基于無人機(jī)平臺的甲烷監(jiān)測技術(shù)及其在油氣行業(yè)的應(yīng)用

達(dá)虹鞠,許德剛,王 晨,劉通浩,唐智和,李巨峰,范海浩

1.中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司,石油石化污染物控制與處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206

2.中國環(huán)境監(jiān)測總站,北京 100012

作為第二大溫室氣體,甲烷在100年內(nèi)的全球變暖潛能值(GWP)是二氧化碳的28倍[1]。2021年3月,我國發(fā)布《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》,首次明確要加大甲烷、氫氟碳化物、全氟碳化物等其他溫室氣體控制力度。根據(jù)我國提交《聯(lián)合國氣候變化框架公約》秘書處的《中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報(bào)告》,油氣行業(yè)是我國重要的甲烷排放源。整體上,加強(qiáng)油氣行業(yè)甲烷排放管控已成為業(yè)內(nèi)共識。2021年1月,生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《關(guān)于統(tǒng)籌和加強(qiáng)應(yīng)對氣候變化與生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)工作的指導(dǎo)意見》,強(qiáng)調(diào)要推動監(jiān)測體系統(tǒng)籌融合,加強(qiáng)重點(diǎn)排放源、區(qū)域溫室氣體監(jiān)測。因此,科學(xué)實(shí)現(xiàn)油氣行業(yè)重點(diǎn)排放源、區(qū)域甲烷排放監(jiān)測,對于準(zhǔn)確評估行業(yè)甲烷排放強(qiáng)度、推動減排措施的制定與實(shí)施具有重要意義。

1 無人機(jī)平臺介紹

目前,油氣行業(yè)針對甲烷排放有自上而下(Top-Down)與自下而上(Bottom-Up)兩類監(jiān)測方法。傳統(tǒng)的自下而上法利用紅外熱成像儀[2]、地面監(jiān)測站[3]、氣象塔[4]、連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)[5]等儀器設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測,自上而下法則采用移動監(jiān)測車[6]、合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星[7]、航空器[8]等針對不同時(shí)空尺度的遙感監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)的甲烷監(jiān)測。隨著微型化傳感器和導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展,基于無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicles,UAVs)平臺的監(jiān)測系統(tǒng)[9]被逐步開發(fā)出來(圖1)。該技術(shù)的出現(xiàn)為大規(guī)模數(shù)據(jù)收集提供了一種更快捷、更安全、更低成本的方式。在過去的十幾年中,UAVs被廣泛應(yīng)用于油氣行業(yè)多種應(yīng)用場景,包括基礎(chǔ)設(shè)施完整性監(jiān)控、管道泄漏監(jiān)測、油井架監(jiān)測、漏油測繪、安全監(jiān)察、環(huán)境污染氣體排放監(jiān)測、油田設(shè)備庫存管理、逸散監(jiān)測及事故應(yīng)急監(jiān)測等[10]。UAVs技術(shù)的發(fā)展為油氣行業(yè)甲烷排放監(jiān)測開辟了新的路徑。

圖1 無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成[9]

1.1 UAVs平臺分類

目前,全球超過50個國家共設(shè)計(jì)生產(chǎn)了300種以上的UAVs[11]。針對不同的UAVs,可根據(jù)飛行器的功能、質(zhì)量、飛行速度、活動半徑、飛行高度等,從多個層面進(jìn)行分類[12]。我國發(fā)布的《輕小無人機(jī)運(yùn)行規(guī)定(試行)》根據(jù)飛行器質(zhì)量對UAVs進(jìn)行了分類,包括Ⅰ類(>0～1.5 kg)、Ⅱ類(>1.5～4 kg)、Ⅲ類(>4～15 kg)、Ⅳ類(>15～116 kg)、Ⅴ類(植保類UAVs)、Ⅵ類(無人飛艇)等。需注意的是,UAVs的質(zhì)量分類范圍可能會因國家的不同而略有差異,如也有國家將20 kg以下的UAVs分為納米型(<0.2 kg)、微型(0.2～2 kg)、迷你型(>20 kg)[13],而此幾類UAVs正是油氣行業(yè)最常用的UAVs類型。

按照氣動布局劃分,UAVs主要分為固定翼、旋翼、撲翼和復(fù)合式布局[9]。其中：固定翼UAVs靠動力裝置產(chǎn)生推力或拉力,一般采用內(nèi)燃機(jī)或發(fā)電機(jī)作為推進(jìn)器,通過升降器、副翼、方向舵等調(diào)整飛行姿態(tài)。固定翼UAVs產(chǎn)生升力的翼面相對于機(jī)身處于固定位置。根據(jù)機(jī)翼和尾翼的相對位置,可將固定翼UAVs分為正常式(后置平尾)、鴨式、無尾、三翼面、連接翼及飛翼等布局。旋翼UAVs產(chǎn)生升力的槳葉相對于機(jī)身是旋轉(zhuǎn)的。旋翼UAVs可分為無人直升機(jī)、多旋翼UAVs和無人旋翼機(jī)。無人直升機(jī)和多旋翼UAVs的旋翼由動力裝置直接驅(qū)動,可實(shí)現(xiàn)垂直起降和懸停,而無人旋翼機(jī)的旋翼無驅(qū)動動力。多旋翼UAVs是旋翼UAVs中最常見的機(jī)型,通常根據(jù)旋翼數(shù)量進(jìn)行命名,包括三旋翼、四旋翼、六旋翼及八旋翼UAVs等。該類機(jī)型由于具備優(yōu)越的懸停能力,在油氣行業(yè)甲烷監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

隨著UAVs技術(shù)的發(fā)展,研究者們開發(fā)了系留UAVs、可變螺距多旋翼UAVs、形態(tài)學(xué)多旋翼UAVs和傾轉(zhuǎn)旋翼UAVs等新型UAVs[14]。系留多旋翼UAVs通過連接地面電纜,可實(shí)現(xiàn)高空長時(shí)(約24 h)懸停監(jiān)測。市售系留UAVs主要由法國Elistair公司和美國Hoverfly公司提供。然而,系留UAVs通常只能懸停在一個高度,僅可在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集?？勺兟菥喽嘈鞺AVs仍處于研發(fā)階段,其通過改變轉(zhuǎn)子的葉片間距來控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多種飛行姿態(tài)(翻轉(zhuǎn)和倒飛)運(yùn)行?？勺兟菥喽嘈鞺AVs的機(jī)身利用發(fā)動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動,具備長續(xù)航能力。新型UAVs的設(shè)計(jì)大多重點(diǎn)針對續(xù)航短、飛行控制能力不足等問題,這可為其在油氣行業(yè)的安全應(yīng)用提供更加全面的保障。

1.2 UAVs平臺對比

油氣行業(yè)甲烷遙感監(jiān)測需要高度關(guān)注系統(tǒng)的安全性,因此,針對不同監(jiān)測場景選擇適合的UAVs至關(guān)重要。市面上的UAVs種類繁多,用于甲烷監(jiān)測的飛行平臺以固定翼UAVs和旋翼UAVs為主[15-16],下文將針對這兩類飛行器進(jìn)行比對分析(表1)。

表1 固定翼與多旋翼UAVs對比

1.2.1 UAVs飛行性能

固定翼UAVs具有較高的空氣動力學(xué)效率,能夠長時(shí)間高速飛行,更適用于大面積甲烷監(jiān)測(單程覆蓋范圍約3 km2)(表1),如天然氣輸送管道泄漏監(jiān)測。在惡劣天氣下,固定翼UAVs的飛行穩(wěn)定性更優(yōu)。然而,固定翼UAVs需利用跑道(30～200 m)起飛或由彈射器發(fā)射,對飛行場地的要求較高。固定翼UAVs飛行速度快,采集到的數(shù)據(jù)的空間分辨率較低。另外,固定翼UAVs缺乏懸停能力,使用時(shí)需保證最小安全飛行距離,不適合近距離或長時(shí)間懸停監(jiān)測場景。

旋翼UAVs具有慢速巡航能力、垂直起降(VTOL)能力,所采集數(shù)據(jù)的空間分辨率較高,對起降場地的要求低,能夠近距離懸停監(jiān)測目標(biāo)排放。另外,旋翼UAVs尺寸較小,機(jī)動性、靈活性較高,可根據(jù)實(shí)際需求轉(zhuǎn)移至任何地方。但是,旋翼UAVs續(xù)航較短(滿載的大疆M600的最長飛行時(shí)間為18 min),無法一次性實(shí)現(xiàn)大范圍監(jiān)測。同時(shí),旋翼轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生強(qiáng)大的垂直氣流(也稱下洗氣流),即使是輕型旋翼UAVs(5 kg),其轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的下洗氣流也會延伸到螺旋槳以下幾米處,擾亂下方局部空氣分布,對甲烷監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響[17]。因此,旋翼UAVs甲烷監(jiān)測系統(tǒng)的搭建應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注監(jiān)測設(shè)備裝載方式及采樣口位置,以盡可能減少下洗氣流的影響[18]。旋翼UAVs中,三旋翼UAVs的機(jī)身穩(wěn)定性較差,因而基于安全性考慮,其不適用于油氣生產(chǎn)現(xiàn)場的甲烷監(jiān)測;四/六旋翼UAVs通常是更優(yōu)的選擇,具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行成本低、可靠性高、易維護(hù)等特點(diǎn);八旋翼UAVs載重能力更強(qiáng),但其成本較高、體積較大、續(xù)航能力相對較短。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)甲烷監(jiān)測的需求,綜合考慮所需機(jī)型。

1.2.2 UAVs載荷能力

機(jī)載甲烷監(jiān)測設(shè)備及配套部件的選擇應(yīng)注意設(shè)備質(zhì)量,更重的載荷將大大降低UAVs的飛行時(shí)長。固定翼UAVs可承載的載荷質(zhì)量范圍較寬,且一般大于2 kg;四/六旋翼UAVs的承載能力為2～8 kg;八旋翼UAVs的承載能力可達(dá)6～11 kg(表1)。載荷安裝方面,固定翼UAVs機(jī)身體型更大,安裝載荷時(shí)更加靈活方便,適合安裝體積較大的監(jiān)測設(shè)備。旋翼UAVs機(jī)身可安裝設(shè)備的空間較小,載荷安裝不如固定翼UAVs靈活,更適合裝載微型設(shè)備。另外,能夠改裝UAVs平臺時(shí),對于特定質(zhì)量的載荷,可以通過優(yōu)化UAVs旋翼數(shù)量來提升UAVs的飛行時(shí)間。UAVs升力與旋翼直徑、數(shù)量成正比,增加額外的旋翼能夠提高機(jī)身升力[19],但相應(yīng)地也會增加電耗,導(dǎo)致飛行時(shí)間縮短。因此,應(yīng)綜合考慮安全性、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)采集質(zhì)量等因素,對載荷安裝方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 UAVs平臺有效載荷

2.1 風(fēng)速計(jì)

對風(fēng)矢量(風(fēng)速和風(fēng)向)開展準(zhǔn)確測量是利用UAVs甲烷監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行排放通量量化分析的技術(shù)難點(diǎn)之一。通常,風(fēng)矢量可由地面監(jiān)測站直接獲取或根據(jù)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行推演,但該方法無法反映采樣點(diǎn)處的真實(shí)風(fēng)場,會給量化結(jié)果引入較大的不確定性。理論上,利用UAVs平臺搭載風(fēng)速計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測是更優(yōu)的選擇,但是應(yīng)充分保證風(fēng)矢量與數(shù)據(jù)采集頻率、采樣位置之間的匹配性。

當(dāng)前,搭載于固定翼UAVs的風(fēng)矢量監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展較為迅速。ELSTON等[20]闡明了多孔探頭傳感器、皮托管、嵌入式大氣數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)、聲波風(fēng)速計(jì)等風(fēng)速傳感器與固定翼UAVs平臺的匹配性。RAUTENBERG等[21]將機(jī)載多孔探針、皮托管、流量傳感器的風(fēng)矢量測量值與地面風(fēng)矢量直接測量值進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)五孔探頭傳感器在風(fēng)速測量中表現(xiàn)最佳。

開展UAVs風(fēng)矢量實(shí)時(shí)監(jiān)測需要避免機(jī)身對風(fēng)場的干擾。研究者普遍認(rèn)為,旋翼UAVs的下洗作用會對風(fēng)矢量的準(zhǔn)確測量帶來挑戰(zhàn)。2015年,NEUMANN等[22]提出了基于旋翼UAVs平臺的風(fēng)矢量實(shí)時(shí)監(jiān)測方法,使利用旋翼UAVs對風(fēng)矢量進(jìn)行監(jiān)測成為可能。BARBIERI等[23]將23種二維/三維風(fēng)速計(jì)分別安裝在38架不同的UAVs上,評估了其在監(jiān)測風(fēng)場時(shí)的性能表現(xiàn),發(fā)現(xiàn)安裝在旋翼UAVs上的聲波風(fēng)速計(jì)可提供最準(zhǔn)確的二維水平方向風(fēng)場測量數(shù)據(jù),但下洗作用使三維(湍流尺度)風(fēng)矢量測量結(jié)果的準(zhǔn)確度較差。若將此類傳感器安裝在遠(yuǎn)離螺旋槳平面的位置,可能會解決這一問題,但載荷遠(yuǎn)離重心會影響UAVs的飛行穩(wěn)定性及續(xù)航時(shí)間。綜上,基于旋翼UAVs的風(fēng)矢量監(jiān)測方法仍需進(jìn)一步的研究和探索。

2.2 機(jī)載甲烷監(jiān)測設(shè)備

目前,研究者們針對UAVs平臺的特點(diǎn),開發(fā)出了多種機(jī)載甲烷監(jiān)測設(shè)備。本文主要梳理了低成本化學(xué)傳感器、近/中紅外激光傳感器、可調(diào)諧二極管激光光譜、基于光腔的激光吸收光譜、光學(xué)氣體成像儀等常見的UAVs機(jī)載甲烷監(jiān)測設(shè)備,并對各類設(shè)備的檢測原理、技術(shù)優(yōu)劣(表2)及性能參數(shù)(表3)進(jìn)行了匯總。

表2 基于UAVs平臺的甲烷監(jiān)測設(shè)備原理及優(yōu)缺點(diǎn)

表3 基于UAVs平臺的甲烷監(jiān)測設(shè)備技術(shù)參數(shù)

2.2.1 低成本化學(xué)傳感器

低成本化學(xué)傳感器是一種可實(shí)時(shí)輸出與傳感器接觸的氣體濃度值的小型檢測器[19]。通常,該類傳感器對甲烷的響應(yīng)信號較弱,更適用于高濃度甲烷排放監(jiān)測。目前,金屬氧化物半導(dǎo)體(MOX)傳感器和非分散紅外(NDIR)傳感器是常用的兩類機(jī)載低成本甲烷傳感器。

MOX傳感器也稱為半導(dǎo)體傳感器或化學(xué)電阻傳感器。其將半導(dǎo)體金屬氧化物(如SnO2)沉積在集成電極上,通過測定甲烷與電極表面接觸后發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電阻變化得到甲烷濃度。ALI等[35]將MQ-4半導(dǎo)體傳感器(SnO2)搭載于UAVs,實(shí)現(xiàn)了區(qū)域甲烷排放源定位及通量量化(228～350 g/s),其中,飛行條件下的MQ-4的監(jiān)測范圍為10～10 000 μmol/mol。LIU等[36]將MOX TGS2600傳感器(SnO2)搭載于旋翼UAVs上,開發(fā)了一套輕型(560 g)、低成本(約2 000元)油田甲烷監(jiān)測系統(tǒng)。SCHUYLER等[24]將微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)融入MOX傳感器(12C MiCS-6814),成功實(shí)現(xiàn)了對對流層甲烷濃度(約1.9 μmol/mol)的精確測量(精密度為0.18 μmol/mol,分辨率為0.01 μmol/mol)。除了單獨(dú)使用機(jī)載MOX傳感器外,MALAVER等[37]嘗試將搭載MOX-CH4傳感器的UAVs與地面無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)集成,以實(shí)現(xiàn)3D空間甲烷監(jiān)測,但該研究設(shè)計(jì)的MOX-CH4傳感器納米結(jié)構(gòu)對甲烷的響應(yīng)較慢(5 μmol/mol,平均響應(yīng)時(shí)間為15.7 min),無法滿足UAVs平臺的快速響應(yīng)需求。

NDIR傳感器一般由寬帶紅外(IR)燈、樣品室、濾光片和監(jiān)測器組成,其中濾光片用來濾去除甲烷特征吸收波長(3.39 μm)以外的光。相比于二氧化碳,NDIR傳感器對甲烷的響應(yīng)信號較弱且存在對其他碳?xì)浠衔锏慕徊嫖宅F(xiàn)象,因此,該類傳感器在甲烷濃度監(jiān)測中的應(yīng)用有限。SHAH等[25]將NDIR傳感器搭載于UAVs,用于近地(47 m±5 m)受控點(diǎn)源甲烷監(jiān)測。驗(yàn)證結(jié)果表明,該系統(tǒng)的精密度為±1.16 μmol/mol(1 Hz),無法實(shí)現(xiàn)對甲烷背景濃度(1.5～2.0 μmol/mol)的準(zhǔn)確測定,無法量化排放速率低于1 g/s的甲烷羽流。盡管如此,實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)甲烷摩爾分?jǐn)?shù)增強(qiáng)高于10 μmol/mol時(shí),該傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)仍是可信的。

2.2.2 近/中紅外激光傳感器

近紅外激光傳感器是最常用的機(jī)載甲烷監(jiān)測設(shè)備之一。其調(diào)節(jié)激光光束至覆蓋甲烷特征吸收波長(1 653 nm)的譜帶處,利用檢測器接收反射回來的擴(kuò)散光束,通過測量光束的吸收率計(jì)算出甲烷濃度[38]。MENDUNI等[39]利用光纖連接兩個分別發(fā)射1 653.7 nm和1 684 nm近紅外激光的二極管,開發(fā)了一種基于光纖的石英增強(qiáng)光聲光譜(QEPAS),用于油氣管道泄漏環(huán)境標(biāo)志物(甲烷和乙烷)監(jiān)測,檢出限分別為0.76 μmol/mol(甲烷)和34 μmol/mol(乙烷)。EMRAN等[26]將瑞士Pergam公司制造的天然氣行業(yè)手持式近紅外激光傳感器mini-G(SA3C50A)搭載于UAVs平臺,用于近地面甲烷濃度分布分析。該系統(tǒng)的監(jiān)測范圍為1～50 000 μmol/mol·m,準(zhǔn)確度為±10%。NATHAN等[27]開發(fā)了一種開路式近紅外激光傳感器,實(shí)現(xiàn)了對天然氣/頁巖氣壓縮站甲烷排放的快速(10 Hz)、精確(0.1 μmol/mol)監(jiān)測。

相比于近紅外激光,中紅外激光具有更強(qiáng)的甲烷吸收線(3.3 μm),基于中紅外激光的傳感器具有更好的甲烷監(jiān)測性能。GOLSTON等[28]分別設(shè)計(jì)了兩種適用于固定翼和旋翼UAVs的輕型中紅外甲烷傳感器,用于德國ScaleX油田夜間邊界層甲烷濃度監(jiān)測。上述傳感器采用3.27 μm GaSb激光器的開放路徑波長調(diào)制光譜(WMS)來實(shí)現(xiàn)對甲烷的高精度監(jiān)測,在實(shí)際飛行條件下展現(xiàn)出0.005～0.01 μmol/mol的測量精度。

2.2.3 可調(diào)諧二極管激光光譜

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)是激光吸收光譜中最常見的一種技術(shù),通常分為直接吸收光譜技術(shù)、波長調(diào)制光譜技術(shù)和頻率調(diào)制光譜技術(shù)。該技術(shù)采用頻率可調(diào)諧的二極管激光(TDL)作為光源,使激光束通過流通單元(封閉)或大氣路徑(開路),從而進(jìn)行甲烷濃度測量。通常,封閉路徑TDLAS光程更長,檢測器精密度更高,但需要使用具有溫度、壓力補(bǔ)償功能的多通道池來提升監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量,這將大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜性及質(zhì)量。而開放路徑設(shè)備(OP-TDL)通常質(zhì)量更小、響應(yīng)更快、靈敏度更高。在實(shí)際應(yīng)用中,研究者們更傾向于在UAVs平臺上搭載OP-TDL。

一種構(gòu)建機(jī)載OP-TDL的方式是直接開發(fā)開放路徑檢測器并將其搭載于UAVs平臺。美國國家航空航天局(NASA)為好奇號(Curiosity Rover)火星車開發(fā)的微型(0.25 kg)、低功耗(<8 W)OP-TDL(3.4 μm激光)是目前最先進(jìn)的機(jī)載OP-TDL設(shè)備。SMITH等[29]將其搭載于UAVs平臺用于甲烷泄漏監(jiān)測,結(jié)果表明,該OP-TDL在1 Hz下具有0.010 μmol/(mol·s)的靈敏度,在飛行高度為3 m時(shí)能夠100%檢測到排放速率為0.142 m3/h的甲烷泄漏。

另一種構(gòu)建機(jī)載OP-TDL的方法是設(shè)計(jì)具備開放路徑的變體系統(tǒng)。COSSEL等[30]通過在旋翼UAVs上安裝輕型后向反射器,在地面上使用開路雙頻梳光譜,實(shí)現(xiàn)了甲烷濃度監(jiān)測,測量精度可達(dá)±0.016 μmol/mol。該方法避免了UAVs有效載荷的質(zhì)量限制,同時(shí)保持了UAVs平臺的采樣空間靈活性。YANG等[31]報(bào)道了一種用于甲烷泄漏監(jiān)測的反向散射可調(diào)諧二極管激光光譜(sTDLAS)。該系統(tǒng)將激光發(fā)射器和監(jiān)測器置于同側(cè),將激光束發(fā)射向遠(yuǎn)處的表面(距離<10 m)后,由光電二極管收集反射回來的后向散射光。sTDLAS對甲烷的響應(yīng)較快,例如瑞士Pergam Suisse AG公司開發(fā)的迷你甲烷激光設(shè)備(505 g),其靈敏度為200 μmol/mol·m,響應(yīng)時(shí)間僅為約0.1 s。

2.2.4 基于光腔的激光吸收光譜

光腔增強(qiáng)吸收光譜(CEAS)也屬于激光吸收光譜技術(shù)。該技術(shù)是將激光器發(fā)出的激光在光學(xué)諧振腔中來回反射(約100 000次),形成腔體內(nèi)的超長有效光路(km級)[40],能夠提供更優(yōu)的甲烷監(jiān)測精度和靈敏度。光腔衰蕩光譜(CRDS)及離軸積分腔輸出光譜(OA-ICOS)是兩種主要的CEAS技術(shù),目前多數(shù)機(jī)載CRDS及OA-ICOS設(shè)備的質(zhì)量或耗電量較大。BERMAN等[32]開發(fā)了一種高精度(±0.002 μmol/mol)便攜式(19.5 kg)OA-ICOS甲烷監(jiān)測儀,但受載荷質(zhì)量限制,該傳感器僅能搭載在載荷能力>20 kg的固定翼UAVs上。為了提升OA-ICOS在UAVs平臺上的適用性,SHAH等[33,41]開發(fā)了一種小型OA-ICOS(3.4 kg,32 W),并在旋翼UAVs上進(jìn)行了測試,實(shí)現(xiàn)了對甲烷的準(zhǔn)確監(jiān)測(0.002 μmol/mol,1 Hz)。類似地,MARTINEZ等[34]利用緊湊型近紅外激光器(1 651 nm)和線性雙鏡高精度光學(xué)腔開發(fā)了一種輕型(4 kg)、低功耗(12 W)的開放路徑CRDS,其在實(shí)際飛行條件下的甲烷測量精度為0.01～0.03 μmol/mol,能夠監(jiān)測質(zhì)量流量<0.005 g/s的孤立甲烷點(diǎn)源排放羽流。除了開發(fā)便攜式設(shè)備外,BROSY等[42]嘗試?yán)?0 m長的長管道將地基CRDS與旋翼UAVs連接,并將長管道口置于UAVs機(jī)身上方30 cm處用于采樣。在此情況下,UAVs僅增加了0.65 kg的額外載重,就實(shí)現(xiàn)了精度為±0.007 μmol/mol的穩(wěn)定甲烷監(jiān)測。經(jīng)驗(yàn)證,該系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果與相鄰監(jiān)測塔的甲烷濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)具有良好的一致性。

2.2.5 光學(xué)氣體成像儀

光學(xué)氣體成像(OGI)是一種基于背景和目標(biāo)氣體之間的熱對比度來可視化氣體泄漏過程的技術(shù),也稱為反向散射吸收氣體成像(BAGI)。傳統(tǒng)的OGI相機(jī)(固定式或移動式)已廣泛應(yīng)用于各類油氣生產(chǎn)平臺和石油石化企業(yè)。目前用于甲烷監(jiān)測的OGI相機(jī)主要是基于紅外或熱成像原理,雖然能夠快速觀測到甲烷排放羽流,但其成本較高、甲烷檢出限較高(>10 000 μmol/mol),且難以量化泄漏速率[43]。紅外成像儀能識別>5%的甲烷濃度增強(qiáng)或者≥2.0 ℃的溫度變化[44],而熱成像儀能夠利用輻射強(qiáng)度的變化,可視化明顯的甲烷泄漏(溫差>2 ℃)。斯坦福大學(xué)的研究者們發(fā)現(xiàn),在良好氣象條件下(成像距離<10 m),OGI相機(jī)能夠監(jiān)測到天然氣生產(chǎn)設(shè)施甲烷泄漏總量的80%[43]。TRATT等[45]使用機(jī)載熱紅外相機(jī)測定了各類化石燃料來源的甲烷排放。其使用的熱紅外相機(jī)具有較高的空間分辨率(1～2 m)和中等光譜分辨率(44 nm,7.5～13.5 μm熱紅外波段),其中,較高的空間分辨率能夠?qū)崿F(xiàn)排放源定位,而中等光譜分辨率有助于識別和量化羽流組分。實(shí)驗(yàn)證明,該熱紅外相機(jī)能夠觀測到釋放速率低至2.2 kg/h的點(diǎn)源甲烷排放。

3 UAVs甲烷監(jiān)測技術(shù)在油氣行業(yè)的應(yīng)用

3.1 管道泄漏監(jiān)測

據(jù)統(tǒng)計(jì),2017年全球天然氣行業(yè)的甲烷泄漏量(包括燃料使用泄漏逸散、油氣田泄漏逸散、天然氣管道泄漏逸散)約為1.08億t[46],占溫室氣體排放總量(5.96億t)的18%,無組織甲烷泄漏每年造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)300億美元[43],因此,定期開展泄漏監(jiān)測和維修(LDAR)調(diào)查,對減少石油天然氣行業(yè)甲烷排放具有重要作用。利用搭載甲烷傳感器的UAVs進(jìn)行空中勘測,是當(dāng)前用于替代手工LDAR調(diào)查的一種具有成本效益的方案。起初,BARCHYN等[47]和HOLLENBECK等[48]將TDLAS搭載于固定翼UAVs,用于天然氣基礎(chǔ)設(shè)施泄漏監(jiān)測,但發(fā)現(xiàn)該方法的精度有限,僅能實(shí)現(xiàn)大泄漏點(diǎn)(泄漏濃度高于大氣濃度2～3 μmol/mol)監(jiān)測。類似地,英國BP公司使用四旋翼UAVs(Aeryon Scout,質(zhì)量1.4 kg,續(xù)航25 min)攜帶高分辨可見和紅外相機(jī),利用熱成像圖對阿拉斯加天然氣管道進(jìn)行了近地泄漏點(diǎn)監(jiān)測。以色列Percepto公司將OGI攝像頭和AIM算法軟件配備于自主UAVs,為石油天然氣場站甲烷氣體羽流的可視化監(jiān)測提供了技術(shù)方案。中石化對使用UAVs搭載甲烷泄漏巡檢平臺進(jìn)行了系統(tǒng)可行性論證,結(jié)果表明,該系統(tǒng)對管線泄漏線濃度為2×10-5μmol/mol·m的甲烷有響應(yīng),最遠(yuǎn)監(jiān)測距離大于100 m[49]。為進(jìn)一步提升監(jiān)測系統(tǒng)的精度,研究者們將OP-TDL[29]搭載于旋翼UAVs,用于天然氣泄漏監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,配備OP-TDL傳感器的旋翼UAVs能夠準(zhǔn)確(>80%)識別泄漏設(shè)備[50]。自2019年起,包括康菲、道達(dá)爾、BP在內(nèi)的眾多世界大型油氣公司已經(jīng)在各自的油氣田生產(chǎn)場站測試了這項(xiàng)技術(shù)。中石油在將紅外熱成像儀搭載于UAVs實(shí)現(xiàn)泄漏監(jiān)測的基礎(chǔ)上,結(jié)合三維模型拍攝及VR全景視頻拍攝技術(shù),真實(shí)還原了管道的分布情況及周邊潛在威脅因素影響區(qū)域,全面掌握了管道周邊情況。

3.2 甲烷濃度成像

甲烷濃度成像是UAVs遵循預(yù)編程的飛行路徑進(jìn)行等距點(diǎn)甲烷濃度采集,通過空間插值推演區(qū)域濃度,構(gòu)建特定場站的甲烷濃度空間分布地圖,有助于開展區(qū)域甲烷擴(kuò)散特征分析,為排放源定位提供依據(jù)。LIU等[36]將MOX搭載于旋翼UAVs,利用LabVIEW創(chuàng)建圖形用戶界面,實(shí)現(xiàn)了對美國北達(dá)科他州兩個油田生產(chǎn)場站的甲烷濃度分布成像。基于sTDLAS傳感器的積分路徑測量是甲烷濃度成像中最有潛力的一類技術(shù)。sTDLAS能夠?qū)崿F(xiàn)甲烷濃度遠(yuǎn)程測定,不會由于旋翼UAVs的下洗作用而影響氣體分布。同時(shí),sTDLAS采集的是柱濃度,無需進(jìn)行三維空間采樣。YANG等[31]在四旋翼UAVs上裝配面向地面的sTDLAS,所繪制的甲烷濃度分布圖能夠清晰地顯示出甲烷排放點(diǎn)的位置。EMRAN小組[26]利用搭載TDLAS的多旋翼UAVs進(jìn)行了低空(25～30 m)甲烷濃度分布成像,認(rèn)為該系統(tǒng)對天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的高濃度甲烷排放具有良好的成像潛力。BP、道達(dá)爾、挪威石油與英國Flylogix公司合作將NASA開發(fā)的微型OP-TDL集成于固定翼UAVs,用于北海Clair油田生產(chǎn)平臺周圍甲烷濃度分布監(jiān)測。譚瓊等[51]將可燃?xì)獗O(jiān)測模塊搭載于UAVs,建立了一種基于UAVs的氣體濃度檢測及事故預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了可燃?xì)怏w濃度分布實(shí)時(shí)監(jiān)測及超閾值報(bào)警。同時(shí),該系統(tǒng)配備的影像采集模塊能夠?qū)崟r(shí)采集監(jiān)測視頻,并基于遷移學(xué)習(xí)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識別技術(shù),識別圖像中各類物體的種類及數(shù)量。

3.3 甲烷通量量化

基于UAVs的甲烷監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對油氣田場站、天然氣管道等特定區(qū)域的甲烷排放量的量化。該過程通常需要采集特定區(qū)域的甲烷濃度,并與模擬大氣擴(kuò)散和傳輸?shù)哪Ｐ拖嘟Y(jié)合,推導(dǎo)出甲烷排放通量。目前,最常用的甲烷量化方法包括質(zhì)量平衡法和高斯羽流反演法。

質(zhì)量平衡法主要基于目標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的甲烷質(zhì)量守恒原理進(jìn)行甲烷排放通量量化,是一種直接測量并量化甲烷排放通量的方法。NATHAN等[27]通過在固定翼UAVs機(jī)頭搭載開路式近紅外激光傳感器(3.1 kg,10 Hz,0.1 μmol/mol精度),基于質(zhì)量平衡法估算了天然氣壓縮機(jī)站的甲烷泄漏率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,22次飛行檢測得到的平均甲烷排放通量為14 g/s±8 g/s,大于移動監(jiān)測車及手工監(jiān)測結(jié)果(5.8 g/s)。該方法的測量位置離排放源較近,無法保證測量截面的羽流在垂直方向上混合均勻,并且有限的空間采樣頻次會在監(jiān)測結(jié)果中引入較大誤差。YANG等[31]將配備開路sTDLAS的UAVs用于基于質(zhì)量平衡法的天然氣泄漏速率量化,即操控UAVs按不同半徑的同心圓圍繞目標(biāo)設(shè)施飛行,并測定飛行路徑上的柱濃度,然后分別對多個同心圓進(jìn)行質(zhì)量平衡計(jì)算,求得的平均值即為甲烷排放通量。該設(shè)備的靈敏度為5 μmol/mol·m,近地(10 m)甲烷排放速率檢出限為7×10-6m3/s。在最優(yōu)風(fēng)場條件下,該方法的甲烷排放估算量精密度約為50%。另外,GOLSTON等[52]將質(zhì)量平衡法與排放源定位算法相結(jié)合,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天然氣場站甲烷排放源定位及排放速率量化。

高斯羽流模型常用于使用高斯統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來模擬點(diǎn)源順風(fēng)甲烷濃度,該方法已被應(yīng)用于基于監(jiān)測船、移動監(jiān)測車和固定監(jiān)測點(diǎn)等監(jiān)測平臺的油氣基礎(chǔ)設(shè)施甲烷排放通量量化。NATHAN等[27]基于高斯羽流模型與質(zhì)量平衡法量化了天然氣壓縮站的甲烷排放通量,結(jié)果表明,利用高斯羽流模型計(jì)算出的甲烷排放通量(23 g/s)大于質(zhì)量平衡法計(jì)算結(jié)果(14 g/s±8 g/s)、移動監(jiān)測車及手工監(jiān)測結(jié)果(5.8 g/s)。GOLSTON等[52]基于高斯羽流模型提出了另一種反演方法,即利用UAVs監(jiān)測系統(tǒng)測量甲烷在z軸方向的擴(kuò)散(σz),通過分析同一組數(shù)據(jù)找到甲烷濃度增強(qiáng)與風(fēng)速之間的反比關(guān)系,以及甲烷濃度增強(qiáng)和排放通量之間的線性關(guān)系,從而量化天然氣場站的甲烷排放通量。研究結(jié)果顯示,利用該方法計(jì)算所得的甲烷排放通量與質(zhì)量平衡方法一致。

4 總結(jié)與展望

UAVs甲烷監(jiān)測是對現(xiàn)有自下而上的手工監(jiān)測法及自上而下的大尺度衛(wèi)星/飛機(jī)遙感監(jiān)測法的有效補(bǔ)充,具有監(jiān)測成本低、可操控性強(qiáng)、數(shù)據(jù)采集效率高等優(yōu)勢,適用于中小型天然氣場站μmol/mol級甲烷泄漏濃度監(jiān)測、甲烷排放源定位及mg/s～g/s級甲烷排放通量量化。目前,基于UAVs平臺的甲烷監(jiān)測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于美國、英國、加拿大等地的油氣田生產(chǎn)場站,但在文獻(xiàn)中顯示出良好效果的應(yīng)用案例仍較少,僅少數(shù)案例處于試運(yùn)營階段。我國自2021年開始部署全國碳排放監(jiān)測試點(diǎn)工作。生態(tài)環(huán)境部在《碳監(jiān)測評估試點(diǎn)工作方案》中指出,石油天然氣開采行業(yè)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注甲烷排放監(jiān)測,并明確將UAVs監(jiān)測列入?yún)^(qū)域立體遙感監(jiān)測技術(shù)之一。UAVs監(jiān)測具有巨大的發(fā)展?jié)摿?但針對此技術(shù)的應(yīng)用在國內(nèi)尚處于起步階段。在下一步的研究工作中,仍需針對以下問題開展技術(shù)攻關(guān)：

1)UAVs續(xù)航能力仍有待提升。絕大部分UAVs(約96%)使用電池作為動力源,而民用輕型UAVs(2～20 kg)的續(xù)航時(shí)長僅約為5～30 min。提升UAVs續(xù)航能力的主要障礙是電池儲能與供能能力有限,因此,需加強(qiáng)大容量、高能量密度電池的研發(fā)力度,或利用汽油、混合動力推進(jìn)系統(tǒng)及太陽能供能系統(tǒng)等作為UAVs的動力系統(tǒng)。同時(shí),應(yīng)注重更加輕便、低功耗UAVs組件的開發(fā)。

2)機(jī)載甲烷傳感器的監(jiān)測精度仍有待提高。受質(zhì)量或成本限制,多數(shù)高精度甲烷傳感器較少應(yīng)用于UAVs平臺,有些甚至還沒有開發(fā)出適用于UAVs的版本。未來,應(yīng)基于保持簡單性、低成本、便攜性和原位監(jiān)測能力的原則,加快高精度、高穩(wěn)定性機(jī)載甲烷傳感器的研發(fā),以應(yīng)對更高標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測需求。

3)甲烷排放通量量化方法仍有待優(yōu)化。當(dāng)前基于質(zhì)量平衡法的甲烷排放通量量化方法對風(fēng)場的要求較高,穩(wěn)定性較差的風(fēng)矢量會在量化結(jié)果中引入較大的不確定性,而高斯羽流反演法通常忽略實(shí)際風(fēng)場中的湍流,所建模型與實(shí)際風(fēng)場之間存在差異。因此,在物理上更符合實(shí)際狀況、可模擬局部小尺度大氣傳輸和擴(kuò)散情況的模型算法是未來的重要研究方向之一。