一种基于TDLAS的甲烷泄漏区域浓度场智能重构方法与流程

本发明属气体监测领域，具体涉及一种基于可调谐半导体激光吸收光谱(tdlas)技术的的甲烷泄漏区域智能识别与浓度场重构方法。

背景技术：

1、天然气主要成分为甲烷，具有易燃易爆的特性，在生产、贮运和使用过程中极易因泄漏引发火灾、爆炸事故。一旦发生爆炸事故，往往造成重大的人员伤亡与巨大的财产损失。由于天然气贮罐、场站及输送管网集中区域内存在多个可能的泄漏点，如采用传统的手持vocs检测方法或在某些固定点安装浓度传感器，数量不足时可能导致漏检，数量过多时又会增加没入成本，且浓度传感器到底布置在哪里，布置多少合适，传感器靠近设备布设时如何保证本质安全性，均会存在一系列问题。因此在远离设备的位置安装类似tdlas技术的甲烷泄漏区域性扫查系统，实时监测场景内可能发生的泄漏状况，预测甲烷泄漏后的影响范围、快速重构泄漏区域甲烷浓度分布，对于保障天然气输储设施的安全以及应急处置十分重要。

2、目前，常采用的可燃气体传感器、红外吸收式传感器、半导体式传感器、火焰离子化传感器均采用接触式测量，通常在固定位置安装或采用手持探测，测量范围无法覆盖整个罐区；超声波气体检测仪易受环境噪音影响出现误报警，对微量泄漏出现的微小声音也无法准确探测识别。分布式光纤更适用于管道泄漏监测和定位，通常需与管道同步敷设施工。红外热像仪能探测到甲烷泄漏、获得扩散气体的大致形貌，无法知晓泄漏范围离传感器的实际距离和影响范围大小，且设备成本较高(单台设备约为100万元)。

3、激光甲烷遥测仪基于可调谐半导体激光吸收光谱(tdlas)技术设计，具有检测距离远、稳定性和重复性好，维护成本低等优势。常规的监测场合，遥测仪与摄像机配合使用，当遥测仪发现泄漏时，摄像机拍摄现场图像上传计算机实现甲烷泄漏预警，但这种监测方式无法获得泄漏区域与传感器的距离，也无法预测甲烷泄漏区域大小、形状以及浓度分布。

4、山西迅潮科技有限公司的“基于tdlas及云台的多端集控联动精准检漏方法和系统”(专利号：zl202211629328.0)、新地能源工程技术有限公司的“一种使用激光遥测甲烷测试仪对泄漏点精准定位的方法”(专利号：201910899098.1)，利用激光甲烷遥测仪实现了罐区甲烷泄漏监测和泄漏点的定位，但将泄漏点理想化，认为泄漏点周围没有干扰检测的甲烷气体存在。实际上甲烷泄漏后扩散的气团将严重影响遥测仪的检测，使其无法准确确定具体泄漏点。

5、东北石油大学的“天然气站场甲烷泄漏激光扫描层析浓度场重建系统及方法”(申请号：202210019100.3)，只能重现龙门架范围内网格空间的甲烷泄漏源浓度分布图，监测范围小，且现场需架设龙门架，使用成本高。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种基于tdlas的甲烷泄漏区域浓度场智能重构方法，其利用两台激光甲烷遥测仪共同扫描，实现甲烷泄漏区域识别与浓度场重构方法，当泄漏事故发生后能实时预测甲烷泄漏影响范围，快速重构浓度分布，掌握扩散现场气体浓度分布数据，为甲烷泄漏后的安全预警和事故应急处置提供精准的数据支持。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种基于tdlas的甲烷泄漏区域浓度场智能重构方法，在甲烷泄漏区域同一高度平面内，通过两台激光甲烷遥测仪360°周向扫描获得甲烷泄漏区域外轮廓的四条外切直线，通过侦测数值和解析几何获得泄漏范围的外轮廓圆方程，以及泄漏范围内甲烷的浓度分布函数。改变高度以同样方法逐层扫描，直至某高度上无法检测到甲烷泄漏后，整合各高度平面内甲烷泄漏的外轮廓方程及浓度分布函数，重构该处甲烷泄漏的三维外轮廓影响范围及内部甲烷气体浓度分布。

4、具体来说，包括以下步骤：

5、步骤s1.在泄漏区域附近z＝zi(i＝1,2,3...n)的平面内，相隔直线距离mi的两点ai、bi设置两台激光甲烷遥测仪1号和2号，以ai为坐标原点，aibi连线为xi轴正向，根据右手法则建立xiaiyi平面直角坐标系；

6、步骤s2.1号和2号遥测仪从xi轴正向开始，分别沿逆时针方向在水平面内进行360°扫查，当两台遥测仪示数首次超过阈值时，分别记录1号和2号遥测仪当前的转动角度α1i、α2i，继续转动扫描直至1号和2号遥测仪示数首次低于阈值时，记录当前转动角度β1i、β2i。

7、步骤s3.在z＝zi水平面内，根据点ai和点bi坐标，转动角度α1i、α2i、β1i、β2i,得到泄漏范围等浓度线的外轮廓圆(泄漏圆)方程：

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9、其中oi(xoi,yoi)圆心坐标，ri为圆的半径

10、

11、

12、

13、步骤s4.以圆心oi(xoi,yoi)为原点，ai到oi连线为xi′横轴正向，根据右手法则建立xi'oiyi'的局部坐标系。假定甲烷浓度在泄漏圆中心最高，边缘为0，圆心轴对称，沿半径方向单调递减。

14、若z＝zi水平高度内，气体浓度沿径向服从线性分布，则泄漏圆区域内任意一点p(xi′,yi′)处的甲烷浓度分布函数为c(xi′，yi′)：

15、

16、若z＝zi水平高度内，气体浓度沿径向服从高斯分布，则泄漏圆区域内任意一点p(xi′,yi′)处的甲烷浓度分布函数为c(xi′，yi′)：

17、

18、步骤s5.通过将xi′oiyi′局部坐标系中的位置转换为xiaiyi坐标系里的位置，式中ai＝xoi,bi＝yoi。

19、步骤s6.获得z＝zi水平面内的甲烷泄漏圆方程和内部浓度分布函数后，将两台遥测仪高度升至zi+1高度，再次执行s1～s5，直至上升高度的水平面内激光甲烷遥测仪示数始终低于阈值。最终根据各高度平面甲烷泄漏圆方程和内部浓度分布函数，可重构该处甲烷泄漏的空间影响范围和浓度分布。

20、两台甲烷遥测仪在高度方向的位置变化，可由无人机搭载甲烷遥测仪实现，也可由具备自动控制功能的升降台搭载甲烷遥测仪实现。

21、当甲烷泄漏扩散的影响范围在水平面内不近似为圆形时，可同时采用n(n≥3)台甲烷遥测仪进行扫描，获得影响范围外轮廓的2n条外切线，采用彭赛列闭合定理确定甲烷泄漏在水平面的外轮廓线方程。有益效果：本发明的优点和积极效果在于：

22、(1)本发明公开了一种基于tdlas的甲烷泄漏区域浓度场智能重构方法。在甲烷泄漏区域同一高度平面内，通过两台激光甲烷遥测仪360°周向扫描获得甲烷泄漏区域外轮廓的四条外切直线，通过侦测数值和解析几何获得泄漏范围的外轮廓圆方程，以及泄漏范围内甲烷的浓度分布函数。改变高度以同样方法逐层扫描，直至某高度上无法检测到甲烷泄漏后，整合各高度平面内甲烷泄漏的外轮廓方程及浓度分布函数，重构该处甲烷泄漏的三维外轮廓影响范围及内部甲烷气体浓度分布。本方法适用于微风环境中，甲烷泄漏扩散的影响范围在水平面内近似圆形的情况。相比红外泄漏成像方法，本发明的成本显著降低；相比传统tdlas方法，本发明可实时预测甲烷泄漏的影响范围、重构浓度分布，智能化、可视化程度高，能为天然气存储罐区、场站及输气管线气体泄漏后的安全预警和应急救援提供高效精准的技术支持。

23、(2)经济成本低。相比红外泄漏成像监测方法，其单台监测设备成本约为100万元，本方法仅需两台激光甲烷遥测仪就能实现(硬件成本仅为20万元左右)，成本显著降低。

24、(3)智能化、可视化程度高。传统tdlas监测方法只能实现泄漏的监测，无法获得泄漏区域与传感器的距离，也无法得到甲烷泄漏区域大小、形状以及浓度分布等数据。相比而言，本方法可在甲烷泄漏发生后，在计算机上实时预测甲烷泄漏影响范围、重构泄漏区域浓度分布，智能化、可视化程度更高。