CN217155999U - 基于土壤气的污染泄漏检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于土壤气的污染泄漏检测装置，包括：透气砂层，其铺设在石化场地储运设备的相应位置处；抽气管路，其包括多个单元管段，每个单元管段设有相互连通的导气管和多孔管；该抽气管路水平设置在透气砂层中；抽气泵，其连接在抽气管路的一端，用于为储运设备泄漏挥发并进入抽气管路的VOCs气体提供动力；气体检测仪，其与抽气泵连接，用于监测所述VOCs气体。本实用新型的装置可以快速检测石化场地的储运设备是否发生泄漏，可有效减少采样量，经济便捷。

Description

基于土壤气的污染泄漏检测装置

技术领域

本实用新型涉及石油化工污染泄漏监测技术领域，特别涉及一种基于土壤气的污染泄漏检测装置。

背景技术

石油等有机溶剂的泄漏会造成不同程度的土壤及地下水污染问题，严重影响生态安全和人体健康。由于石化场地中，地下管道及构筑物分布广泛，布设路线错综复杂，发生污染泄漏时不易发现，且难以定位。传统的石化场地储运设备泄露检测技术多采用基于管道声波信号、介质温度及压力的变化，来判断是否发生泄漏。这些方法作为被动检测技术，不仅检测灵敏度低，数据分析方法复杂，设备费用高，且存在难以定位泄漏点位等问题。

现有技术中存在一些泄漏检测的方法，例如CN111982415A公开了一种管道泄漏检测方法、装置，该方法通过摄像头对设备进行监控拍照并分析图像颜色变化，从而确定泄漏是否发生。该方法需要对所监控的设备喷涂工业颜料，同时需要复杂的图像处理，且存在灵敏度较低，容易存在监控盲点等缺点，因此无法准确全面的检测泄露信息。CN112857699A公开了一种声矢量传感器的长输油气管道泄漏检测和定位方法，该方法通过布设三维空间分布的声矢量传感器，通过数据采集建立长输油气管道泄漏声音数据库，进而利用声矢量传感器阵列感知长输油气管道泄漏声音，利用全阵列接收数据矩阵的数据自相关矩阵特征分解，对数据库进行解析确定泄漏位置。该方法需要设置较复杂的传感器阵列，对技术要求较高，经济性也较差，且对微小的静音泄漏事件无法捕捉。

研究发现，汽油中的芳香族化合物和脂肪族化合物暴露与环境中时，极易发生挥发现象，转化为气态的挥发性有机化合物(VOCs)进入环境气体中，因此可以利用土壤气的化学分析开展地下储罐和管道的燃料泄漏检测工作。基于土壤气的泄露检测技术是指对包气带土壤颗粒孔隙中的空气进行分析检测，通过分析来确定土壤气中是否存在VOCs，从而判断是否存在石油等有机溶剂的泄漏。

因此，亟需一种基于土壤气的污染泄漏检测装置，可以快速检测石化场地的储运设备是否发生泄漏。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种污染泄漏检测装置，可以快速检测石化场地的储运设备是否发生泄漏，可有效减少采样量，经济便捷。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于土壤气的污染泄漏检测装置，包括：透气砂层，其铺设在石化场地储运设备的相应位置处；抽气管路，其包括多个单元管段，每个单元管段设有相互连通的导气管和多孔管；该抽气管路水平设置在透气砂层中；抽气泵，其连接在抽气管路的一端，用于为储运设备泄漏挥发并进入抽气管路的VOCs气体提供动力；气体检测仪，其与抽气泵连接，用于监测所述VOCs气体。

进一步，上述技术方案中，透气砂层可包括自下而上依次设置的细砂层、中砂层以及粗砂层，抽气管路铺设在粗砂层中。

进一步，上述技术方案中，细砂层、中砂层以及粗砂层的铺设厚度均为0.3～0.6m；细砂层的渗透系数介于2.5～3.5m/d，细砂平均粒径为0.075～0.1mm；中砂层的渗透系数介于5～6.5m/d，中砂平均粒径为0.075～0.1mm；粗砂层的渗透系数介于18.5～21.5m/d，粗砂平均粒径为1.0～2.5mm。

进一步，上述技术方案中，储运设备可包括输油管线和/或储油罐。

进一步，上述技术方案中，导气管可以为内、外壁光滑的非吸附性密封气体管路，材质选用高分子材料或铸铁；导气管内径介于3～10mm之间，外径与内径之比小于2.7。

进一步，上述技术方案中，多孔管为壁面开孔的非吸附性开放管路并与导气管螺纹连接，开孔孔径介于1.5～2.0mm之间，壁面开孔的开孔面积占比为15％～40％。

进一步，上述技术方案中，导气管与多孔管的长度之比可以为10～25:1。

进一步，上述技术方案中，抽气泵可以为防爆抽气泵，导气管内径R与抽气泵额定流量Q之间满足R²/Q<1.6*10^-6。

进一步，上述技术方案中，气体检测仪可以为光离子化检测器。

进一步，上述技术方案中，当储运设备为输油管线时，抽气管路铺设在输油管线的上方且与输油管线的延伸方向相同；当储运设备为储油罐时，抽气管路沿储油罐周向布置。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

采用本实用新型的装置，可以将输油管线或储油罐泄漏并在土壤中挥发形成的VOCs气体导入抽气管路，并通过气体检测仪监测VOCs气体的含量，从而判断石化场地的储运设备是否发生了泄漏。另外，进一步地，在应用本实用新型装置基础上，使用具体实施方式中涉及的方法可进一步精准快捷地预测泄漏位置。

上述说明仅为本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本实用新型的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本实用新型的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

图1是本实用新型实施例1基于土壤气的污染泄漏检测装置的结构示意图(适用于输油管线)。

图2是本实用新型实施例1基于土壤气的污染泄漏检测装置的结构示意图(适用于储油罐)。

图3是本实用新型实施例2基于土壤气的污染泄漏检测方法的流程示意图。

图4是本实用新型将实施例2的方法应用在储油罐的泄漏检测过程中获取的VOCs浓度随检测时间的变化曲线。

主要附图标记说明：

1-透气砂层，1-1-细砂层，1-2-中砂层，1-3粗砂层；2-抽气管路，2-1-导气管，2-2-多孔管；3-抽气泵，4-光离子化检测器。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。

在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。

实施例1

本实施例为实体装置实施例，提供了一种基于土壤气的污染泄漏检测装置。如图1、2所示，该装置包括透气砂层1、抽气管路2、抽气泵3以及气体检测仪4。其中，透气砂层1铺设在石化场地储运设备的相应位置处，具体地，可以如图1所示，铺设在输油管线的上方，也可以如图2所示，沿储油罐的周向铺设。优选而非限制性地，透气砂层1的铺设宽度可以为1～2.5m，可包括自下而上依次设置的细砂层、中砂层以及粗砂层，各层铺设厚度均为0.3～0.6m。细砂层1-1选用渗透系数介于1.5～4.5m/d，优选2.5～3.5m/d，平均粒径为0.05～0.15mm的砂土，优选粒径0.075～0.1mm，这样的渗透系数和粒径选择可以有效吸附污染物并阻挡泄漏的液体燃料或化合物进入上层。中砂层1-2选用渗透系数介于4.5～8m/d，优选5～6.5m/d，平均粒径为0.2～0.5mm的砂土，优选粒径0.35～0.45mm，这样可以增大土层孔隙率，加快泄漏燃料或化合物的挥发。粗砂层1-3选用渗透系数介于15～25m/d，优选18.5～21.5m/d，平均粒径为1.0～2.5mm的砂土，优选粒径1.5～2.0mm，粗砂层1-3一方面可以加速气体进入抽气管路2，另一方面也可以过滤掉进入抽气管路2的杂质，抽气管路2即铺设在粗砂层1-3中。

进一步如图1、2所示，抽气管路2包括多个单元管段，每个单元管段设有相互连通的导气管2-1和多孔管2-2，抽气管路2水平设置在透气砂层1的粗砂层1-3中。具体地，抽气管路2以一定长度为一个单元，每个单元包含有一段导气管2-1和一段多孔管2-2，二者通过螺纹密封连接，导气管2-1和多孔管2-2长度比优选采用(10～25)：1。导气管2-1作为气体输送管路，为内外壁光滑的非吸附性密封气体管路，材质选用高分子材料或铸铁管，优选采用聚四氟乙烯管。多孔管2-2作为外界气体入口，为壁面多孔的非吸附性开放管路。导气管2-1内径介于1～50mm之间，优选3～10mm，外径与内径之比小于2.7，多孔管2-2壁面开孔的开孔面积占比为15％～40％，开孔孔径介于1.5～2.0mm之间。

进一步如图1、2所示，抽气泵3连接在抽气管路2的一端，用于为储运设备(例如图1中的输油管线或图2中的储油罐)泄漏挥发并进入抽气管路的VOCs气体提供动力。优选而非限制性地，抽气泵为防爆抽气泵，导气管内径R与抽气泵额定流量Q之间满足R²/Q<1.6*10^-6。

进一步如图1、2所示，气体检测仪4与抽气泵3连接，用于监测输油管线或储气罐泄漏的泄漏气体挥发形成的VOCs气体(即泄漏气体)。气体检测仪4可以实现气体中VOCs含量的定量检测，优选采用光离子化检测器(Photo Ionization Detectors(PID))。

采用本实施例的装置，可以将输油管线或储油罐泄漏并在土壤中挥发形成的VOCs气体导入抽气管路，并通过气体检测仪监测VOCs气体的含量，从而判断石化场地的储运设备是否发生了泄漏。另外，在应用本实施例的装置基础上，使用实施例2的方法可进一步精准快捷地预测泄漏位置。

实施例2

结合图3所示，本实施例提供了一种基于土壤气的污染泄漏检测方法，该方法是通过实施例1涉及的实体装置实现的，包括如下步骤：

步骤S101，将均匀间隔设置导气管和多孔管的抽气管路布设在储运设备相应位置的透气砂层中，获取所述导气管、多孔管以及抽气泵的基础参数数据。具体地，抽气管路的布设方式可参见实施例1中的图1和图2。本步骤中的基础参数数据包括但不限于：抽气泵的抽气流量、抽气泵的进口压力；导气管的内径、导气管的长度；多孔管的内外径、多孔管的长度、多孔管的渗透系数等。除上述设备的基础参数数据外，还需要背景大气压力、土壤气在20℃时的动力粘度等参数数据。通过已知的这些参数数据和经实用新型人研究获得的下述气流分布数学模型可以计算出泄漏气体在抽气管路中的传输时间，进而判断泄漏的具体位置。

步骤S102，依据步骤S101中的基础参数数据通过气流分布模型逐一计算每个单元管段中导气管内和多孔管内泄漏气体的气流速率。抽气管路中的气体流动可分为两部分：即导气管内的气体流动和多孔管内的气体流动。其中，导气管内的气体流动符合流体在水平圆管中作层流运动时规律，经实用新型人研究，可以采用公式(1)来模拟气体在导气管中的流动规律；多孔管内的气体流动符合流体在多孔介质内运动的基本规律，经实用新型人研究，可以采用公式(2)来模拟气体在多孔管中的流动规律。模型计算从靠近抽气泵附近的第一段开始，然后一段一段地向管路的远端进行计算。气流分布模型具体包括如下公式(1)至(4)：

其中，Q_dq为导气管中的气流速率，L/min；P_in为导气管进口的绝对压力，Pa；P_out为导气管出口的绝对压力，Pa；P_b为参考大气压力(取值为101.325x10³)，Pa；μ为土壤气在20℃时的动力粘度，Pa·s；R为导气管的内径，m；L是导气管的长度，m；针对所述第一单元管段而言，Q_dq为所述抽气泵的抽气流量，P_out为所述抽气泵的进口压力，通过公式(1)计算第一单元管段导气管进口的绝对压力P_in。

其中，Q_por为多孔管中的气流速率，L/min；K为多孔管的渗透系数，m/d；h为多孔管的长度，m；P₀为背景大气压力(取值与P_b相同，也为101.325x10³)，Pa；P_w为多孔管内部绝对压力，Pa，在各单元管段，气流经过多孔管进入导气管，所述导气管进口的绝对压力P_in等于多孔管的内部绝对压力P_w；P_b为参考大气压力，Pa；r_e为多孔管外径，m；r_w为多孔管内径，m。

Q_dq，i+1＝Q_dq，i-Q_por，i 公式(3)；

其中，Q_dq，i+1为第i+1段导气管中的气流速率，L/min；Q_dq，i为第i段导气管中的气流速率，L/min；Q_por，i为第i段多孔管中的气流速率，L/min。

其中，P_out，i+1为第i+1段导气管的出口绝对压力，Pa；P_wi为第i段多孔管的内部绝对压力，Pa。

本步骤通过以上公式(1)～(4)可以逐一计算出各个单元管段中导气管内和多孔管内的气流速率。具体地，对于与抽气泵相连的第一单元管段而言，Q_dq，1为抽气泵的抽气流量，P_out，1为抽气泵的进口压力，均是初始可测量参数，μ和L也为已知，因此可根据公式(1)反推第一单元管段内导气管进口压力，即P_in，1。在各单元管段，气流经过多孔管进入导气管，导气管进口的绝对压力P_in等于多孔管的内部绝对压力P_w，即P_w，1＝P_in，1。因此，可继续根据公式(2)求得第一单元管段内多孔管的Q_por，1。至此，第一单元管段的参数计算完成。再根据公式(3)求得Q_dq，2，然后，利用与第一单元同样的方法，依次求得P_in，2，P_w，2，Q_por，2。

步骤S103，根据步骤S102中导气管内和多孔管内泄漏气体的气流速率，分别计算泄漏气体在每个单元管段中的传输时间。具体采用如下方式：

当第K段导气管下方发生泄漏，挥发的泄漏气体进入透气砂层，并通过第K段多孔管进入抽气管路，则：

其中，Q_dq，k为第k段导气管中的气流速率，L/min；

其中，t_k为泄漏气体在第k段导气管中的传输时间，min；A_k为第k段导气管的气路截面积；L_k为第k段导气管的长度。

本步骤通过公式(5)和(6)可以计算第K段导气管中的泄漏气体的传输时间。

步骤S104，将步骤S103计算出的泄漏气体在每个单元管段中的传输时间进行累加，通过总传输时间判断泄漏点的位置。总传输时间也即泄漏气体的检出时间T，具体为：

基于实施例1的实体装置，采用本实施例的步骤S101至S104，利用公式(1)～(4)可计算出抽气管路内土壤气的气流分布，进而利用公式(5)～(7)计算各单元管段内泄漏气体VOCs的传输时间，进而定位泄漏点。本实施例的方法可以最大限度减少采样量和监测成本，同时基于实施例1的实体检测装置构建了气流分布数学模型，可以根据检测结果精准快捷地预测泄漏位置，不仅大大降低了现场工作复杂度，且实现了低成本、高精度的泄漏位置预测。

下面以图2中涉及的储油罐泄漏检测和具体的计算过程为一个具体的实例，将各单元管段气流速率Q、泄漏气体传输时间t_k和泄漏气体检出时间T制成如下表格，根据现场实测检出时间比对表格中计算出的泄漏气体检出时间T，若实测检出时间与计算出的检出时间T接近或相等，则可以判定污染泄露发生在第K单元管段的下方土层中。该具体的实例通过实验验证了本实用新型的技术效果，下面进行具体说明：

如图2所示，沿储油罐底部边缘铺设透气砂层，铺设宽度为1米，从下至上依次铺设细砂、中砂层和粗砂层，各层铺设厚度均为0.3m。细砂层渗透系数为2.5m/d，平均粒径为0.075mm；中砂层的渗透系数为5m/d，平均粒径为0.35mm；粗砂层的渗透系数为18.5m/d，平均粒径为1.5mm。

抽气管路沿储油罐底部边缘水平铺设于透气砂层的粗砂层内，抽气管路总长度为21m，以1.05m为一个单元，每个单元包含有一段长度为1m的导气管和一段长度为0.05m的多孔管，二者通过螺纹密封连接。导气管和多孔管均采用聚四氟乙烯管。导气管内径为6mm，多孔管内径为3mm，外径为5mm，多孔管壁面的开孔面积占比为15％，开孔孔径1.5mm。采用抽气流量为15L/min，进口压力为81KPa的防爆抽气泵，采用光离子化检测器(PID)作为气体检测系统。

首先在背景环境空气下打开PID，进行开机初始化，待仪器示数稳定后，连接进入本实用新型的检测装置，打开抽气泵，每20秒记录一次PID检测数据；以汽油为模拟污染物，在抽气管路的末端，即第20单元管段下方的土层中，倒入0.5L汽油，模拟储油罐泄漏场景。继续运行检测装置，记录VOCs的检出时间。

根据本次检测结果，绘制了VOCs浓度随检测时间的变化曲线如图4。图4中可以看出，PID在第12.6分钟开始检出VOCs，即实测检出时间T_s＝12.6min。

下面采用本实用新型提供的气流分布数学模型，来定位储油罐的具体泄漏位置。初始参数为：Q_dq，1＝15L/min，P_out，1＝81×10³Pa，P_b＝101.325x10³Pa，μ＝7×10^-5Pa·s，R＝0.006m，L＝1m，总单元数n＝20，r_e＝0.005m；r_w＝0.003m，h＝0.06m，k＝120m/d。将初始参数代入公式(1)～(4)可以逐一计算出各个单元管段中导气管内和多孔管内的气流速率。进而利用公式(5)和(6)可以计算第K段导气管中的泄漏气体的传输时间。通过将泄漏气体在第1段到第K段导气管中的时间相加可以得到泄漏气体在抽气管路中的总传输时间。计算结果如下表1所示：

表1各单元管段中气流分布和泄漏气体检出时间模拟计算结果

根据前述实测检出时间T_s＝12.6min，与模拟计算结果T进行比对，可以发现模拟计算的第20段累加总用时T为13min，与实测检出时间T_s最为接近，因此可以定位燃料泄漏位置在第20单元管段附近，与实际泄漏位置基本吻合，证明本实用新型可以达到预期的技术效果。

前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于土壤气的污染泄漏检测装置，其特征在于，包括：

透气砂层，其铺设在石化场地储运设备的相应位置处；

抽气管路，其包括多个单元管段，每个单元管段设有相互连通的导气管和多孔管；该抽气管路水平设置在所述透气砂层中；

抽气泵，其连接在所述抽气管路的一端，用于为所述储运设备泄漏挥发并进入所述抽气管路的VOCs气体提供动力；

气体检测仪，其与所述抽气泵连接，用于监测所述VOCs气体。

2.根据权利要求1所述的基于土壤气的污染泄漏检测装置，其特征在于，所述透气砂层包括自下而上依次设置的细砂层、中砂层以及粗砂层，所述抽气管路铺设在所述粗砂层中。

3.根据权利要求2所述的基于土壤气的污染泄漏检测装置，其特征在于，所述细砂层、中砂层以及粗砂层的铺设厚度均为0.3～0.6m；细砂层的渗透系数介于2.5～3.5m/d，细砂平均粒径为0.075～0.1mm；中砂层的渗透系数介于5～6.5m/d，中砂平均粒径为0.075～0.1mm；粗砂层的渗透系数介于18.5～21.5m/d，粗砂平均粒径为1.0～2.5mm。

4.根据权利要求2所述的基于土壤气的污染泄漏检测装置，其特征在于，所述储运设备包括输油管线和/或储油罐。

5.根据权利要求2所述的基于土壤气的污染泄漏检测装置，其特征在于，所述导气管为内、外壁光滑的非吸附性密封气体管路，材质选用高分子材料或铸铁；导气管内径介于3～10mm之间，外径与内径之比小于2.7。

6.根据权利要求2所述的基于土壤气的污染泄漏检测装置，其特征在于，所述多孔管为壁面开孔的非吸附性开放管路并与所述导气管螺纹连接，开孔孔径介于1.5～2.0mm之间，壁面开孔的开孔面积占比为15％～40％。

7.根据权利要求2所述的基于土壤气的污染泄漏检测装置，其特征在于，所述导气管与多孔管的长度之比为10～25:1。

8.根据权利要求2所述的基于土壤气的污染泄漏检测装置，其特征在于，所述抽气泵为防爆抽气泵，导气管内径R与抽气泵额定流量Q之间满足R²/Q<1.6*10^-6。

9.根据权利要求2所述的基于土壤气的污染泄漏检测装置，其特征在于，所述气体检测仪为光离子化检测器。

10.根据权利要求4所述的基于土壤气的污染泄漏检测装置，其特征在于，当所述储运设备为输油管线时，所述抽气管路铺设在输油管线的上方且与所述输油管线的延伸方向相同；当所述储运设备为储油罐时，所述抽气管路沿储油罐周向布置。

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