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自动溢油检测技术在清洁水合规性和防止溢油排放方面的应用
- 2020-11-05-

  石油泄漏是一个全球性的问题,全世界对化石燃料和石油衍生产品的依赖在生产、运输、储存和消费方面都处于历史高位。重大的海上泄漏事件引起了人们的注意,然而,来自内陆和沿海的石油和石化污染物在内陆水道和海岸线扩散。从统计上看,淡水和内陆水道的泄漏造成的损害与海洋泄漏相当或更大[1],但公众的注意力似乎明显较少。

  很明显,虽然石油泄漏的预防和应对是越来越令人关注的领域,但新的方法和技术保护我们自己和环境免受这些石油污染源的必要性正被石油的增长、需求和无所不在的速度严重赶超。考虑到这些前提,以下描述了我们在开发和引进新的传感器技术以预防、检测和早期预警/控制漏油方面取得的成功。

  我们的重点是近海和淡水泄漏,重点是工业应用。我们还研究了内陆和沿海水道的应用,以及潜在的近海用途。本文描述了一种坚固可靠的泄漏检测器,它已经过现场验证,符合美国环保署评估泄漏检测方法的标准测试程序,并且正在申请专利。详细介绍了传感器所依据的科学原理(工作原理)、过去几年的传感器开发过程、这种新型传感器技术最适合的众多应用,并讨论了这种新传感器技术如何通过不同的各种应用和环境中的工业实体(最佳用途和管理实践)。

  防止和早期控制泄漏有益于所有人:广大公众、流域和水道的利益相关者、商业利益(泄漏成本高昂)、自然栖息地的生态以及整个环境。通过远程检测防止泄漏提供了众所周知的“双赢”解决方案,并且在实施后,可大大降低重大泄漏风险和重大损害。这种做法现在已经得到了使用这项新技术的公司的验证,他们正在证明,实时泄漏检测为防止和控制原本无法检测到的泄漏提供了一种强大的新工具。

  从诞生之初,传感器的设计范围已经发展到满足不断扩大的应用范围和系统特性。然而,我们一开始列出的基本传感器属性仍然是设计的核心:

  1)可靠地检测水面上的油光和浮油

  2)非接触式传感器设计,需要在不接触水/污水的情况下进行油液检测

  3)不受环境条件影响

  4)远程和自主式操作

  5)在流体表面以上5米范围内可操作

  6)适应性和可缩放性,

  7)易于安装和操作

  8)商业上可行、经济、低维护的传感器组件

  油的检测原理是荧光,我们开发的油检测传感器通过激发和测量荧光来检测油的存在。荧光是一种光学现象,其中化合物吸收一个波长的光,并以更长的波长发射它[2]。当荧光化合物被激发时,一些能量通过激发电子而被吸收到更高的能量状态。一旦光源被移除,被激发的电子就会回到基态,在这个过程中发光。这一过程与在黑暗中发光的物质非常相似,只是发生的时间要短得多。因为在吸收-发射过程中,一些能量以热的形式损失,所以发射光的波长总是比吸收光的波长长。通常,吸收光在紫外线范围内,发射光在可见光范围内。例如,油通常吸收300至400纳米的光,并发射450至650纳米的光。

  荧光检测,或称荧光测定法,本身并不是一项新技术。一般来说,荧光计使用光谱法以流动或水系统的形式进行荧光检测。这些仪器通常包括精密的实验室质量仪器,用于科学研究或在线水质分析仪,因此,作为远程部署的野战单元或阵列,其成本高得令人望而却步,不切实际。流动技术容易受到取样管/机构上的生物污染和油污污染,因此需要特别注意和持续维护。相比之下,这种新型泄漏检测传感器的设计虽然基于相同的荧光测量原理,但却是一种向下看的、非接触的光学传感器,安装在目标液体表面上方5米处,不受这些高维护污染影响和部署限制。

  在该传感器中,高功率氙灯用于产生高能光束。然后,这些光被滤除并迅速聚焦成锥形光束,这样只需要将所需波长的光投射到目标区域。目标区域内的任何石油都会发出荧光,随后会发出其特征波长的光。然后,传感器的专有扫描光学系统和数字信号处理系统对这些光进行处理,该系统检测油的荧光特性。

自动溢油检测技术

  传感器对油的检测是基于差分测量的,这意味着它是基于有油时目标区域内的异常信号返回。正常环境条件构成基线读数或“零点”,传感器状态为“未检测到机油”。如果存在机油,则信号返回大于正常环境条件,触发检测和“检测到机油”警报状态。如果油以不同的量存在,信号返回与在“观察”或取样区域内检测到的油量或多环芳烃/芳香族成分成比例。

  利用荧光测量学的基本物理原理,以及传感器的属性和目标列表,我们通过研究油的物理特性和用各种光源、光学元件和探测器进行实验室实验,开始了开发阶段。我们的工作重点放在石油和石油基液体上,通常称为多环芳烃(PAH)和BTEX化合物(苯、甲苯、异丁烯、二甲苯),它们要么是统计上最普遍的,要么是被我们咨询过的行业(最终用户)和政府专家认为最为关注的。这些包括但不限于:原油、重燃料油(例如“燃料C”)、润滑油、机油、液压油、汽轮机油、柴油、喷气燃料、石脑油、煤油、矿物油、各种工艺用油等。

  我们还检查了许多食用油,如大豆、玉米和橄榄油。需要注意的是,这些主要“分类”中的不同品牌或类型的油(如“柴油”)来自许多不同的来源,含有各种添加剂,并且由不同的浓度和成分组成。在给定类别的油中,从产品到产品,荧光特性和油/污染物在受到紫外光激发时将如何响应或“出现”到检测器上,都存在固有的可变性。我们的主要重点是开发和测试一种现场传感器,该传感器能够以高可靠性的方式鉴定各种油品的存在,而不是花费精力去分析和分类微小的差异或程度的可变性。

  在本文中,结果仅限于在给定条件下测试的特定油。然而,我们确实发现,根据检测器对特定产品进行测试所获得的结果可以用于成功地预测或推断“相关”油的成功检测,而不考虑产品之间的细微差异。此外,对于对关注的特定油的“可检测性”感兴趣的用户,在实验室或现场根据检测器对油样进行测试,以验证检测的高概率性,并对特定油基产品的检测器熟练程度进行描述和记录。图2说明了当暴露在宽带紫外线光源下时,油的初始特性之一。

  结果来自仪器开发过程中进行的测试。这些测试是使用实验室光源和接收器进行的,虽然我们已经用不同的设备和目的多次重复了这项测试,但这些结果显示了当用紫外线光源照射时光谱中各种油的荧光的代表性估计或基准。作为参考,M.Fingas和C.Brown在其题为“溢油遥感回顾”的论文中对这一主题进行了更彻底的处理[3]。作为初步开发阶段的实验室实验结果,选择了高功率氙频闪灯作为传感器的整体光源,并与合适的电源耦合。在整个过程中,闪存和传感器的电源都被证明是非常有效的。开发闪光灯组件的一个关键标准是有足够的输出强度,能够在距离目标表面5米的地方探测到微小的表面光泽。

  目前,这5米的限制是可靠检测的近似上限;然而,正在进行的测试证实,该检测范围可能在不久的将来增加。输出/光学组件所需的其他关键部件是抛物面反射器,它将锥形光束聚焦/准直到下面的目标区域,以及将能量输出限制在所需光谱范围内的带通滤波器。对这些部件进行了广泛的综合性能测试。与传感器光学子系统的开发类似,已经测试并集成了一套专有的光探测器,以提供必要的接收器属性,以便根据性能测试和现场试验准确测量是否存在石油。这些组件以及必要的电子设备和微处理器紧密集成在不锈钢防风雨外壳内(约10x12x14英寸)。外壳还配有阀门配件和通风口,因此可以增加一个空气净化系统,以满足I类II类危险场所的安装要求,例如炼油厂和码头中常见的危险场所。


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