生產加工規模的不斷擴大，對地下水、土壤、大氣等自然環境的影響和污染越來越廣，相應對環境監管和保護的迫切度比以往也越來越高。本文介紹了目前石化行業發生泄漏的主要部位，講述了目前泄漏監測的主要方法，尤其是一些新型監測方法，例如：超聲監測法、聲發射監測法、分布式光纖檢測法以及基于物聯網和工業大數據的實時監測系統。提出了基于多智能體的開放式泄漏監測系統。分析得出，壓縮機干氣密封實時監測技術、泵用機械密封泄漏實時監測系統、智能化氣體集成監測系統將成為未來石化行業主要的發展方向和熱點。最后探討了監測系統的評價指標。

關鍵字：泄漏監測，聲發射，物聯網，多智能體

1、引言 

石油作為不可再生資源，在中國國民經濟發展中占據著極其重要的位置。然而，石油的勘探、鉆井、開采、油氣集輸、煉油、煉化等產生過程和工藝流程的廢棄液、鉆井泥漿、含油污水、含油污泥以及運輸過程中的管線泄漏原油、以及石化產品加工過程中產生的中間產物和廢料都會對地下水、土壤、大氣造成持久、不可逆的污染。金山銀山不如綠水青山，因此做好石化生產過程中的環境監測，最大程度降低石化污染對生態環境的危害顯得十分重要。雖然環境治理越來越得到人們的關心和重視。但是，無論機械加工水平多高、設備管理和維護制度多好，高壓介質的滲透、泄漏現象依然普遍存在而無法根除。尤其是泄漏，普遍地發生在每一套設備中，只不過是泄漏量大還是小的區別而已。

所謂泄漏是指在設備運行過程中，由于密封空間內外的壓差，密封面存在間隙或操作不當等多種因素，使物料從有限空間內部跑到外部，或者是其它物質由空間外部進入內部[1]。當今全球十大環境問題主要是: ①全球變暖；②臭氧層破壞； ③大氣污染；④淡水資源短缺和污染；⑤海洋污染；⑥有害化學品和危險廢物；⑦生物多樣性減少；⑧土地退化和沙漠化；⑨森林銳減；⑩環境公害；其中有七項均與泄漏有關[1]。可想而知，泄漏對我們帶來了多大的影響和危害。因此，如何監測泄漏并對其進行控制應該是環保部門及企業共同關注的重點。泄漏的污染物的形成、轉化、輸送和演變過程具有極強的時空相關性， 研究和發展能適用于多組分環境污染物的快速、實時、動態監測的技術和儀器設備將成為本領域研究工作者面對的重大課題。提高監測質量，改進監測技術，加強監測管理，不僅有助于保護生態環境，而且對建設綠色石化、智慧煉化的可持續發展具有實際意義。

2、泄漏的來源

對泄漏進行監測及控制，首先要了解泄漏的來源。一般來講，在設備的任何部位、任何時刻均有可能發生泄漏。通常以為泄漏排放來自于流體( 即液體或氣體)，但實際上，泄漏排放的另一個來源是來自粉塵，如采礦、采石、建筑、拆建、交通等方面所產生的排放[1]。雖然泄漏排放有許多來源，然而最主要的也是最普遍的泄露部位是密封。圖1給出了石化設備中產生泄漏排放部位（設備）的比例分布圖。實際上，行業不同，生產工藝流程不同，排放百分率也有所不同，但其比例相差不大。

圖1 石化企業泄漏的典型分布

從圖1來看，典型的工業設備最嚴重的泄漏主要來自密封和閥的泄漏。而據統計表明，90% 以上的閥泄漏是由密封圈失效造成的泄漏[1]。靜密封失效的主要原因有：微動磨損、間隙咬傷、老化損傷、膨脹損傷、龜裂；動密封損失的主要原因有：機械磨損、腐蝕、空化、熱裂等。

泵和壓縮機通常是泄漏產生的第二大源頭。泄漏通常發生在失效旋轉泵殼與泵軸之間的動密封或密封圈處。因此，改善密封系統是控制泄漏最有效的方法之一。接觸式機械密封已在泵上得到廣泛應用，而非接觸干氣密封在壓縮機上也已經普遍被使用。而且無密封的泵( 如隔膜片泵、屏蔽泵、磁傳動泵等) 均不會產生泄漏，目前這些產品也相繼問世。

3、密封

阻止泄漏最有效的方式是密封。在大自然的生物中，密封以各種各樣的形式實現，例如內臟隔膜、蝶形瓣膜或血的凝固等。這些密封機理都歸類于靜密封“技術”。然而，生物在進化的過程中，雖然已經發展、進化出難以想象的復雜生理系統，但卻沒有出現轉子或液動活塞桿等生物結構，即沒有出現連續旋轉或滑動的器官。這些歸因于生物進化不能演變成具有充分密封性的動態密封，而充分的密封性是營養和信號輸送到被連接器官的前提[2]。自1885年世界上首例機械密封應用實例出現在老牌工業強國英國[3]，機械密封以其優良的可靠性、密封性、適用性和經濟型等在石油化工、油氣運輸、給排水、汽車、深海勘探、航空航天[2]等行業得到了迅速的推廣和應用。

機械密封直接關系到降低能源消耗和碳排放量、節約成本的問題[4]。例如，據歐洲密封協會（ESA， European Sealing Association）于2004年發表的各型密封壽命周期成本與環境影響因子（按總排放水平）的相關矩陣（圖2[5]）顯示雙級氣膜潤滑加壓的機械密封（干氣密封）不但具有相對較低的生命周期成本，而且對環境的影響也較小[6]。深入研究密封狀態監測，尤其是泄露監測，可以保證機械密封運行的可靠性和穩定性，對整個機械行業同樣有著不可替代的作用。因而密封泄漏監測始終是工業生產設備技術中的一個重要課題[7-8]。

圖2 生命周期開銷相關矩陣

機械密封泄漏監測(Mechanical Seal Leakage Monitoring，MSLM)，其目的在于事先了解、掌握密封設備發生故障之前的異常信息與劣化征兆，以便工程師能夠提前采取針對性預防措施防止和控制泄漏的持續發生[2,9]。

綜上所述，密封泄漏監測技術，研究意義重大而且應用前景廣闊。對密封泄漏進行實時監測及運行機理開展前瞻性研究，可以使我國機械密封技術進一步縮短與發達國家之間的差距，更好的為國民經濟服務。

4、泄漏監測方法

4.1 聲波監測方法

聲波泄漏監測，聲波泄漏檢測技術不僅涉及到流體力學、噪聲學，還涉及到傳感技術、信號處理技術等學科，是多學科綜合應用的高效檢測方法。其原理是利用泄漏點處高速射流氣體與腔體內壁相互作用產生的震蕩聲波在腔體內上、下傳播過程的時間差來準確預測是否發生泄漏和確定泄漏位置的檢測技術。具有定位準確、誤報率低、可以監測微量氣體泄漏等優點，越來越受到研究者的廣泛關注。 

4.2 聲發射監測方法

聲發射（Acoustic Emission，AE），又被稱作應力波發射（Stress Wave Emission，SWE），是指當材料表面或內部發生局部或整體擠壓變形、沖擊折斷引起應力不均勻分布而突然釋放應變能過程中產生的一種瞬態彈力波。如果不是由變形和斷裂機制所形成的應力波源，如摩擦、燃燒、撞擊以及流體泄漏、沖蝕等也可以形成應力波源，這種應力波源被稱作二次聲發射源。聲發射在泄漏檢測方面，無噪聲時對微小泄漏檢測的準確率高于99%；在施工噪聲等干擾下，聲發射泄漏檢測準確率有所降低。楊哲[10]研究證明在復雜工況下用聲發射檢測技術檢測管道泄漏并進行定位是可行的。

4.3 次聲波法泄漏監測技術

次聲波監測技術，由于管道破裂泄漏時介質與管壁摩擦會持續產生次聲波信號，次聲波監測技術對于緩慢、微小泄漏的檢測能力較高[11]。次聲波法泄漏監測技術的發展日益成熟，具有較好的可靠性、靈敏性和精確性。通過系統調試周期的數據積累，利用數學模型及信號處理大幅降低外界干擾因素的影響，可實現泄漏監測。由于聲學監測技術不受介質種類的影響，對于原油、成品油、天然氣等各類設備，均可采用次聲波泄漏監測系統，尤其是高壓管道，由于泄漏時產生的次聲波信號強，監測系統的應用效果尤為突出。

4.4 光纖監測方法

由于光纖中的激光脈沖與光纖分子相互作用，發生散射，其中拉曼散射會產生斯托克斯光和反斯托克斯光（信號強度與溫度有關），通過計算反斯托克斯光與斯托克斯光的比例可得到該點的溫度，當設備發生泄漏時，泄漏源附近的溫度會相應變化，監視該局部溫度變化，可以對泄漏進行監測和定位。英國曼徹斯特大學科學與技術研究院的費蘭克· 克瓦斯尼科[12]開發出一種新型光纖,可用來監測石油或化學品的泄露,只要將這些光纖沿管道安置好,一旦發生泄露,馬上可以定位并發出警報。

4.5 SF6示蹤劑泄漏監測方法

非放射性氣體示蹤技術是一種常用的泄漏檢測技術，通過監測示蹤氣體的含量變化獲得示蹤劑的泄漏量，從而得到容器（或密封件）的氣體泄漏率。常用的示蹤氣體為ＳＦ６，具有化學惰性、穩定性好、抗輻照能力強、色譜分析速度快、電子捕獲檢測靈敏度高等優點，已在大氣示蹤試驗、密封容器泄漏檢測等方面得到了廣泛應用。對一些特殊檢測場所，如貯存放射性和有毒有害氣體的壓力容器的泄漏監測，通過示蹤劑在線采樣和分析方法是十分必要。

4.6 負壓波法

負壓波法是通過在流體入口和出口處壓力差的監測，來實現對某一密閉腔體泄漏的監測技術。負壓波法的可靠性、靈敏性較好，工程造價低，可有效監測密閉腔體發生的突發性、大量泄漏事件[11]。負壓波法監測系統對泄漏位置的定位需要人工判斷波形拐點，管道起停泵、壓力調節、流量調節等工況變化時引起的壓力波動，易導致系統誤報警，需要調度人員核實，因此在管道工況變化時發生的泄漏可能會無法識別。

4.7 氣相色譜法

氣相色譜法，是通過測定待監測空間中氣體的色譜圖，與標準氣體色譜圖進行比對，判定待監測空間中泄露物的種類和泄漏程度的方法。

4.8 紅外吸收光譜法

紅外吸收光譜法是通過紅外光束照射氣體分子，氣體分子有選擇性的吸收不同頻率的光子，通過產生的紅外吸收光譜測量氣體濃度和識別不同氣體分子的結構。利用紅外探測器將光信號轉換成電信號，輸出電壓信號，通過放大、濾波轉換成數字量，利用相應程序計算氣體濃度，從而實現對氣體泄漏的監測。

4.9 生物監測法

生物監測法，作為新興技術近年來也被應用于大氣污染監測領域，是一種利用相關指示植物的器官、形態特征、組織化學成分在受到大氣污染物危害時產生的受害癥狀，判斷大氣污染物的種類，進行泄漏監測和大氣污染程度的判定。

5、基于物聯網、大數據的監測系統

以上的監測均為獨立單一的監測方法，監測過程的普適性不高，監測的數據與知識不能夠共享利用。隨著人工智能的快速發展和石化領域信息化推廣的需求，智慧煉化被提上了議事日程。近年來，人工智能領域興起的多智能體系統（Multi-Agent System，MAS）技術為上述問題的解決提供了新的途徑[13-14]。基于物聯網的人工智能技術和現代信號處理技術將會是智慧煉化的重要組成部分。

5.1 物聯網技術

物聯網IOT（the internet of things）是以射頻識別技術（RFID）為基礎，利用傳感技術、網絡傳輸技術和大數據及現代信號處理技術，給每個實體對象都賦予一個唯一的編碼，結合全球定位系統， 將實物與互聯網相連接， 真正實現 “物-物”相連的互聯網。在這個網絡系統中，人們可以進行信息交換，實現對實體對象的智能化識別、定位、追蹤、監控和管理[15]。

5.2 無線傳感網絡監測系統

為了保證系統的能夠優質高效的完成監測任務，新一代系統往往采用無線傳感器網絡技術，通過無線遠程互通，大量互聯的傳感器節點，將形成一個能夠對大型區域進行信息采集的網絡系統。完成被監測區域內的有效泄露異常信號采集，并在完成采集信息融合之后把信息傳輸到終端，進行分析識別。

5.3 MAS

在1996年德國漢諾威大學的一位教授提出可以將MAS用于大型設備的故障診斷，并上紀末美國最先將MAS應用到航天飛機狀態監測中。近幾年美國智能自動化公司聯合NASA格林研究中心，提出要將MAS應用于國際空間站，用來監測為空間站服務的電力系統[6]。在工業4.0時代到來之初，MAS除了軍事應用以外，在其他行業均處于理論概念階段。目前我國對MAS的應用研究尚且處于起步階段，還沒有真正發揮MAS協作協調的優勢，到目前為止尚未看到將MAS應用到實際機械密封狀態監測的應用報道。

多智能體系統是相對于目前常見的單智能體而提出的，它主要針對于那些設備數量繁多、分類分布廣泛且結構復雜多樣的工業過程。多智能體系統從實質上來講其實是一種多個子系統的集成，但絕對不簡單是只在結構上的線性累加和在數量上的單向拼湊。相比目前出現的單智能體而言，多智能體系統主要有兩個比較明顯的特點：（1）MAS首先將那些龐大而復雜的工業過程按照功能劃分為不同的多個子系統，即多個單智能體。這些子系統能夠非常清晰地描述、反映、處理和解決特定的問題，而且每一個子系統并不是單一孤立的，它們之間能夠進行相互通訊，從而實現不同單智能體之間的交流、協調與合作[16]；（2）就多智能體系統本身而言，它也不是孤立、封閉的。它能夠與所在的環境、工業現場設備及其他人工智能體進行對接與交流，即某一領域的多智能體系統不僅具備該領域的專業知識，而且還擁有與其相關的社會知識和專家經驗。多智能體系統利用已經獲得的社會經驗和專業領域知識，在依據“機器心理狀態”的機制下能夠自主工作。如果多智能體系統還配備有語義交互和行為協調能力的硬件輔助實體和智能軟件，就可以解決很多目前傳統人工智能設備無法解決和處理的大規模級聯復雜問題，并可以實現一些超越現實思維的網聯智慧能動行為。

5.4 開放式系統構架

基于多智能體泄漏監測開放式系統是一個涵蓋密封檢測、監測、評估及預測于一體的系統性技術。其中每一項功能的實現都需要通過一個或多個智能體協調工作來實現，而整個系統的構建、各個智能體建立以及智能體之間的信息交流與協調配合都需要有相關的規范和標準， 本文采用的是美國機械信息管理開放標準聯盟發布OSA-CBM標準，結合泄漏監測系統的具體需求來構建系統。基于多智能體泄漏監測的開放體系結構框架OSA-CBM如圖3所示。

圖3 基于 OSA-CBM的機械密封遠程監測系統結構體系

泄漏監測系統中包含的多智能體主要有：數據采集Agent、管理Agent、數據處理Agent、泄漏診斷Agent、泄漏量識別Agent、健康評估Agent、壽命預測Agent、維修Agent、用戶接口Agent、數據庫管理Agent、后勤保障Agent、服務Agent等[1,10-12,15,17-24]。

6、泄漏監測系統的評價指標

目前，泄漏監測技術的應用效果缺乏完整、系統、科學的評價指標，泄漏監測技術沒有統一的表征方法，泄漏監測系統的應用測試也難以給出一致性的測試結果。

王振[11]等參考美國石油學會相關標準API 1155—1995《Evaluation Methodology for Software Based Leak DetectionSystems》中性能指標的要求，結合管道泄漏監測系統在長輸管道的實際應用情況，提出了采用精確性、可靠性、適應性、靈敏性、經濟性5個指標來評價泄漏監測系統的綜合性能，具有極高的借鑒價值。

（1）泄漏監測系統的精確性，是指監測系統能夠發出具有實時性的準確報警信息。報警信息通常應該包括泄漏速率、泄漏位置、泄漏損失體積等信息。

（2）泄漏監測系統的可靠性，是指在正常運行時系統判斷出存在泄漏可能性的概率值。主要包括準確檢測出泄漏的能力和未發生泄漏時系統錯誤報警的可能性。該指標可以采用泄漏報警率和誤報警頻次兩個性能指標來表征，以調高監測系統的可靠度。

（3）泄漏監測系統的適應性，是指監測系統能否適應不同的應用工況和不同的監測環境，以及運行條件發生變化時是否具有通用性。

（4）泄漏監測系統的靈敏性，是指系統能檢測到的最小泄漏量和對泄漏作出報警所用的時間。系統能夠檢測到的泄漏量越小，確認報警的時間越短，其靈敏性越好。

（5）泄漏監測系統的經濟性，是指系統安裝、調試及后續維護所需要的費用。

7、結語

泄漏無處不在，而且一旦發生大的泄露，不僅會浪費物料，還會引起較大的環境問題，所以泄漏監測刻不容緩。目前泄露監測方法基本都相互獨立的，沒有數據和知識的交流與共享，這就造成各個監測系統所獲得的監測數據和經驗知識的浪費。針對目前泄漏監測特點和供應方式提出了基于多智能體開放式構架的泄漏監測系統。伴隨物聯網、云計算及大數據等技術的發展，泄漏監測需要從以前單點、獨立、固化的監測方式轉變為多點、互聯、開放的監測方式，期望能夠對所有的密封運行泄漏監測，讓所有的監測數據可以共享。有了密封設備的泄漏數據，便可以對它的性能、健康狀況、剩余壽命做出相對準確的判斷和預估。從而實現在設備出故障之前進行預知性維修，最大程度提高產品的利用率；在設備徹底失效之前，安排更換產品的生產，最大程度上減少配件庫存、甚至實現零庫存，從實質上降低供應商和用戶雙方成品設計、生產加工及運行維護的所有成本。來源：石化緣