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

達虹鞠,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實驗室,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)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標(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告》,油氣行業(yè)是我國重要的甲烷排放源。整體上,加強油氣行業(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)籌和加強應(yīng)對氣候變化與生態(tài)環(huán)境保護相關(guān)工作的指導(dǎo)意見》,強調(diào)要推動監(jiān)測體系統(tǒng)籌融合,加強重點排放源、區(qū)域溫室氣體監(jiān)測。因此,科學(xué)實現(xiàn)油氣行業(yè)重點排放源、區(qū)域甲烷排放監(jiān)測,對于準(zhǔn)確評估行業(yè)甲烷排放強度、推動減排措施的制定與實施具有重要意義。

1 無人機平臺介紹

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(SAR)衛(wèi)星[7]、航空器[8]等針對不同時空尺度的遙感監(jiān)測設(shè)備實現(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(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,從多個層面進行分類[12]。我國發(fā)布的《輕小無人機運行規(guī)定(試行)》根據(jù)飛行器質(zhì)量對UAVs進行了分類,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)燃機或發(fā)電機作為推進器,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身處于固定位置。根據(jù)機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身是旋轉(zhuǎn)的。旋翼UAVs可分為無人直升機、多旋翼UAVs和無人旋翼機。無人直升機和多旋翼UAVs的旋翼由動力裝置直接驅(qū)動,可實現(xiàn)垂直起降和懸停,而無人旋翼機的旋翼無驅(qū)動動力。多旋翼UAVs是旋翼UAVs中最常見的機型,通常根據(jù)旋翼數(shù)量進行命名,包括三旋翼、四旋翼、六旋翼及八旋翼UAVs等。該類機型由于具備優(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,可實現(xiàn)高空長時(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),實現(xiàn)多種飛行姿態(tài)(翻轉(zhuǎn)和倒飛)運行。可變螺距多旋翼UAVs的機身利用發(fā)動機進行驅(qū)動,具備長續(xù)航能力。新型UAVs的設(shè)計大多重點針對續(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,使用時需保證最小安全飛行距離,不適合近距離或長時間懸停監(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,機動性、靈活性較高,可根據(jù)實際需求轉(zhuǎn)移至任何地方。但是,旋翼UAVs續(xù)航較短(滿載的大疆M600的最長飛行時間為18 min),無法一次性實現(xiàn)大范圍監(jiān)測。同時,旋翼轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生強大的垂直氣流(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,具有機械結(jié)構(gòu)簡單、運行成本低、可靠性高、易維護等特點;八旋翼UAVs載重能力更強,但其成本較高、體積較大、續(xù)航能力相對較短。在實際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)甲烷監(jiān)測的需求,綜合考慮所需機型。

1.2.2 UAVs載荷能力

機載甲烷監(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6～11 kg(表1)。載荷安裝方面,固定翼UAVs機身體型更大,安裝載荷時更加靈活方便,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,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身升力[19],但相應(yīng)地也會增加電耗,導(dǎo)致飛行時間縮短。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,對載荷安裝方案進行設(shè)計。

2 UAVs平臺有效載荷

2.1 風(fēng)速計

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)進行排放通量量化分析的技術(shù)難點之一。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)進行推演,但該方法無法反映采樣點處的真實風(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)速計進行實時監(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)速計等風(fēng)速傳感器與固定翼UAVs平臺的匹配性。RAUTENBERG等[21]將機載多孔探針、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)矢量實時監(jiān)測需要避免機身對風(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)矢量實時監(jiān)測方法,使利用旋翼UAVs對風(fēng)矢量進行監(jiān)測成為可能。BARBIERI等[23]將23種二維/三維風(fēng)速計分別安裝在38架不同的UAVs上,評估了其在監(jiān)測風(fēng)場時的性能表現(xiàn),發(fā)現(xiàn)安裝在旋翼UAVs上的聲波風(fēng)速計可提供最準(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離螺旋槳平面的位置,可能會解決這一問題,但載荷遠離重心會影響UAVs的飛行穩(wěn)定性及續(xù)航時間。綜上,基于旋翼UAVs的風(fēng)矢量監(jiān)測方法仍需進一步的研究和探索。

2.2 機載甲烷監(jiān)測設(shè)備

目前,研究者們針對UAVs平臺的特點,開發(fā)出了多種機載甲烷監(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

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)傳感器是一種可實時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]將微機電系統(tǒng)(MEMS)融入MOX傳感器(12C MiCS-6814),成功實現(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)。除了單獨使用機載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,以實現(xiàn)3D空間甲烷監(jiān)測,但該研究設(shè)計的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)受控點源甲烷監(jiān)測。驗證結(jié)果表明,該系統(tǒng)的精密度為±1.16 μmol/mol(1 Hz),無法實現(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,實驗證明,當(dāng)甲烷摩爾分?jǐn)?shù)增強高于10 μmol/mol時,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散光束,通過測量光束的吸收率計算出甲烷濃度[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)來實現(xiàn)對甲烷的高精度監(jiān)測,在實際飛行條件下展現(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)是目前最先進的機載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)建機載OP-TDL的方法是設(shè)計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,實現(xiàn)了甲烷濃度監(jiān)測,測量精度可達±0.016 μmol/mol。該方法避免了UAVs有效載荷的質(zhì)量限制,同時保持了UAVs平臺的采樣空間靈活性。YANG等[31]報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上進行了測試,實現(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,就實現(xiàn)了精度為±0.007 μmol/mol的穩(wěn)定甲烷監(jiān)測。經(jīng)驗證,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(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%的甲烷濃度增強或者≥2.0 ℃的溫度變化[44],而熱成像儀能夠利用輻射強度的變化,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]使用機載熱紅外相機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。實驗證明,該熱紅外相機能夠觀測到釋放速率低至2.2 kg/h的點源甲烷排放。

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,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)濟損失高達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,僅能實現(xiàn)大泄漏點(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,利用熱成像圖對阿拉斯加天然氣管道進行了近地泄漏點監(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),最遠監(jiān)測距離大于100 m[49]。為進一步提升監(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。實驗結(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)場站測試了這項技術(shù)。中石油在將紅外熱成像儀搭載于UAVs實現(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)編程的飛行路徑進行等距點甲烷濃度采集,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,實現(xiàn)了對美國北達科他州兩個油田生產(chǎn)場站的甲烷濃度分布成像?；趕TDLAS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)甲烷濃度遠程測定,不會由于旋翼UAVs的下洗作用而影響氣體分布。同時,sTDLAS采集的是柱濃度,無需進行三維空間采樣。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的位置。EMRAN小組[26]利用搭載TDLAS的多旋翼UAVs進行了低空(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),實現(xiàn)了可燃?xì)怏w濃度分布實時監(jiān)測及超閾值報警。同時,該系統(tǒng)配備的影像采集模塊能夠?qū)崟r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站的甲烷泄漏率。實驗結(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行質(zhì)量平衡計算,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,同時實現(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)計數(shù)據(jù)來模擬點源順風(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算出的甲烷排放通量(23 g/s)大于質(zhì)量平衡法計算結(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軸方向的擴散(σz),通過分析同一組數(shù)據(jù)找到甲烷濃度增強與風(fēng)速之間的反比關(guān)系,以及甲烷濃度增強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/飛機遙感監(jiān)測法的有效補充,具有監(jiān)測成本低、可操控性強、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)案例處于試運營階段。我國自2021年開始部署全國碳排放監(jiān)測試點工作。生態(tài)環(huán)境部在《碳監(jiān)測評估試點工作方案》中指出,石油天然氣開采行業(yè)應(yīng)重點關(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、混合動力推進系統(tǒng)及太陽能供能系統(tǒng)等作為UAVs的動力系統(tǒng)。同時,應(yīng)注重更加輕便、低功耗UAVs組件的開發(fā)。

2)機載甲烷傳感器的監(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際風(fēng)場中的湍流,所建模型與實際風(fēng)場之間存在差異。因此,在物理上更符合實際狀況、可模擬局部小尺度大氣傳輸和擴散情況的模型算法是未來的重要研究方向之一。