摘要：随着石油、天然气等资源开发的不断深入、石化产品生产加工规模的不断扩大，对地下水、土壤、大气等自然环境的影响和污染越来越广，相应对环境监管和保护的迫切度比以往也越来越高。本文介绍了目前石化行业发生泄漏的主要部位，讲述了目前泄漏监测的主要方法，尤其是一些新型监测方法，例如：超声监测法、声发射监测法、分布式光纤检测法以及基于物联网和工业大数据的实时监测系统。提出了基于多智能体的开放式泄漏监测系统。分析得出，压缩机干气密封实时监测技术、泵用机械密封泄漏实时监测系统、智能化气体集成监测系统将成为未来石化行业主要的发展方向和热点。最后探讨了监测系统的评价指标。

关键字：泄漏监测，声发射，物联网，多智能体

1、引言 

石油作为不可再生资源，在中国国民经济发展中占据着极其重要的位置。然而，石油的勘探、钻井、开采、油气集输、炼油、炼化等产生过程和工艺流程的废弃液、钻井泥浆、含油污水、含油污泥以及运输过程中的管线泄漏原油、以及石化产品加工过程中产生的中间产物和废料都会对地下水、土壤、大气造成持久、不可逆的污染。金山银山不如绿水青山，因此做好石化生产过程中的环境监测，最大程度降低石化污染对生态环境的危害显得十分重要。虽然环境治理越来越得到人们的关心和重视。但是，无论机械加工水平多高、设备管理和维护制度多好，高压介质的渗透、泄漏现象依然普遍存在而无法根除。尤其是泄漏，普遍地发生在每一套设备中，只不过是泄漏量大还是小的区别而已。

所谓泄漏是指在设备运行过程中，由于密封空间内外的压差，密封面存在间隙或操作不当等多种因素，使物料从有限空间内部跑到外部，或者是其它物质由空间外部进入内部[1]。当今全球十大环境问题主要是: ①全球变暖；②臭氧层破坏； ③大气污染；④淡水资源短缺和污染；⑤海洋污染；⑥有害化学品和危险废物；⑦生物多样性减少；⑧土地退化和沙漠化；⑨森林锐减；⑩环境公害；其中有七项均与泄漏有关[1]。可想而知，泄漏对我们带来了多大的影响和危害。因此，如何监测泄漏并对其进行控制应该是环保部门及企业共同关注的重点。泄漏的污染物的形成、转化、输送和演变过程具有极强的时空相关性， 研究和发展能适用于多组分环境污染物的快速、实时、动态监测的技术和仪器设备将成为本领域研究工作者面对的重大课题。提高监测质量，改进监测技术，加强监测管理，不仅有助于保护生态环境，而且对建设绿色石化、智慧炼化的可持续发展具有实际意义。

2、泄漏的来源

对泄漏进行监测及控制，首先要了解泄漏的来源。一般来讲，在设备的任何部位、任何时刻均有可能发生泄漏。通常以为泄漏排放来自于流体( 即液体或气体)，但实际上，泄漏排放的另一个来源是来自粉尘，如采矿、采石、建筑、拆建、交通等方面所产生的排放[1]。虽然泄漏排放有许多来源，然而最主要的也是最普遍的泄露部位是密封。图1给出了石化设备中产生泄漏排放部位（设备）的比例分布图。实际上，行业不同，生产工艺流程不同，排放百分率也有所不同，但其比例相差不大。

图1 石化企业泄漏的典型分布

从图1来看，典型的工业设备最严重的泄漏主要来自密封和阀的泄漏。而据统计表明，90% 以上的阀泄漏是由密封圈失效造成的泄漏[1]。静密封失效的主要原因有：微动磨损、间隙咬伤、老化损伤、膨胀损伤、龟裂；动密封损失的主要原因有：机械磨损、腐蚀、空化、热裂等。

泵和压缩机通常是泄漏产生的第二大源头。泄漏通常发生在失效旋转泵壳与泵轴之间的动密封或密封圈处。因此，改善密封系统是控制泄漏最有效的方法之一。接触式机械密封已在泵上得到广泛应用，而非接触干气密封在压缩机上也已经普遍被使用。而且无密封的泵( 如隔膜片泵、屏蔽泵、磁传动泵等) 均不会产生泄漏，目前这些产品也相继问世。

3、密封

阻止泄漏最有效的方式是密封。在大自然的生物中，密封以各种各样的形式实现，例如内脏隔膜、蝶形瓣膜或血的凝固等。这些密封机理都归类于静密封“技术”。然而，生物在进化的过程中，虽然已经发展、进化出难以想象的复杂生理系统，但却没有出现转子或液动活塞杆等生物结构，即没有出现连续旋转或滑动的器官。这些归因于生物进化不能演变成具有充分密封性的动态密封，而充分的密封性是营养和信号输送到被连接器官的前提[2]。自1885年世界上首例机械密封应用实例出现在老牌工业强国英国[3]，机械密封以其优良的可靠性、密封性、适用性和经济型等在石油化工、油气运输、给排水、汽车、深海勘探、航空航天[2]等行业得到了迅速的推广和应用。

机械密封直接关系到降低能源消耗和碳排放量、节约成本的问题[4]。例如，据欧洲密封协会（ESA， European Sealing Association）于2004年发表的各型密封寿命周期成本与环境影响因子（按总排放水平）的相关矩阵（图2[5]）显示双级气膜润滑加压的机械密封（干气密封）不但具有相对较低的生命周期成本，而且对环境的影响也较小[6]。深入研究密封状态监测，尤其是泄露监测，可以保证机械密封运行的可靠性和稳定性，对整个机械行业同样有着不可替代的作用。因而密封泄漏监测始终是工业生产设备技术中的一个重要课题[7-8]。

图2 生命周期开销相关矩阵

机械密封泄漏监测(Mechanical Seal Leakage Monitoring，MSLM)，其目的在于事先了解、掌握密封设备发生故障之前的异常信息与劣化征兆，以便工程师能够提前采取针对性预防措施防止和控制泄漏的持续发生[2,9]。

综上所述，密封泄漏监测技术，研究意义重大而且应用前景广阔。对密封泄漏进行实时监测及运行机理开展前瞻性研究，可以使我国机械密封技术进一步缩短与发达国家之间的差距，更好的为国民经济服务。

4、泄漏监测方法

4.1 声波监测方法

声波泄漏监测，声波泄漏检测技术不仅涉及到流体力学、噪声学，还涉及到传感技术、信号处理技术等学科，是多学科综合应用的高效检测方法。其原理是利用泄漏点处高速射流气体与腔体内壁相互作用产生的震荡声波在腔体内上、下传播过程的时间差来准确预测是否发生泄漏和确定泄漏位置的检测技术。具有定位准确、误报率低、可以监测微量气体泄漏等优点，越来越受到研究者的广泛关注。 

4.2 声发射监测方法

声发射（Acoustic Emission，AE），又被称作应力波发射（Stress Wave Emission，SWE），是指当材料表面或内部发生局部或整体挤压变形、冲击折断引起应力不均匀分布而突然释放应变能过程中产生的一种瞬态弹力波。如果不是由变形和断裂机制所形成的应力波源，如摩擦、燃烧、撞击以及流体泄漏、冲蚀等也可以形成应力波源，这种应力波源被称作二次声发射源。声发射在泄漏检测方面，无噪声时对微小泄漏检测的准确率高于99%；在施工噪声等干扰下，声发射泄漏检测准确率有所降低。杨哲[10]研究证明在复杂工况下用声发射检测技术检测管道泄漏并进行定位是可行的。

4.3 次声波法泄漏监测技术

次声波监测技术，由于管道破裂泄漏时介质与管壁摩擦会持续产生次声波信号，次声波监测技术对于缓慢、微小泄漏的检测能力较高[11]。次声波法泄漏监测技术的发展日益成熟，具有较好的可靠性、灵敏性和精确性。通过系统调试周期的数据积累，利用数学模型及信号处理大幅降低外界干扰因素的影响，可实现泄漏监测。由于声学监测技术不受介质种类的影响，对于原油、成品油、天然气等各类设备，均可采用次声波泄漏监测系统，尤其是高压管道，由于泄漏时产生的次声波信号强，监测系统的应用效果尤为突出。

4.4 光纤监测方法

由于光纤中的激光脉冲与光纤分子相互作用，发生散射，其中拉曼散射会产生斯托克斯光和反斯托克斯光（信号强度与温度有关），通过计算反斯托克斯光与斯托克斯光的比例可得到该点的温度，当设备发生泄漏时，泄漏源附近的温度会相应变化，监视该局部温度变化，可以对泄漏进行监测和定位。英国曼彻斯特大学科学与技术研究院的费兰克· 克瓦斯尼科[12]开发出一种新型光纤,可用来监测石油或化学品的泄露,只要将这些光纤沿管道安置好,一旦发生泄露,马上可以定位并发出警报。

4.5 SF6示踪剂泄漏监测方法

非放射性气体示踪技术是一种常用的泄漏检测技术，通过监测示踪气体的含量变化获得示踪剂的泄漏量，从而得到容器（或密封件）的气体泄漏率。常用的示踪气体为ＳＦ６，具有化学惰性、稳定性好、抗辐照能力强、色谱分析速度快、电子捕获检测灵敏度高等优点，已在大气示踪试验、密封容器泄漏检测等方面得到了广泛应用。对一些特殊检测场所，如贮存放射性和有毒有害气体的压力容器的泄漏监测，通过示踪剂在线采样和分析方法是十分必要。

4.6 负压波法

负压波法是通过在流体入口和出口处压力差的监测，来实现对某一密闭腔体泄漏的监测技术。负压波法的可靠性、灵敏性较好，工程造价低，可有效监测密闭腔体发生的突发性、大量泄漏事件[11]。负压波法监测系统对泄漏位置的定位需要人工判断波形拐点，管道起停泵、压力调节、流量调节等工况变化时引起的压力波动，易导致系统误报警，需要调度人员核实，因此在管道工况变化时发生的泄漏可能会无法识别。

4.7 气相色谱法

气相色谱法，是通过测定待监测空间中气体的色谱图，与标准气体色谱图进行比对，判定待监测空间中泄露物的种类和泄漏程度的方法。

4.8 红外吸收光谱法

红外吸收光谱法是通过红外光束照射气体分子，气体分子有选择性的吸收不同频率的光子，通过产生的红外吸收光谱测量气体浓度和识别不同气体分子的结构。利用红外探测器将光信号转换成电信号，输出电压信号，通过放大、滤波转换成数字量，利用相应程序计算气体浓度，从而实现对气体泄漏的监测。

4.9 生物监测法

生物监测法，作为新兴技术近年来也被应用于大气污染监测领域，是一种利用相关指示植物的器官、形态特征、组织化学成分在受到大气污染物危害时产生的受害症状，判断大气污染物的种类，进行泄漏监测和大气污染程度的判定。

5、基于物联网、大数据的监测系统

以上的监测均为独立单一的监测方法，监测过程的普适性不高，监测的数据与知识不能够共享利用。随着人工智能的快速发展和石化领域信息化推广的需求，智慧炼化被提上了议事日程。近年来，人工智能领域兴起的多智能体系统（Multi-Agent System，MAS）技术为上述问题的解决提供了新的途径[13-14]。基于物联网的人工智能技术和现代信号处理技术将会是智慧炼化的重要组成部分。

5.1 物联网技术

物联网IOT（the internet of things）是以射频识别技术（RFID）为基础，利用传感技术、网络传输技术和大数据及现代信号处理技术，给每个实体对象都赋予一个唯一的编码，结合全球定位系统， 将实物与互联网相连接， 真正实现 “物-物”相连的互联网。在这个网络系统中，人们可以进行信息交换，实现对实体对象的智能化识别、定位、追踪、监控和管理[15]。

5.2 无线传感网络监测系统

为了保证系统的能够优质高效的完成监测任务，新一代系统往往采用无线传感器网络技术，通过无线远程互通，大量互联的传感器节点，将形成一个能够对大型区域进行信息采集的网络系统。完成被监测区域内的有效泄露异常信号采集，并在完成采集信息融合之后把信息传输到终端，进行分析识别。

5.3 MAS

在1996年德国汉诺威大学的一位教授提出可以将MAS用于大型设备的故障诊断，并上纪末美国最先将MAS应用到航天飞机状态监测中。近几年美国智能自动化公司联合NASA格林研究中心，提出要将MAS应用于国际空间站，用来监测为空间站服务的电力系统[6]。在工业4.0时代到来之初，MAS除了军事应用以外，在其他行业均处于理论概念阶段。目前我国对MAS的应用研究尚且处于起步阶段，还没有真正发挥MAS协作协调的优势，到目前为止尚未看到将MAS应用到实际机械密封状态监测的应用报道。

多智能体系统是相对于目前常见的单智能体而提出的，它主要针对于那些设备数量繁多、分类分布广泛且结构复杂多样的工业过程。多智能体系统从实质上来讲其实是一种多个子系统的集成，但绝对不简单是只在结构上的线性累加和在数量上的单向拼凑。相比目前出现的单智能体而言，多智能体系统主要有两个比较明显的特点：（1）MAS首先将那些庞大而复杂的工业过程按照功能划分为不同的多个子系统，即多个单智能体。这些子系统能够非常清晰地描述、反映、处理和解决特定的问题，而且每一个子系统并不是单一孤立的，它们之间能够进行相互通讯，从而实现不同单智能体之间的交流、协调与合作[16]；（2）就多智能体系统本身而言，它也不是孤立、封闭的。它能够与所在的环境、工业现场设备及其他人工智能体进行对接与交流，即某一领域的多智能体系统不仅具备该领域的专业知识，而且还拥有与其相关的社会知识和专家经验。多智能体系统利用已经获得的社会经验和专业领域知识，在依据“机器心理状态”的机制下能够自主工作。如果多智能体系统还配备有语义交互和行为协调能力的硬件辅助实体和智能软件，就可以解决很多目前传统人工智能设备无法解决和处理的大规模级联复杂问题，并可以实现一些超越现实思维的网联智慧能动行为。

5.4 开放式系统构架

基于多智能体泄漏监测开放式系统是一个涵盖密封检测、监测、评估及预测于一体的系统性技术。其中每一项功能的实现都需要通过一个或多个智能体协调工作来实现，而整个系统的构建、各个智能体建立以及智能体之间的信息交流与协调配合都需要有相关的规范和标准， 本文采用的是美国机械信息管理开放标准联盟发布OSA-CBM标准，结合泄漏监测系统的具体需求来构建系统。基于多智能体泄漏监测的开放体系结构框架OSA-CBM如图3所示。

图3 基于 OSA-CBM的机械密封远程监测系统结构体系

泄漏监测系统中包含的多智能体主要有：数据采集Agent、管理Agent、数据处理Agent、泄漏诊断Agent、泄漏量识别Agent、健康评估Agent、寿命预测Agent、维修Agent、用户接口Agent、数据库管理Agent、后勤保障Agent、服务Agent等[1,10-12,15,17-24]。

6、泄漏监测系统的评价指标

目前，泄漏监测技术的应用效果缺乏完整、系统、科学的评价指标，泄漏监测技术没有统一的表征方法，泄漏监测系统的应用测试也难以给出一致性的测试结果。

王振[11]等参考美国石油学会相关标准API 1155—1995《Evaluation Methodology for Software Based Leak DetectionSystems》中性能指标的要求，结合管道泄漏监测系统在长输管道的实际应用情况，提出了采用精确性、可靠性、适应性、灵敏性、经济性5个指标来评价泄漏监测系统的综合性能，具有极高的借鉴价值。

（1）泄漏监测系统的精确性，是指监测系统能够发出具有实时性的准确报警信息。报警信息通常应该包括泄漏速率、泄漏位置、泄漏损失体积等信息。

（2）泄漏监测系统的可靠性，是指在正常运行时系统判断出存在泄漏可能性的概率值。主要包括准确检测出泄漏的能力和未发生泄漏时系统错误报警的可能性。该指标可以采用泄漏报警率和误报警频次两个性能指标来表征，以调高监测系统的可靠度。

（3）泄漏监测系统的适应性，是指监测系统能否适应不同的应用工况和不同的监测环境，以及运行条件发生变化时是否具有通用性。

（4）泄漏监测系统的灵敏性，是指系统能检测到的最小泄漏量和对泄漏作出报警所用的时间。系统能够检测到的泄漏量越小，确认报警的时间越短，其灵敏性越好。

（5）泄漏监测系统的经济性，是指系统安装、调试及后续维护所需要的费用。

7、结语

泄漏无处不在，而且一旦发生大的泄露，不仅会浪费物料，还会引起较大的环境问题，所以泄漏监测刻不容缓。目前泄露监测方法基本都相互独立的，没有数据和知识的交流与共享，这就造成各个监测系统所获得的监测数据和经验知识的浪费。针对目前泄漏监测特点和供应方式提出了基于多智能体开放式构架的泄漏监测系统。伴随物联网、云计算及大数据等技术的发展，泄漏监测需要从以前单点、独立、固化的监测方式转变为多点、互联、开放的监测方式，期望能够对所有的密封运行泄漏监测，让所有的监测数据可以共享。有了密封设备的泄漏数据，便可以对它的性能、健康状况、剩余寿命做出相对准确的判断和预估。从而实现在设备出故障之前进行预知性维修，最大程度提高产品的利用率；在设备彻底失效之前，安排更换产品的生产，最大程度上减少配件库存、甚至实现零库存，从实质上降低供应商和用户双方成品设计、生产加工及运行维护的所有成本。来源：石化缘