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自動溢油檢測技術在清潔水合規性和防止溢油排放方面的應用
- 2020-11-05-

  石油泄漏是一個全球性的問題,全世界對化石燃料和石油衍生產品的依賴在生產、運輸、儲存和消費方面都處于歷史高位。重大的海上泄漏事件引起了人們的注意,然而,來自內陸和沿海的石油和石化污染物在內陸水道和海岸線擴散。從統計上看,淡水和內陸水道的泄漏造成的損害與海洋泄漏相當或更大[1],但公眾的注意力似乎明顯較少。

  很明顯,雖然石油泄漏的預防和應對是越來越令人關注的領域,但新的方法和技術保護我們自己和環境免受這些石油污染源的必要性正被石油的增長、需求和無所不在的速度嚴重趕超??紤]到這些前提,以下描述了我們在開發和引進新的傳感器技術以預防、檢測和早期預警/控制漏油方面取得的成功。

  我們的重點是近海和淡水泄漏,重點是工業應用。我們還研究了內陸和沿海水道的應用,以及潛在的近海用途。本文描述了一種堅固可靠的泄漏檢測器,它已經過現場驗證,符合美國環保署評估泄漏檢測方法的標準測試程序,并且正在申請專利。詳細介紹了傳感器所依據的科學原理(工作原理)、過去幾年的傳感器開發過程、這種新型傳感器技術最適合的眾多應用,并討論了這種新傳感器技術如何通過不同的各種應用和環境中的工業實體(最佳用途和管理實踐)。

  防止和早期控制泄漏有益于所有人:廣大公眾、流域和水道的利益相關者、商業利益(泄漏成本高昂)、自然棲息地的生態以及整個環境。通過遠程檢測防止泄漏提供了眾所周知的“雙贏”解決方案,并且在實施后,可大大降低重大泄漏風險和重大損害。這種做法現在已經得到了使用這項新技術的公司的驗證,他們正在證明,實時泄漏檢測為防止和控制原本無法檢測到的泄漏提供了一種強大的新工具。

  從誕生之初,傳感器的設計范圍已經發展到滿足不斷擴大的應用范圍和系統特性。然而,我們一開始列出的基本傳感器屬性仍然是設計的核心:

  1)可靠地檢測水面上的油光和浮油

  2)非接觸式傳感器設計,需要在不接觸水/污水的情況下進行油液檢測

  3)不受環境條件影響

  4)遠程和自主式操作

  5)在流體表面以上5米范圍內可操作

  6)適應性和可縮放性,

  7)易于安裝和操作

  8)商業上可行、經濟、低維護的傳感器組件

  油的檢測原理是熒光,我們開發的油檢測傳感器通過激發和測量熒光來檢測油的存在。熒光是一種光學現象,其中化合物吸收一個波長的光,并以更長的波長發射它[2]。當熒光化合物被激發時,一些能量通過激發電子而被吸收到更高的能量狀態。一旦光源被移除,被激發的電子就會回到基態,在這個過程中發光。這一過程與在黑暗中發光的物質非常相似,只是發生的時間要短得多。因為在吸收-發射過程中,一些能量以熱的形式損失,所以發射光的波長總是比吸收光的波長長。通常,吸收光在紫外線范圍內,發射光在可見光范圍內。例如,油通常吸收300至400納米的光,并發射450至650納米的光。

  熒光檢測,或稱熒光測定法,本身并不是一項新技術。一般來說,熒光計使用光譜法以流動或水系統的形式進行熒光檢測。這些儀器通常包括精密的實驗室質量儀器,用于科學研究或在線水質分析儀,因此,作為遠程部署的野戰單元或陣列,其成本高得令人望而卻步,不切實際。流動技術容易受到取樣管/機構上的生物污染和油污污染,因此需要特別注意和持續維護。相比之下,這種新型泄漏檢測傳感器的設計雖然基于相同的熒光測量原理,但卻是一種向下看的、非接觸的光學傳感器,安裝在目標液體表面上方5米處,不受這些高維護污染影響和部署限制。

  在該傳感器中,高功率氙燈用于產生高能光束。然后,這些光被濾除并迅速聚焦成錐形光束,這樣只需要將所需波長的光投射到目標區域。目標區域內的任何石油都會發出熒光,隨后會發出其特征波長的光。然后,傳感器的專有掃描光學系統和數字信號處理系統對這些光進行處理,該系統檢測油的熒光特性。

自動溢油檢測技術

  傳感器對油的檢測是基于差分測量的,這意味著它是基于有油時目標區域內的異常信號返回。正常環境條件構成基線讀數或“零點”,傳感器狀態為“未檢測到機油”。如果存在機油,則信號返回大于正常環境條件,觸發檢測和“檢測到機油”警報狀態。如果油以不同的量存在,信號返回與在“觀察”或取樣區域內檢測到的油量或多環芳烴/芳香族成分成比例。

  利用熒光測量學的基本物理原理,以及傳感器的屬性和目標列表,我們通過研究油的物理特性和用各種光源、光學元件和探測器進行實驗室實驗,開始了開發階段。我們的工作重點放在石油和石油基液體上,通常稱為多環芳烴(PAH)和BTEX化合物(苯、甲苯、異丁烯、二甲苯),它們要么是統計上最普遍的,要么是被我們咨詢過的行業(最終用戶)和政府專家認為最為關注的。這些包括但不限于:原油、重燃料油(例如“燃料C”)、潤滑油、機油、液壓油、汽輪機油、柴油、噴氣燃料、石腦油、煤油、礦物油、各種工藝用油等。

  我們還檢查了許多食用油,如大豆、玉米和橄欖油。需要注意的是,這些主要“分類”中的不同品牌或類型的油(如“柴油”)來自許多不同的來源,含有各種添加劑,并且由不同的濃度和成分組成。在給定類別的油中,從產品到產品,熒光特性和油/污染物在受到紫外光激發時將如何響應或“出現”到檢測器上,都存在固有的可變性。我們的主要重點是開發和測試一種現場傳感器,該傳感器能夠以高可靠性的方式鑒定各種油品的存在,而不是花費精力去分析和分類微小的差異或程度的可變性。

  在本文中,結果僅限于在給定條件下測試的特定油。然而,我們確實發現,根據檢測器對特定產品進行測試所獲得的結果可以用于成功地預測或推斷“相關”油的成功檢測,而不考慮產品之間的細微差異。此外,對于對關注的特定油的“可檢測性”感興趣的用戶,在實驗室或現場根據檢測器對油樣進行測試,以驗證檢測的高概率性,并對特定油基產品的檢測器熟練程度進行描述和記錄。圖2說明了當暴露在寬帶紫外線光源下時,油的初始特性之一。

  結果來自儀器開發過程中進行的測試。這些測試是使用實驗室光源和接收器進行的,雖然我們已經用不同的設備和目的多次重復了這項測試,但這些結果顯示了當用紫外線光源照射時光譜中各種油的熒光的代表性估計或基準。作為參考,M.Fingas和C.Brown在其題為“溢油遙感回顧”的論文中對這一主題進行了更徹底的處理[3]。作為初步開發階段的實驗室實驗結果,選擇了高功率氙頻閃燈作為傳感器的整體光源,并與合適的電源耦合。在整個過程中,閃存和傳感器的電源都被證明是非常有效的。開發閃光燈組件的一個關鍵標準是有足夠的輸出強度,能夠在距離目標表面5米的地方探測到微小的表面光澤。

  目前,這5米的限制是可靠檢測的近似上限;然而,正在進行的測試證實,該檢測范圍可能在不久的將來增加。輸出/光學組件所需的其他關鍵部件是拋物面反射器,它將錐形光束聚焦/準直到下面的目標區域,以及將能量輸出限制在所需光譜范圍內的帶通濾波器。對這些部件進行了廣泛的綜合性能測試。與傳感器光學子系統的開發類似,已經測試并集成了一套專有的光探測器,以提供必要的接收器屬性,以便根據性能測試和現場試驗準確測量是否存在石油。這些組件以及必要的電子設備和微處理器緊密集成在不銹鋼防風雨外殼內(約10x12x14英寸)。外殼還配有閥門配件和通風口,因此可以增加一個空氣凈化系統,以滿足I類II類危險場所的安裝要求,例如煉油廠和碼頭中常見的危險場所。


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