ABB LGR-ICOS 基于无人机的甲烷通量检测和定量分析

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甲烷(CH4)是第二重要的人为源温室气体,它在大气环境化学过程中发挥着重要作用。但甲烷的全球收支却存在着巨大的不确定性,特别是大型设施来源的存量不确定性,如垃圾填埋场、牛群以及石油和天然气开采基础设施,它们共同为全球排放产生了巨大影响。


红外线相机是相对便宜的泄漏检测工具,但它们不能提供测量CH通量所需的定量信息。另外,示踪气体扩散遥感方法可用于量化逃逸性排放,依靠在源头控制释放示踪气体,结合对示踪气体和目标气体羽流的浓度测量。然而,这种方法需要昂贵的仪器设备,而且比较难以实施。例如,在不可能进入现场释放示踪剂的情况下,或者在羽流可能是悬空的情况下,示踪剂方法可能有局限性。


设施规模的排放通量可以迅速从近场采样(离源头不到500米)中得出,这可以从无人驾驶飞行器(UAV)平台获得。无人机是便宜的、通用的和相对容易使用的。它们可以在源头附近飞行,并可以使用路标自动引导,以实现均匀和无偏差的空间采样。然而,使用有限精度和准确性的ppm级别灵敏度的传感器测量甲烷,对准确的源识别和流通量量化产生了巨大的限制。


ABB最新款式基于激光的离轴集成腔体输出光谱(OA-ICOS)微量气体分析仪解决了这一限制,非常适用于快速和精确的无人机采样。它们很轻,能够以ppb级的灵敏度进行原位CH测量。


所附文章《利用无人机采样测试近场高斯烟羽反演通量量化技术“Testing the near-field Gaussian plume inversion flux quantification technique using unmanned aerial vehicle sampling”》

文章链接:https://doi.org/10.5194/amt-13-1467-2020

文章中的工作由曼彻斯特大学的一群科学家协调完成,他们通过在释放物的下风处飞行两架大疆Spreading Wings S1000+八旋翼无人机,对近场高斯烟羽反演(NGI)方法的应用进行了无偏差的无人机采样控制CH排放源。


第一架无人机(UAV1)使用150米的PFA管连接到地面上的LGR-ICOS MGGA(GLA131-GPC微型甲烷排放分析仪的旧款型号)。使用一个微型泵通过管路由MGGA进行采样。进入无人机进气口的空气和进入MGGA腔体的空气之间的采样滞后时间为25秒。MGGA和泵都是由一个12V的铅酸电池供电。


在第二架无人机(UAV2)上安装了一个碳纤维外壳的新型紧凑型(3公斤)LGR-ICOS GLA133-GGA无人机温室气体分析仪(文章中称为 "pMGGA")原型。进入外部进气口的空气和进入pMGGA腔体的空气之间的采样滞后时间为2秒。


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▲左图 :GLA131-GPC微型便携式甲烷排放分析仪;右图:GLA133-GGA 基于无人机的温室气体分析仪安装在大疆S1000+八旋翼无人机上


使用LGR-ICOS仪器进行源识别和通量量化的无人机采样方法在Lancashire的一个天然气开采设施附近的两个田地进行了测试,在钻探或水力压裂之前,进行了五天的采样。甲烷从作业现场内以两种受控通量率之一从地面以上0.25米处释放,两个无人机在释放点的下风处飞行,共进行了22次飞行调查,每次8-9分钟(UAV1飞行7次,UAV2飞行15次)。在通量分析过程中,通量率和时间不变的羽流的确切位置是不公开的,从而可以进行真实无偏盲测。


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▲图:UAV1(与地面上的MGGA连接)和UAV2(与安装在框架上的pMGGA连接)的照片,展示进气口相对于UAV底座的位置。(Shah et al.)


每天根据公共风向预报和现场风向测量决定无人机与受控释放物的位置及其采样路径,以使每个无人机的飞行轨道在受控释放物的下风向上处于水平中心。UAV1使用预先编程的航点进行操作,并斜向上升。每个UAV1的飞行调查由两部分组成:一次是在源头的右边飞行(投射到采样平面上,垂直于平均风向),一次是在左边飞行。同时,每个无人机2号飞行调查由一次单独飞行组成,进行水平横断面的调查,每个横断面的高度基本固定,距离起飞位置横向约100米。


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▲图:用于无人机采样的场地,受控释放点为X标记(Shah等人)


两台LGR-ICOS仪器都使用世界气象组织认证的标准进行了特征分析和校准。评估了电池压力和电池温度的影响,并为每台仪器专门计算了水蒸气校正系数。利用NGI最小二乘法通量量化技术,计算出每次飞行调查测得的CH通量密度,该技术利用高斯统计学考虑了湍流风的变化,从而得出排放通量。


实验证明通量量化方法是成功的,作者观察到大多数NGI通量与已知的控制排放通量有很好的一致性。他们观察到,22个通量中有19个被充分地概括于无人机衍生的通量不确定性中,验证了这种旨在测量设施规模点源烟羽排放通量的创新方法,该方法在无人机采样期间排放源相对不变。


虽然作者承认使用其他方法(如示踪剂扩散方法)可以获得更精确的通量估计,但他们强调,该方法已被调整为快速通量分析,而不是用于清单的精确通量测量。该方法的一个关键优势是它能够在污染源的下风向取样,以获得场外CH通量测量。这种取样允许对CH4排放进行独立和便携的研究,而不需要重型基础设施、特殊许可、场所准入或事先通知。该方法非常适用于监管泄漏检测和源头隔离,还能衡量通量泄漏的严重程度,以便随后使用其他方法进行调查。


综上所述,该研究表明,无人机采样与LGR-ICOS紧凑型痕量气体分析仪相结合,可以用NGI方法实际得出无偏差的快照排放源和通量,精度达到ppb级别,通过在垂直于风向的平面上采样,距离源至少约50米。展望未来,作者预计将无人机采样与示踪剂释放相结合,利用无人机的垂直采样优势,在下风向同时测量目标气体和替代性示踪剂,作为未来一个强大的工具,用于大型设施的CH排放源的精确通量量化分析,如很难进入的石油和天然气开采基础设施、畜牧业和垃圾填埋场等。


该无人机方案,可同步测量CO2、CH4、H2O。



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