基于聚类分析的地下油罐泄漏区污染源定位方法.pdf

2023 年第 39 卷第 3 期石油化工安全环保技术PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY54地下油罐是一种埋于地下的储油容器，主要用于加油站、油库等，储存的油类包括汽油、柴油以及煤油等1。地下油罐具备良好的防火、防爆效果，并且能有效减少土地资源的使用，无须繁琐的消防设备2。但是，地下油罐也存在一定的缺点：由于埋在地下，它需承受土壤压力，受到土壤腐蚀等，容易发生泄漏。地下油罐可能会存在多点泄漏、不易被发现并且维修较难。油罐一旦发生泄漏，会有污染物排出3，在一定的环境条件下，油罐排放的物质会产生一系列的物理、化学以及生物反应，引起环境污染，降低环境质量或者对人体健康造成影响。泄漏的污染物还会对地下水造成污染，进而会造成环境、人体健康的影响。因此对污染区、污染源精准定位具有重要意义。潘紫东4等人为完成污染源的识别，采用模拟-优化方法进行污染源辨识研究。贾顺卿5等人运用 U-D 分解卡尔曼滤波方法实现污染源识别。上述方法均具备污染源识别能力，但是上述方法在识别时，对于多点泄漏的定点定位效果仍需进一步验证。基于此，提出基于聚类分析的地下油罐泄漏区污染源定位方法，该方法以地下水文模拟模型为基础，依据聚类算法构建污染区污染浓度计算模型，在此基础上，完成污染源的预收稿日期：2022-03-07作者简介：蔡天洲，男，2012 年毕业于辽宁石油化工大学应用化学（工业分析）专业，主要从事环境保护 管 理 工 作，工 程 师。电 话：028-85741254，E-mail:基于聚类分析的地下油罐泄漏区污染源定位方法蔡天洲（中国石油四川石化有限责任公司，四川 成都 611930）摘要：为了定位地下油罐泄漏区污染源，掌握泄漏情况，提出基于聚类分析的地下油罐泄漏区污染源定位方法。建立地下油罐区域水流动模型和污染物迁移计算模型，获取油罐泄漏后污染物的迁移计算结果；构建水域污染浓度模型，计算污染物浓度；采用粒子滤波计算所有污染源权重并完成筛选，通过循环迭代的处理方式，最终保留 1 个权重结果最高的污染源完成定位。测试结果显示：该方法能够获取准确浓度变化结果；DBI 最高值为 0.867，最小值为 0.724，聚类效果良好；可精准获取各个泄漏点位置。关键词：聚类分析地下油罐泄漏区污染源定位污染物浓度迁移特性测以及定位。1 地下油罐泄漏区污染源定位1.1 污染物迁移分析1.1.1 油罐泄漏区水文地质模型地下油罐一旦发生泄漏，会对浅层地下水造成不同程度的有机或者无机污染。泄漏油经由包气带土层进入地下水，随着水的运动发生迁移，导致污染区域增加。在该过程中污染物的自身会产生物理、化学以及生物反应，会导致水质发生恶化，在破坏生态环境的同时也对人体健康造成危害。为精准完成地下油罐泄漏污染源定位，需分析污染物随地下水迁移的情况，构建地下水流模拟模型和污染物迁移 模型。结合水文地质概念、达西和质量守恒两种定律，建立地下油罐区域水流动模型，公式为：蔡天洲.基于聚类分析的地下油罐泄漏区污染源定位方法 552023 年第 39 卷第 3 期 （1）式中：H地下水水头；xx、yy、zz 渗 透 系 数，分 别 对 应(x,y,z)方向；源汇项；s含水层的储水系数；H0、q含水层的初始水头补给流量；H1每一个土层边界的水位；渗流区域；B1和 B2分别为水头、流量的已知边界；n单位外法线方向。1.1.2 污染物迁移计算模型地下油罐发生泄漏后，污染物随地下水的运动会发生对流、弥散等迁移状态，同时其自身也存在物理、化学以及生物等变化。迁移方程为：（2）（3）式中：k=1,2,.,m，p=1,2,.,(n-m)；m泄漏过程中发生生物、化学反应的污染物种类数量；i采用地下水流速度的方向描述弥散主轴方向；j与 i 垂直的方向；Ck污染物在水相中发生生物、化学反应浓度；Cp浓度位于固相中第 p 种污染物质；Dij地下水动力弥散系数张量；i孔隙度；qs在含水层的单位体积中表示 的量；Cs泄漏的污染物在源汇处的浓度；rc和 rc泄漏的污染物在水相中和固相中发生反应的速率；t时间。依据式（2）和式（3）即可获取油罐泄漏后污染物的迁移结果。1.2 基于聚类分析的污染区域计算模型依据 1.1 节完成水文地质和污染物迁移计算后，采用 K-means 算法对上述计算结果实行聚类，构建水域污染浓度模型，计算污染区域。采用 K-means 算法对水文地质和污染物迁移数据实行聚类，获取油罐泄漏第 k 类数据样本点的集合为 Dk，簇中心用 u 表示，计算公式为：（4）（5）式中：xj、xiDk中的两种不同样本点；NkDk中样本点数量。为保证聚类数据的属性量纲的一致性，采用标准化对数据实行处理，公式为：（6）式中：j和 j均值和标准差。完成标准化处理后，确定数据的第 K 个簇中心，聚类后，采用拟合方式，获取各类污染物的每一个聚类类别的拟合正态分布曲线结果，以此得出油罐泄漏排出的移动污染源对应的类别。正态分布函数公式为：（7）式中：x污染物的测量值；和 污染物浓度的平均值和标准差。1.3 污染区污染源定位本文采用粒子滤波完成地下油罐泄漏污染区污染源定位，该算法依据聚类得出的 x 结果预测污染浓度最高的区域后，计算所有污染源权重，并完成筛选，保留计算结果中权重值最高的污染源；通过循环迭代的处理方式，最终保留 1 个权石油化工安全环保技术562023 年第 39 卷第 3 期重结果最高的污染源，完成定位。1.3.1 污染浓度最高区域预测粒子数量设定后，将其均匀分配在污染的区域中。如果在 t-1 和 t 时，污染源的定位分别为Xt-1(xt-1,yt-1,t-1)和 Xt(xt,yt,t)，污染源的迁移速度即为水流速度，则在 t-1 和 t 时，污染源的位置迁移变化计算式为：（8）式中：V水流速度；t污染物位置迁移的时间差。设表示污染源的状态转换函数，在此基础上，预测每一个粒子的状态，获取提议分布结果。该结果如果与污染源分布结果吻合程度较高，表示粒子滤波效果越佳。为了保证提议分布结果的可靠性，采用激光雷达数据采样粒子完成提议分布。在油罐泄漏污染浓度较高区域，分别采用激光扫描仪和传感器实行扫描，其获取的固体点角度公式为：（9）为了实现激光扫描仪和传感机器获取的物体角度信息，采用旋转变换的方式对传感器获取的物体点角度数据实行处理，该转换依据角度信息式（10）完成，并且在转换过程中需满足误差正态分布：（10）式中：l,i激光扫描仪的误差；R污染源的旋转矩阵，其计算式为：（11）式中：2v,i和 2l,i传感器和激光扫描仪中存在的噪声方差。将两种设备采集的油罐泄漏信息集成到提议分部内，保证该分部的函数集中性更佳，该函数的计算式为：（12）依据式（12）即可获取粒子滤波状态提议分布结果。1.3.2 计算所有污染源权重将激光扫描仪获取的数据结果作为输入，以此确定油罐的位置信息，对激光扫描仪的位置实行转换，其与油罐之间的集合关系式为：（13）式中：xt激光扫描仪的位置；扫描角度；d激光扫描仪和油罐之间的直线距离；油罐的角度。获取激光扫描仪数据中的污染源观测值，计算数据中每一个粒子的权重，其计算式为：（14）依据式（14）的计算结果判断是否为污染物。设定允许的范围值，对式（14）的计算结果实行判断，满足该值的分布范围。为不影响粒子自身，对权重较大的粒子实行复制，用于完成空缺位置的补充。对粒子实行重组处理后，将其输入状态转移函数中，并对其实行循环训练，获取污染源定位结果。2 测试分析为测试以上方法在地下油罐泄漏区污染源定位中的应用效果，本文以某化工厂油库为实验对象，该实验对象的油库共存储 3 类油品，分别为汽油、柴油和煤油。该实验对象现有油罐泄漏污染监测系统，但是该系统无法精准完成 1 个油罐发生多个泄漏时污染源的精准定位，因此，将本方法引入该监测系统，实现多泄漏点定位。实验 蔡天洲.基于聚类分析的地下油罐泄漏区污染源定位方法 572023 年第 39 卷第 3 期利用 GMS 软件的 MT3DMS 模块进行模拟实验。为测试本方法对于污染物的迁移计算性能，模拟发生不同程度泄漏时，随着泄漏时间的逐渐增加，污染物在水平和垂直两个方向上的迁移结果，如表 1 所示。表 1 污染物迁移结果 m方向泄漏时间/月污染浓度/(mg L-1)迁移 300 m迁移 600 m迁移 900 m水平20.951.221.4644.975.075.7768.5510.2211.05811.7213.4615.441014.4415.0616.111217.6619.0421.22垂直20.0320.0340.03540.0510.0540.05360.0610.0660.06480.0650.0680.069100.0670.0700.071120.0690.0720.074分析表 1 计算结果可知：随着泄漏时间的增加，泄漏污染物浓度的逐渐增加，污染物在水平和垂直两个方向上的迁移距离程度不断增加；其中水平方向的增加趋势显著，垂直方向上的迁移距离当增加到一定程度时，迁移距离的变化相对较为平缓，增加趋势缓慢。因此，本方法具备地下油罐泄漏时，污染物迁移计算性能，可为污染源的定位提供数据依据。测试过程中，模拟油罐在两种情况（有防渗措施，没有防渗措施）的污染情况，即在上述两种情况下，发生泄漏后污染物的迁移变化结果。模拟过程中纵向弥散度为 15 m，与水平横向弥散度之间的比值为 0.2、纵向和垂直弥散度之间的比值为 0.1。获取油罐在两种情况下，发生不同位置泄漏时，沿水流向获取污染源周围不同的 3个位置污染源上游 12 m、下游 12 和 24 m 的污染物泄漏后，随着泄漏时间的逐渐增加，污染物浓度的变化结果，如图 1 所示。分析图 1 可知：在两种情况下，油罐发生泄漏后，本方法均能够完成污染物浓度计算，并且随着泄漏时间逐渐增加，污染的浓度逐渐增加，当泄漏停止后，污染物浓度又呈现缓慢下降趋势。这是由于泄漏停止后，土壤中发生自然净化，在该净化作用下，污染浓度逐渐下降。该结果表示：本文方法具备良好的油罐泄漏污染物浓度计算效果；即使在有防渗处，并且污染物浓度下降的趋势下，依旧能够获取准确浓度变化结果。为了测试本方法的聚类效果，采用 DBI 作为评价指标。该指标主要依据距离度量相同类别之间的相似性、不同类别时间的不相似性。判断聚类效果。该指标值越小，表示相同类别之间的相似程度越高，聚类效果越佳，期望结果为低于 1。计算公式为：（15）式中：Ci、Cj不同类别的样本点；avg(Ci)、avg(Cj)2 种样本点与其对应的簇中心的欧式距离平均值；图 1 污染物浓度测试结果石油化工安全环保技术582023 年第 39 卷第 3 期dcen(ui,uj)2 个簇中心 ui、uj之间的欧式距离。设定 3 种油品数据：正常数据、发生物理反应后的数据、发生化学和生物反应的数据，分别用数据类别 1、2、3 表示。依据式（15）获取本方法对于不同类别污染物数据的聚类效果，结果如图 2 所示（由于篇幅有限，随机呈现汽油的测试结果）。图 2 污染物数据的聚类效果分析图 2 可知：采用本文方法对 3 种类别的汽油泄漏数据实行聚类，聚类结果的 EDBI值均低于 1，最高值为 0.867，最小值为 0.524。其结果均低于 1。因此，本方法具备良好的聚类效果，能够完成不同油品不同类别数据的聚类，为污染物区域计算提供可靠结果。本方法对于油罐泄漏后污染源的定位结果如图 3 所示。图 3 油罐泄漏后污染源的定位结果分析图 3 可知：本方法的污染源定位效果良好，能够在油罐泄漏监测过程中，精准获取各个泄漏点位置，即使 1 个油罐发生多个泄漏点，造成多个污染源时，本方法依旧能够获取各个泄漏点定位结果。因此，本方法应用性较好，能够满足实验对象的应用需求，实时、全面掌控地下油罐泄漏情况，为泄漏污染物的管理提供可靠的定位结果。3 结 语由于地下油罐所处的环境，一旦发生泄漏后，会造成油品的损失，并且造成污染，如果无法精准定位污染源，则无法采取有效的处理手段对泄漏实行处理。通过分析污染物随地下水迁移的情况和构建污染物迁移计算模型和定位模型。并对该方法的应用情况进行相关测试，结果显示：本文方法能够可靠计算污染物在地下随水流动发生迁移的结果，并且能够获取污染浓度的计算结果，可靠定位发生泄漏的污染源，具备良好的应用性。参考文献：1 林斯杰，齐永强，杨梦曦，等.基于 PCA-SOM 的北京市平谷区地下水污染溯源 J.环境科学研究，2020，33（6）：1337-1344.2 张虹，魏兴萍，彭名涛.重庆市浅层地下水污染源解析与环境影响因素识别 J.环境科学研究，2021，34（12）：2896-2906.3 杨方浩，吕中荣，汪利.一种基于稀疏正则化的地下水点污染源识别法 J.中山大学学报(自然科学版)，2020，59（5）：40-48.4 潘紫东，卢文喜，范越,等.基于模拟-优化方法的地下水污染源溯源辨识 J.中国环境科学，2020，40（4）：1698-1705.5 贾顺卿，卢文喜，李久辉，等.基于 U-D 分解卡尔曼滤波地下水污染源溯源辨识 J.中国环境科学，2021，41（2）：713-719.age tank.This paper analyzes the oil and gas recovery system of the benzene tank farm in a petrochemical plant from a design perspective.Nitrogen seal system and accident relief facilities are installed in each ben-zene tank.The gas phase equilibrium collection system is used for oil and gas recovery.The flameproof pipe-line flame arrester and instrument cut-off valve are set for the branch line.The oil and gas in benzene tank is collected in full containment.The catalytic oxidation technology is selected for centralized treatment of VOCS waste gas.The exhaust gas reaches the standard discharge.The process design improves the system sta-bility and safety of the benzene tank farm.Key words:benzene;oil and gas collection;oil and gas recovery;designAPPLICATION OF WET CATALYTIC OXI-DATION TECHNOLOGY IN WASTEWATER TREATMENT42Li Youchen,He Qingsheng,Fan Jingfu,Li Lina.(SEG Luoyang R&D Center of Technology.,Luoyang,Henan,471003)Abstract:Wet catalytic oxidation technology has been widely used in industrial wastewater treatment because it has the advantages of fast reaction rate,high oxidation efficiency and no secondary pollution.However,wet catalytic oxidation technology has higher requirements for reaction conditions and there are many factors affecting the oxidation reaction.This paper ex-pounds the reaction mechanism,reaction influencing factors and means to strengthen the wet catalytic oxi-dation technology.It analyzes the methods and ways to improve the reaction rate and efficiency of wet catalytic oxidation and the future research direction of wet cata-lytic oxidation technology.Key words:catalytic wet oxidation/CWO;catalyst;in-fluencing factor;combined processAPPLICATION OF SENSOR TECHNOLOGY IN MONITORING VOCS IN PETROLEUM INDUS-TRY45Zhang Lei.(PetroChina Liaohe Oilfield Company,Pan-jin,Liaoning,124010)Abstract:With the close attention of the society to environmental quality,requirements for instruments and equipment used for environmental monitoring are increasing accordingly.They are required to be portable and have a variety of long-term dynamic monitoring functions for the objects to be measured.The rapid de-velopment of sensor technology and navigation systems enables accurate and rapid access to professional data for VOCS monitoring.In the petroleum industry,this technology can offer safer and more efficient large-scale data collection solutions and it has huge potential espe-cially in offshore oil spill detection,pipeline monitoring and gas emission sensing.Based on the application of sensor technology in the field of VOCS monitoring in petroleum industry,this paper analyzes the advantages and disadvantages of the relevant technologies and the development trend,which provides reference for the promotion of the technologies.Key words:petroleum industry;sensor technology;VOCS monitoringRESEARCH AND APPLICATION OF AGED OIL WITH HIGH WATER CONTENT AND IMPURI-TY CONTENT50Yang Qianqian.(PetroChina Jilin Oilfield Company,Songyuan,Jilin,138000)Abstract:In view of the characteristics of aged oil with high water content,high salinity and high impurity content in Tuha oilfield,the feasibility of distillation dehydration of aged oil was verified through laboratory tests;the dehydration temperature,dehydration time and anti-explosion boiling measures were found out;the key technologies of distillation dehydration of aged oil were mastered.The materials of equipment and pipe-lines were optimized.According to local conditions,the three-stage treatment process of large tank sedi-mentation dehydration,centrifugal pre-dehydration and distillation dehydration is adopted.The accumulated site treatment of aged oil is 5000t.After treatment,the water content of crude oil is no higher than 0.3%;the oil content of sewage is no higher than 500mg/L;the comprehensive energy consumption is no higher than 80kg standard coal/t;and the field application effect is good.Key words:aged oil;centrifugal pre-dehydration;dis-tillation dehydrationLOCATION METHOD OF POLLUTION SOURC-ES IN LEAKAGE ZONE OF UNDERGROUND OIL TANK BASED ON CLUSTER ANALYSIS54Cai Tianzhou.(PetroChina Sichuan Petrochemical Company Limited,Chengdu,Sichuan,611930)Abstract:In order to locate the pollution sources in the leakage zone of underground oil tank and keep track of the leakage situation,this paper proposed a method for locating the pollution sources in the leakage zone of underground oil tank based on cluster analysis.The re-gional water flow model and pollutant migration calcu-lation model of underground oil tank were established to obtain the migration calculation results of pollutants after oil tank leakage;water pollution concentration model was built to calculate the pollutant concentration;the particle filter was used to calculate the weight of all pollution sources and complete the screening,and final-ly,a pollution source with the highest weight result was ABSTRACTSPETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGYBimonthly.20 Jun.2023 Vol.39 No.3retained to complete the positioning through the cyclic iterative processing method.The test results show that the method can obtain accurate concentration change results;the highest value of DBI is 0.867,the lowest value is 0.724,and the clustering effect is good;the po-sitions of each leakage point can be obtained accurately.Key words:cluster analysis;underground oil tank;leakage zone;pollution source location;pollutant con-centration;migration propertiesRESEARCH ON VOCS GOVERNANCE&RE-CONSTRUCTION AND ENERGY-SAVING AP-PLICATION OF STORAGE TANKS IN LARGE PETROCHEMICAL ENTERPRISES59Wang Nan.(PetroChina Daqing Petrochemical Compa-ny,Daqing,Heilongjiang,163714)Abstract:In order to reduce the environmental pollu-tion and other potential safety hazards caused by the ex-haust gas discharged from the storage tanks in butanol tank farm,cooling recovery technology is preferred to recover the exhaust gas discharged from the aldehyde storage tanks containing 100%butyraldehyde compo-nent through the study of different treatment technol-ogies;new storage tank sealing technology is used to treat light component storage tanks containing more than 80%butyraldehyde,heavy component storage tanks containing about 60%butanol,and fusel storage tanks containing about 20%butanol to meet the goal of reducing the amount of volatile organic matter,realize odor control in the tail gas of the tank farms,reduce the odor on the spot effectively and protect the environ-ment.Key words:cooling recovery;storage tank sealing;volatile organic compounds/VOCS;odor control EXPERIMENTAL STUDY ON MODIFICATION OF PRODUCED WATER BY ION EXCHANGE TECHNOLOGY IN CHANGQING OILFIELD64Shan Qiaoli1,2,Che Junjie3,Zhang Fan1,2,Zhang Qiaosheng1,2,Liu Yong3.(1.National Engineering Lab-oratory for Exploration and Development of Low Per-meability Oil and Gas Fields,Xian,Shaanxi,710018;2.Changqing Engineering Design Co.,LTD.,Xian,Shaanxi,710018;3.Hubei Junji Environment Technol-ogy Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei,430065)Abstract:The quality of the produced water from the multi-layer system development in Changqing Oilfield is complicated and has different degrees of incompatibility.In order to meet the requirement of mixed re-injection and improve the re-injection rate,the experimental study of ion exchange technology in water quality modification was carried out,and so was a pilot test.The test results show that calcium and magnesium ions can be reduced to less than 1 mg/L by adopting ion exchange technology after proper pretreatment of the produced water.After the water quality modification,the simulated maximum scaling amount of produced water from layer 1 and produced water from layer 2 is 60%of the mixed ratio scaling amount of clean water mixed with produced water from layer 2.After taking appropriate scale inhibition measures,produced water from layer 1 can replace clean water to be re-injected into layer 2 for petroleum production,and the ion exchange process is applicable to water quality modification or advanced treatment of incompatible produced water from different petroleum reservoirs.Key words:oilfield produced water;water quality modification;advanced treatment;ion exchange ABSTRACTSPETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGYBimonthly.20 Jun.2023 Vol.39 No.3彩页索引封 1 武汉武锅能源工程有限公司封 2 广州三业科技有限公司封 3 石化盈科智能科技有限责任公司封 4 成都华西化工科技股份有限公司前插页1 北京精诚信达环保净化设备有限公司2 宣达实业集团有限公司3 赛默飞世尔科技（中国）有限公司4 重庆博张机电设备有限公司5 泰和新材集团股份有限公司6 北京飞燕石化环保科技发展有限公司7 天长市康弘石油管材有限公司8 北京美斯顿科技开发有限公司9 辽宁科瑞特石油化工有限公司10 上海冠龙阀门机械有限公司11 成都凯天电子股份有限公司郫都成航分公司12 南京日创自动化仪表工程有限公司13 西安拓沃能动科技有限公司14 上海美科阀门有限公司15 抚顺正阳石化设备制造有限公司16 天津瑞欣泽化工有限公司17 青岛诺诚化学品安全科技有限公司18 中国石化工程建设有限公司19 中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司20 中石化（大连）石油化工研究院有限公司