一种燃气门站甲烷排放量检测装置及方法与流程

本发明属于天然气泄漏检测，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

3、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。

4、进一步地，所述气体采样管线上开有5个高度分别为h1、h2、h3、h4、h5的进气口。

5、进一步地，所述计算燃气门站甲烷排放量的方法包括：

6、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。

7、更进一步地，按下式计算检测车相对初始位置的行驶距离：

8、

9、

10、式中，ln为第n个时刻检测车相对初始位置的行驶距离，li为第i个时刻相对第i-1个时刻的行驶距离，xi、yi分别为第i个时刻gps模块测得的检测车的纬度坐标和经度坐标，r为地球半径，初始位置的纬度坐标和经度坐标分别为x0、y0。

11、更进一步地，所述计算燃气门站甲烷排放量的方法还包括：

12、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；

13、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；

14、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。

15、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。

16、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：

17、

18、式中，sp为待插值网格p的温度或气压数据，sp-1、sp+1分别为中心位置横坐标分别为lp-1、lp+1的两个网格的温度或气压数据，lp-1、lp+1是与p的中心位置横坐标lp最接近的两个网格的中心位置横坐标，且lp-1<lp<lp+1。

19、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：

20、获取甲烷浓度数据已知的n个网格的甲烷浓度数据ci，i＝1,2,…,n；

21、计算中心距离等于rkj的网格的甲烷浓度数据的半方差γ(rkj)，得到一组距离r-半方差γ数据对(r,γ)，公式如下：

22、

23、

24、式中，rkj为第k个网格中心(lk,hk)与第j个网格中心(lj,hj)的距离，c(xi)、c(xi+rkj)为第i对中心距离等于rkj的两个网格的甲烷浓度，k＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n，k≠j，i＝1,2,…,nkj，nkj为中心距离等于rkj的网格对的数量；

25、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c0、c、a，球状模型为：

26、

27、根据下式计算待插值网格p的甲烷浓度cp：

28、

29、式中，wi为加权系数，wi基于数据对(γ(rij),γ(rpj))，通过求解下面以wi为未知量的方程组获得：

30、

31、式中，rij、rpj根据(5)式计算获得，将rij、rpj代入(6)式得到γ(rij)、γ(rpj)。

32、更进一步地，按下式计算燃气门站甲烷排放量q：

33、

34、式中，cmi为第i个网格的甲烷质量浓度，ui为第i个网格的风速向量，nfi为第i个网格甲烷浓度测量截面朝向排放源外的单位法向量，“·”表示向量点积运算，si为第i个网格的面积，i＝1,2,…,i，i为网格数量；

35、甲烷质量浓度cmi的计算公式为：

36、

37、式中，ci为第i个网格以体积分数为单位的甲烷浓度，ti、pi分别为第i个网格的温度和气压值，m为甲烷的摩尔质量。

38、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：

39、实时获取gps模块测得的检测车的经纬度坐标观测数据；

40、实时获取温度气压测量模块测得的温度和气压观测数据；

41、实时获取风速测量模块测得的风速观测数据；

42、实时获取罗盘测得的检测车行驶方向观测数据；

43、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；

44、基于所述观测数据计算燃气门站的甲烷排放量。

45、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

46、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。