一种甲烷逸散因子的确定方法与流程

本发明涉及含有甲烷气体逸散的领域，特别适用于工业生产过程中甲烷逸散因子的计算方法。

背景技术：

甲烷是一种温室效应很强的温室气体，单位质量甲烷的温室效应是二氧化碳的二十倍以上。目前，在工业生产过程中甲烷逸散源的确定，以及各部分甲烷逸散量的计算尚未出现系统且全面的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种精准、简单的甲烷逸散因子确定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种甲烷逸散因子的确定方法，包括以下步骤：

第一步，根据工业生产过程的工艺特点，确定甲烷逸散产生的位置；

第二步，选取可能存在甲烷逸散的部件，根据甲烷逸散部件处的工况条件以及甲烷逸散点的逸散孔径，确定该部件在不同甲烷逸散孔径下的甲烷逸散速度和甲烷逸散量：

甲烷逸散速度的计算公式为：

甲烷逸散量的计算公式为：

式中：

q——逸散点处甲烷的逸散量，kg/s；

λ1——流量系数，0.35<λ1<1；

d——甲烷逸散点的逸散孔径，m；

ρ——逸散点处的甲烷密度，ρ＝717kg/m³；

k——甲烷的绝热指数，k＝1.308；

rg——甲烷的常数，rg＝518j/(kg·k)

t——甲烷气体温度，k；

p2——逸散点出口处绝对压力，pa；

p3——逸散点入口截面绝对压力，pa；

ul——甲烷逸散速度，m/s；

第三步，在第二步的工况下，将甲烷逸散速度和甲烷逸散点的逸散孔径作为数值模拟计算的边界条件，建立存在甲烷逸散的部件的三维模型，考虑环境风速的影响，以甲烷为第一相，空气为第二相，采用fluent数值模拟软件分别计算在不同甲烷逸散量下甲烷逸散位置周围处的甲烷的逸散浓度场；

第四步，建立高斯气体浓度扩散模型，改变高斯气体浓度扩散方程中的有效源高h，利用第三步数值模拟所得到的不同甲烷逸散量下的甲烷的逸散浓度场，通过改变有效源高h，得到有效源高h与逸散量之间的关系，拟合出利用甲烷逸散浓度c计算甲烷的逸散量q的方程，以逸散点为原点建立三维直角坐标系，得到利用甲烷逸散浓度c求解甲烷逸散量q的高斯气体浓度扩散方程为：

q——逸散点处甲烷的逸散量，kg/s；

c——甲烷逸散浓度，kg/m³；

h——有效源高，m；

x——检测点的x轴坐标，m；

y——检测点的y轴坐标，m；

z——检测点的z轴坐标，m；

σy——y轴方向的扩散系数，m，

σz——z轴方向的扩散系数，m，σz＝0.2x；

λ2——浓度系数，0.75<λ2<1；

u——风速，m/s；

第五步，采用浓度检测设备检测在法兰逸散位置处的甲烷逸散浓度；

第六步，将第五步所测得的甲烷逸散浓度带入到第四步所建立的变有效源高的高斯气体浓度扩散方程中，计算甲烷的逸散量；

第七步，选取存在甲烷逸散的部件，重复第二步到第六步，得到不同逸散位置处甲烷逸散量；

第八步，将所得到的全部甲烷逸散位置处的甲烷逸散数据按照甲烷逸散部件的设定分类进行求和，再除以该类型部件的检测数量，最终得到每个类型部件的甲烷逸散因子。

本发明的有益效果为：

①所提出的一种的甲烷逸散因子的计算方法是通过检测甲烷的逸散浓度，进而得到甲烷的逸散量，解决了直接检测逸散量困难的问题。

②结合了小孔逸散模型、数值计算以及变有效源高的高斯气体浓度扩散方程多种计算方手段，计算方法系统全面、结果准确，避免了因各种工艺参数的变化导致的计算结果存在较大偏差。

③根据变有效源高的高斯气体浓度扩散方程，可以拟合出不同逸散类型下多个逸散点处的气体浓度的变化规律。

附图说明

图1为甲烷逸散因子计算方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图所示本发明的一种甲烷逸散因子的确定方法，包括以下步骤：

第一步，根据工业生产过程的工艺特点，确定甲烷逸散产生的位置；

根据工业生产过程(如：石油化工生产过程、石油天然气开采过程、煤层气开采过程)的工艺特点，确定甲烷的逸散位置，包括：法兰、泵、压缩机、搅拌器、阀门、泄压设备、连接件、开口阀、开口管线部位处；

第二步，选取可能存在甲烷逸散的部件(包括：法兰、泵、压缩机、搅拌器、阀门、泄压设备、连接件、开口阀、开口管线部位处的甲烷逸散)，根据甲烷逸散部件处的工况条件(如：环境压力、工作压力、甲烷气体的温度)以及甲烷逸散点的逸散孔径(通常为0.01mm-2mm)，确定该部件在不同甲烷逸散孔径下的甲烷逸散速度和甲烷逸散量：

甲烷逸散速度的计算公式为：

甲烷逸散量的计算公式为：

式中：

q——逸散点处甲烷的逸散量，kg/s；

λ1——流量系数，0.35<λ1<1；反映逸散通道、气体粘度的影响；

d——甲烷逸散点的逸散孔径，m；逸散孔径通过现场测量得到；

ρ——逸散点处的甲烷密度，ρ＝717kg/m³；

k——甲烷的绝热指数，k＝1.308；

rg——甲烷的常数，rg＝518j/(kg·k)

t——甲烷气体温度，k；

p2——逸散点出口处绝对压力(环境压力)，pa；

p3——逸散点入口截面绝对压力(工作压力)，pa；

ul——甲烷逸散速度，m/s；

以上公式是利用气体一元流动的动量方程、连续性方程、理想气体状态方程和绝热过程方程推导得到的，推导过程为：

一元欧拉运动微分方程：

气体绝热过程方程：

理想气体的状态方程：

式中：

p——压力，pa；

u——速度，m/s；

c——常数；

ρ——逸散点处的甲烷密度，

k——甲烷的绝热指数，k＝1.308；

联立以上方程，可得甲烷逸散速度为：

再根据质量守恒，得到甲烷逸散量为：

第三步，在第二步的工况下，将甲烷逸散速度和甲烷逸散点的逸散孔径d作为数值模拟计算的边界条件，建立存在甲烷逸散的部件的三维模型，考虑环境风速的影响，以甲烷为第一相，空气为第二相，采用现有的fluent数值模拟软件分别计算在不同甲烷逸散量下甲烷逸散位置周围处的甲烷的逸散浓度场；如可以选择三个及以上不同逸散量进行计算；

第四步，在甲烷的逸散位置处，若甲烷的逸散量增大，环境中甲烷的逸散浓度随之增加，排放源的有效高度逐渐增大；建立高斯气体浓度扩散模型，改变高斯气体浓度扩散方程中的有效源高h，利用第三步数值模拟所得到的不同甲烷逸散量下的甲烷的逸散浓度场，通过改变有效源高h，得到有效源高h与逸散量之间的关系，拟合出利用甲烷逸散浓度c计算甲烷的逸散量q的方程，以逸散点为原点建立三维直角坐标系，得到利用甲烷逸散浓度c求解甲烷逸散量q的高斯气体浓度扩散方程为：

q——逸散点处甲烷的逸散量，kg/s；

c——甲烷逸散浓度，kg/m³；

h——有效源高，m；

所述的三维直角坐标系的x、y、z的建立，以逸散点为原点建立三维直角坐标系，可以根据计算方便在水平面建立x、y轴，在竖直方向建立z轴；

x——检测点的x轴坐标，m；

y——检测点的y轴坐标，m；

z——检测点的z轴坐标，m；

σy——y轴方向的扩散系数，m，

σz——z轴方向的扩散系数，m，σz＝0.2x；

λ2——浓度系数，0.75<λ2<1；反映风速、天气条件的综合影响；

u——风速，m/s；

第五步，采用浓度检测设备(如氢火焰离子化检测仪)检测在法兰逸散位置处的甲烷逸散浓度；测试点的位置通常可以选取为距离逸散点的下风向1～2cm处；

第六步，将第五步所测得的甲烷逸散浓度带入到第四步所建立的变有效源高的高斯气体浓度扩散方程中，计算甲烷的逸散量；

第七步，分别再选取甲烷逸散位置(如：泵、压缩机、搅拌器、阀门、泄压设备、连接件、开口阀、开口管线部位处的甲烷逸散位置)，重复第二步到第六步，得到不同逸散位置处甲烷逸散量；

第八步，将所得到的全部甲烷逸散位置处的甲烷逸散数据按照甲烷逸散部件的设定分类进行求和，再除以该类型部件的检测数量，最终得到每个类型部件的甲烷逸散因子。

如：将甲烷逸散部件按照部件级分类，然后将相同类别部件(如均为法兰)所测得的甲烷逸散量进行求和，再除以该类型部件的检测数量，最终得到每个类型部件的甲烷逸散因子。

或者将甲烷逸散部件按照所检测的所有设备(每一种设备包含若干个不同类型的部件，如：泵)类别进行分类，然后将相同类别设备所测得的甲烷逸散量进行求和，再除以该类型设备的检测数量，最终得到每个类型设备的甲烷逸散因子。

或者将甲烷逸散部件按照所检测的所有工厂(每一种工厂包含若干个不同类型的设备)类别进行分类，然后将相同类别工厂所测得的甲烷逸散量进行求和，再除以该类型工厂的检测数量，最终得到每个类型工厂的甲烷逸散因子。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。