一种燃气门站甲烷排放量检测装置及方法

技术领域

本发明属于天然气泄漏检测技术领域，具体涉及一种燃气门站甲烷排放量检测装置及方法。

背景技术

气候变化是当今全球面临的重大挑战。天然气的主要成分甲烷作为仅次于二氧化碳的第二大温室气体，近年来已成为世界各主要国家应对全球气候变化采取行动的重点关注对象。城市燃气储运配送环节中甲烷排放存在很大的不确定性，但没有标准的测量方法。为制定精准化、体系化的城市燃气甲烷减排方案，需要对城市燃气储运配送体系中甲烷不同排放源的排放量进行细致化估算，而燃气门站作为燃气储运配送体系重要节点，其甲烷排放是潜在的重要排放源，因此对燃气门站进行整体性的甲烷排放量评估显得十分必要。

目前，燃气门站甲烷排放主要采用LDAR(Leak Detection and Repair)方法进行检测估算。LDAR方法的操作步骤是：操作人员使用甲烷红外热像仪对门站内的可能泄漏点进行检测。目前已经有可定量化的红外热像仪，能够对泄漏点处的甲烷泄漏量进行检测，首先对门站内的所有泄漏点进行统计，并由专业培训的操作人员进入门站内对泄漏点进行逐一检测，最后进行汇总得到门站整体的排放量。所述方法的缺陷主要有两点：第一，一个门站内存在大量的泄漏点，且泄漏点之间距离较为接近，每一个泄漏点的定量工作需要耗费大量的时间和人力资源。同时该方法又存在对特定泄漏重复测量的问题，易导致测量值整体偏高；第二，由于每一个门站的泄漏分布差异性很大，需要操作人员凭借自己的经验对门站的所有泄漏检测进行规划，故难以形成一套标准化的测量方案，测量结果易受到操作人员操作经验的主观影响，可信度较差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种燃气门站甲烷排放量检测装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

第一方面，本发明提供一种燃气门站甲烷排放量检测装置，包括：安装在检测车上的数据处理单元以及与所述数据处理单元相连的甲烷浓度测量模块、温度气压测量模块、GPS模块、风速测量模块和用于测量检测车行驶方向的罗盘，以及与甲烷浓度测量模块连接的气体采样模块，气体采样模块包括竖直安装在检测车前方的气体采样管线，所述气体采样管线的不同高度处开有多个进气口，每个进气口连接一路气体管道，所有气体管道交汇在一起后与甲烷测量模块相连，每路气体管道上安装一个控制端与数据处理单元相连的电磁阀，所述电磁阀依次轮流导通，以保证同一时刻只有一路气体管道畅通；所述数据处理单元基于检测车在燃气门站行驶时获得的观测数据计算燃气门站甲烷排放量，所述观测数据包括甲烷浓度、温度、气压、风速、检测车位置坐标和行驶方向。

进一步地，所述气体采样管线上开有5个高度分别为h

进一步地，所述计算燃气门站甲烷排放量的方法包括：

建立以检测车初始位置为原点、以检测车相对初始位置的行驶距离L为横坐标、以高度h为纵坐标的直角坐标系。

更进一步地，按下式计算检测车相对初始位置的行驶距离：

式中，L

更进一步地，所述计算燃气门站甲烷排放量的方法还包括：

将位于所述直角坐标系第一象限的检测区域划分成尺寸相同的矩形网格；

基于每个网格的中心位置坐标确定每个网格内的观测数据；

对于缺失观测数据的网格，采用插值法补充缺失的观测数据。

更进一步地，采用最近邻插值法对缺失检测车行驶方向数据的网格进行插值，将中心位置横坐标与待插值网格中心位置横坐标最接近的网格的检测车行驶方向数据，作为待插值网格的检测车行驶方向数据。

更进一步地，采用线性插值法对缺失温度或气压数据的网格进行插值，公式为：

式中，S

更进一步地，采用克里金插值法对缺失甲烷浓度数据的网格进行插值，方法如下：

获取甲烷浓度数据已知的N个网格的甲烷浓度数据C

计算中心距离等于r

式中，r

基于数据对(r,γ)，采用克里金插值的球状模型进行拟合，得到克里金插值的拟合系数c

根据下式计算待插值网格P的甲烷浓度C

式中，W

式中，r

更进一步地，按下式计算燃气门站甲烷排放量Q：

式中，C

甲烷质量浓度C

式中，C

第二方面，本发明提供一种应用所述装置进行燃气门站甲烷排放量检测的方法，包括检测车在燃气门站甲行驶时在数据处理单元中执行的以下步骤：

实时获取GPS模块测得的检测车的经纬度坐标观测数据；

实时获取温度气压测量模块测得的温度和气压观测数据；

实时获取风速测量模块测得的风速观测数据；

实时获取罗盘测得的检测车行驶方向观测数据；

实时获取甲烷浓度测量模块测得的不同距离不同高度处的甲烷浓度观测数据；

基于所述观测数据计算燃气门站的甲烷排放量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

本发明通过设置安装在检测车上的数据处理单元以及与所述数据处理单元相连的甲烷浓度测量模块、温度气压测量模块、GPS模块、风速测量模块和用于测量检测车行驶方向的罗盘，以及与甲烷浓度测量模块连接的气体采样模块，所述数据处理单元基于检测车在燃气门站行驶时获得的包括甲烷浓度等的观测数据计算燃气门站甲烷排放量，实现了燃气门站甲烷排放量的自动检测与计算。应用本发明一般只需2～4分钟即可实现不同大小燃气门站甲烷排放量的一次检测，耗时短且不需要过多的人力投入，具有检测计算速度快、精度高等优点。

附图说明

图1为本发明实施例一种燃气门站甲烷排放量检测装置的方框图，图中1-数据处理单元，2-温度气压测量模块，3-甲烷浓度测量模块，4-GPS模块，5-罗盘，6-风速测量模块，7-气体采样模块。

图2为检测装置的实际配置示意图。

图3为包围排放源的测量截面示意图。

图4为本发明实施例一种应用所述装置进行燃气门站甲烷排放量检测的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一种燃气门站甲烷排放量检测装置的方框图，包括：安装在检测车上的数据处理单元1以及与所述数据处理单元1相连的甲烷浓度测量模块3、温度气压测量模块2、GPS模块4、风速测量模块6和用于测量检测车行驶方向的罗盘5，以及与甲烷浓度测量模块3连接的气体采样模块7，气体采样模块7包括竖直安装在检测车前方的气体采样管线，所述气体采样管线的不同高度处开有多个进气口，每个进气口连接一路气体管道，所有气体管道交汇在一起后与甲烷测量模块相连，每路气体管道上安装一个控制端与数据处理单元1相连的电磁阀，所述电磁阀依次轮流导通，以保证同一时刻只有一路气体管道畅通；所述数据处理单元1基于检测车在燃气门站行驶时获得的观测数据计算燃气门站甲烷排放量，所述观测数据包括甲烷浓度、温度、气压、风速、检测车位置坐标和行驶方向。

本实施例中，所述装置主要由数据处理单元1、甲烷浓度测量模块3、温度气压测量模块2、GPS模块4、风速测量模块6、罗盘5和气体采样模块7组成，各部分的连接关系如图1所示。下面对每个部分分别进行介绍。

甲烷浓度测量模块3，主要用于实时测量检测环境中的甲烷浓度数据。甲烷浓度测量模块3可采用常用的甲烷测量仪器，可得到甲烷浓度观测数据，所述甲烷浓度一般以体积分数(ppm)为单位。

温度气压测量模块2，主要用于实时测量检测环境中的温度和气压数据。由于本实施例的甲烷排放量计算用到甲烷质量浓度，需要根据实时测得的温度和气压数据，将以体积分数为单位的浓度转换成甲烷质量浓度(mg/m

GPS模块4，主要用于实时测量检测车的位置坐标。GPS模块4可采用美国产的GPS接收机，也可用国产的北斗接收机代替GPS接收机。GPS模块4获得的位置坐标的单位是纬度和经度。

风速测量模块6，主要用于实时测量风速。风速测量模块6可采用安装在检测车上的风速仪。风速仪测量的是风相对检测车的速度，一般还需要基于检测车的行驶速度转换成风相对地面的速度。所述风速为矢量，表示为向量，包括风速大小(m/s)和方向。

罗盘5，主要用于实时测量检测车的行驶方向。检测车的行驶速度大小可根据GPS模块4输出的检测车的位置坐标计算获得。

气体采样模块7，主要用于在检测车行驶过程中实时采样不同距离、不同高度处的(可能含甲烷的)空气。如图2所示，气体采样模块7包括安装在检测车前方的竖直的气体采样管线，在气体采样管线的不同高度处开有多个进气口，用于采样不同高度处的空气。每个进气口连接一路气体管道，所有气体管道交汇在一起后与甲烷测量模块相连。为了实现所述气体管道的通断控制，在每路气体管道上安装一个电磁阀，电磁阀的控制端与数据处理单元1相连，通过电磁阀的通断控制实现气体管道的通断控制。所述电磁阀在数据处理单元1的控制下依次轮流导通，以保证同一时刻只有一路气体管道畅通，其它气体管道均断开。电磁阀的通断周期根据经验确定，比如每个电磁阀可导通8秒后断开。为了满足检测车行驶过程中程获取数据的空间分辨率，要求各种测量仪器的测量频率不低于1H

数据处理单元1，是所述装置的数据处理与控制中心，用于通过输出各种控制信号协调其它模块的工作(比如，控制电磁阀的通断)，并完成数据处理任务。本实施例的数据处理任务主要是基于检测车在燃气门站缓慢行驶时其它模块获得的各种观测数据，如甲烷浓度、温度、气压、风速、检测车位置坐标和行驶方向等，计算燃气门站甲烷排放量。

作为一可选实施例，所述气体采样管线上开有5个高度分别为h

本实施例对气体采样管线上的进气口的特征进行了限定。本实施例中，采样管线上开有5个进气口，5个进气口与地面的距离分别为h

作为一可选实施例，所述计算燃气门站甲烷排放量的方法包括：

建立以检测车初始位置为原点、以检测车相对初始位置的行驶距离L为横坐标、以高度h为纵坐标的直角坐标系。

本实施例给出了直角坐标系的建立方案。由于涉及检测车的地面位置和进气口高度，现有技术一般建立三维空间直角坐标系o-xyz。为了简化计算，本实施例建立了以开始检测时的检测车位置即初始位置为原点，以检测车行进过程中相对初始位置的行驶距离L为横坐标，以高度h为纵坐标的平面直角坐标系。实际上是将检测车在地面的二维坐标转换成行驶距离一维坐标。

作为一可选实施例，按下式计算检测车相对初始位置的行驶距离：

式中，L

本实施例给出了计算检测车相对初始位置的行驶距离的一种技术方案。本实施例通过对每个数据采集周期(即相邻两个采集时刻之间)的行驶距离求和，得到检测车相对初始位置的行驶距离。具体公式如式(1)、(2)，这里不再展开详细说明。

作为一可选实施例，所述计算燃气门站甲烷排放量的方法还包括：

将位于所述直角坐标系第一象限的检测区域划分成尺寸相同的矩形网格；

基于每个网格的中心位置坐标确定每个网格内的观测数据；

对于缺失观测数据的网格，采用插值法补充缺失的观测数据。

本实施例给出了划分网格补充缺失观测数据的一种技术方案。为了便于计算，本实施例先进行网格划分(所有网格的甲烷排放量求和得到燃气门站的甲烷排放量)。由于本实施例行驶距离L和高度h的值均为正值，因此实际上是在前面建立的直角坐标系的第一象限进行网格划分，将以原点为一个顶点的大矩形区域划分成尺寸相同的多个矩形网格，比如每个网格为0.5m×0.5m的方格。完成网格划分后，根据每个网格的中心位置坐标确定每个网格的观测数据。一个网格内观测数据只取一个值，即采用网格中心处的观测数据作为网格的观测数据。在实际测量中无法保证在每个网格内都能测到全部的观测数据(有的网格有可能一个观测数据都测不到)。比如，不同高度处的甲烷浓度测量是在检测车行进过程中依次轮流进行的(即循环测量)，对于第一个L值，只有一个高度h上有数据，其它高度上的数据缺失。为了保证数据的完整性，本实施例采用插值法补充网格内缺失的观测数据。

作为一可选实施例，采用最近邻插值法对缺失检测车行驶方向数据的网格进行插值，将中心位置横坐标与待插值网格中心位置横坐标最接近的网格的检测车行驶方向数据，作为待插值网格的检测车行驶方向数据。

本实施例给出了对缺失的检测车行驶方向数据进行插值的一种技术方案。检测车行驶方向数据在各高度h上一致，但在不同行驶距离L上可能发生变化，因此仅在行驶距离L方向上进行插值。由于检测车行驶速度低，数据采集速率要求不低于1H

作为一可选实施例，采用线性插值法对缺失温度或气压数据的网格进行插值，公式为：

式中，S

本实施例给出了对缺失的温度或气压数据进行插值的一种技术方案。温度和气压数据一般统称为气象数据。由于气象数据在接近地面的高度处变化趋势不明显，因此可考虑仅在单一高度搭载气象数据测量仪器(温度气压测量模块2)，用获取的单一高度的气象数据作为所有高度的气象数据。对于气象数据，同样仅在行驶距离L方向上进行插值，插值方法采用线性插值，具体插值公式见公式(3)。

作为一可选实施例，采用克里金插值法对缺失甲烷浓度数据的网格进行插值，方法如下：

获取甲烷浓度数据已知的N个网格的甲烷浓度数据C

计算中心距离等于r

式中，r

基于数据对(r,γ)，采用克里金插值的球状模型进行拟合，得到克里金插值的拟合系数c

根据下式计算待插值网格P的甲烷浓度C

式中，W

式中，r

本实施例给出了对缺失的甲烷浓度数据进行插值的一种技术方案。由于甲烷浓度观测数据涉及到行驶距离L、高度h两维信息，不能简单地采用一维线性插值方法进行插值计算。为此，本实施例采用普通克里金插值方法对缺失甲烷浓度数据的网格进行插值。由于甲烷排放源周边的甲烷浓度分布代表了排放源影响，其完整区域的空间分布特征需要确定才能用于通过L-h二维平面的通量计算。这个空间分布特征可以通过克里金插值来描述。克里金插值算法的具体步骤见上面的描述，值得说明的是：当甲烷浓度数据已知数据点数N较大时，半方差的计算量将很大，严重影响数据处理速度，而且还会使误差增大。比如，当N＝200时，公式(4)中的r

作为一可选实施例，按下式计算燃气门站甲烷排放量Q：

式中，C

甲烷质量浓度C

式中，C

本实施例给出了计算燃气门站甲烷排放量的一种技术方案。甲烷浓度测量截面如图3所示。根据高斯散度定理和质量守恒定理，测量截面上的甲烷通量与截面内包围的甲烷排放量相等。对于小型排放源，在湍流不强烈的天气下，4.5m的高度(采样管线高度)足以捕捉整个排放源的扩散烟羽，因此只要计算测量截面所有网格内的甲烷排放通量，即可获取排放源的整体排放量。计算方法见公式(9)。由于公式(9)中需要用到甲烷质量浓度，而甲烷浓度测量模块3得到的是以体积分数表示的浓度数据，因此需要按照公式(10)将以体积分数表示的浓度数据转换成质量浓度。

图4为本发明实施例一种应用所述装置进行燃气门站甲烷排放量检测的方法的流程图，包括检测车在燃气门站甲行驶时在数据处理单元1中执行的以下步骤：

步骤101，实时获取GPS模块4测得的检测车的经纬度坐标观测数据；

步骤102，实时获取温度气压测量模块2测得的温度和气压观测数据；

步骤103，实时获取风速测量模块6测得的风速观测数据；

步骤104，实时获取罗盘5测得的检测车行驶方向观测数据；

步骤105，实时获取甲烷浓度测量模块3测得的不同距离不同高度处的甲烷浓度观测数据；

步骤106，基于所述观测数据计算燃气门站的甲烷排放量。

本实施例的方法，与图1所示装置实施例的技术方案相比，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。