高含硫氣井測(cè)試現(xiàn)場大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 敏

（中國國際能源控股有限公司四川分公司，成都 610000）

為保障天然氣能源供給，能源企業(yè)加大了高含硫氣田開發(fā)力度。高含硫氣田開發(fā)期間，完成鉆完井作業(yè)后進(jìn)行采氣生產(chǎn)前，通常需要進(jìn)行現(xiàn)場投產(chǎn)測(cè)試作業(yè)。測(cè)試作業(yè)過程中集中放噴燃燒含硫天然氣通常需要持續(xù)數(shù)小時(shí)，測(cè)試燃燒期間會(huì)產(chǎn)生較多的二氧化硫、氮氧化物、硫化氫等污染氣體，容易造成局部區(qū)域大氣污染，影響周邊生態(tài)環(huán)境，甚至導(dǎo)致人畜中毒[1]。因此，需要在測(cè)試過程中建立環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，對(duì)測(cè)試排放的氣體和周邊環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握環(huán)境中污染物的狀況，防止環(huán)境污染事故的發(fā)生[2]。

當(dāng)前，高含硫氣井測(cè)試現(xiàn)場對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)以地面固定式氣體報(bào)警儀和人工現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測(cè)為主。例如，普光氣田高含硫氣井測(cè)試現(xiàn)場大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)就主要采用地面固定式氣體報(bào)警儀和現(xiàn)場人工環(huán)境監(jiān)測(cè)[3]。鑒于硫化氫、二氧化硫等有毒有害氣體泄露或排放具有隱蔽性、突發(fā)性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)地面監(jiān)測(cè)手段很難滿足現(xiàn)場應(yīng)急需求，特別是在地形復(fù)雜的地區(qū)，由于現(xiàn)場地形限制和現(xiàn)場風(fēng)向不斷變化，人員很難第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場開展應(yīng)急監(jiān)測(cè)，而且事故現(xiàn)場對(duì)監(jiān)測(cè)人員的安全也很難保證。另外，由于現(xiàn)場氣象不斷變化，固定式監(jiān)測(cè)儀器很難準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)現(xiàn)場大氣污染擴(kuò)散范圍和最大污染濃度。因此，發(fā)展有效的現(xiàn)場監(jiān)測(cè)手段，構(gòu)建響應(yīng)迅速、高效便捷的現(xiàn)場大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是提高應(yīng)對(duì)現(xiàn)場環(huán)境污染事故能力的必然要求[4]。國內(nèi)外已有單位研制了基于無人機(jī)平臺(tái)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了便攜式監(jiān)測(cè)儀器很難及時(shí)、準(zhǔn)確進(jìn)行監(jiān)測(cè)存在的問題，但是無人機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)存在續(xù)航時(shí)間短的問題[5-7]。因此，有必要利用無人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合地面無線多點(diǎn)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)建天地一體化的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)周邊大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，這對(duì)于保障含硫氣井測(cè)試的順利進(jìn)行，防止現(xiàn)場環(huán)境污染具有重要意義。

本文結(jié)合高含硫氣井現(xiàn)場測(cè)試作業(yè)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了“天地一天化”現(xiàn)場監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，提出了體系框架并進(jìn)行了功能設(shè)計(jì)，進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 功能目標(biāo)

系統(tǒng)利用微型多旋翼無人機(jī)響應(yīng)快速、機(jī)動(dòng)性能好、操控簡便、可垂直飛行等優(yōu)勢(shì)，以無人機(jī)作為氣象及環(huán)境探測(cè)的載體，實(shí)現(xiàn)對(duì)近地面低空氣象和環(huán)境要素的定點(diǎn)、定時(shí)觀測(cè)；與地面無線大氣多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，地面無線多點(diǎn)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于北斗/GPS定位系統(tǒng)，內(nèi)置電化學(xué)傳感器，根據(jù)地面氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置在現(xiàn)場不同位置，構(gòu)建現(xiàn)場“天地一體化”的環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，形成一套信息化平臺(tái)，借助物聯(lián)網(wǎng)通信和云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收集、共享和應(yīng)用，一旦發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場大氣質(zhì)量急劇惡化，立即采取措施。利用無人機(jī)飛行平臺(tái)系統(tǒng)和地面無線多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)大氣污染物進(jìn)行實(shí)時(shí)、立體監(jiān)測(cè)，并通過地面移動(dòng)端、PC端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化，數(shù)據(jù)超標(biāo)自動(dòng)報(bào)警，自主分析污染物數(shù)據(jù)并生成監(jiān)測(cè)報(bào)告。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包括地面無線大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地面氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、無人機(jī)飛行平臺(tái)系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。地面無線大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括10～20個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)采集地面不同方位的大氣污染物濃度，包括二氧化硫、硫化氫、鹽酸、氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物等；地面氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置在測(cè)試現(xiàn)場放噴口附近，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污染源排放時(shí)氣象數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等；無人機(jī)飛行平臺(tái)搭載氣象、大氣監(jiān)測(cè)傳感器和高清相機(jī)，可以根據(jù)氣象條件實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤大氣污染物擴(kuò)散，彌補(bǔ)地面固定無線監(jiān)測(cè)點(diǎn)不足，對(duì)低空大氣污染物濃度實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)時(shí)將地面無線大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地面氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、無人機(jī)飛行平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出和分析，為現(xiàn)場測(cè)試人員提供決策依據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 地面無線多點(diǎn)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

地面無線多點(diǎn)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括多臺(tái)具有遠(yuǎn)距離無線通信功能無線復(fù)合式氣體檢測(cè)儀、1臺(tái)接收主機(jī)（便攜式多功能無線網(wǎng)關(guān)），高含硫氣井測(cè)試現(xiàn)場監(jiān)測(cè)時(shí)，根據(jù)地形、氣象、環(huán)境敏感點(diǎn)等條件布設(shè)10臺(tái)以上無線復(fù)合氣體檢測(cè)儀，布點(diǎn)主要兼顧環(huán)境敏感點(diǎn)和主導(dǎo)風(fēng)的下風(fēng)向，形成地面大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

無線復(fù)合氣體檢測(cè)儀是便攜式大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，內(nèi)置氣體采樣泵，具有無線接收、發(fā)送設(shè)備，可用電池作為工作電源，便于攜帶，快速布防和應(yīng)急處置。無線復(fù)合氣體檢測(cè)儀將GPS全球定位技術(shù)、氣體檢測(cè)技術(shù)和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)融為一體，具有高度的集成化；具有報(bào)警功能，被測(cè)氣體超標(biāo)報(bào)警，超出儀表檢測(cè)量程報(bào)警；可通過GPS系統(tǒng)提供地圖定位顯示，監(jiān)測(cè)位置一目了然；能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)更新。針對(duì)高含硫氣井測(cè)試大氣污染物特點(diǎn)，無線復(fù)合氣體檢測(cè)儀通常配置了二氧化硫、硫化氫、鹽酸、二氧化氮和一氧化碳5種電化學(xué)傳感器。

接收主機(jī)是一個(gè)高集成度的便攜式射頻調(diào)制解調(diào)器，它的主要功能為無線復(fù)合氣體檢測(cè)儀提供長距離的無線通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，無線復(fù)合氣體監(jiān)測(cè)儀對(duì)現(xiàn)場大氣污染物濃度檢測(cè)后，隨時(shí)通過無線技術(shù)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至位于3 km外的現(xiàn)場地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，并可利用無線或有線網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到位于更遠(yuǎn)的地方。

2.2 無人機(jī)飛行平臺(tái)系統(tǒng)

無人機(jī)飛行平臺(tái)系統(tǒng)與傳統(tǒng)手工監(jiān)測(cè)和地面固定傳感器監(jiān)測(cè)方法相比，具有立體監(jiān)測(cè)、響應(yīng)速度快、監(jiān)測(cè)范圍廣、地形干擾小等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)控。無人機(jī)飛行平臺(tái)集成氣體監(jiān)測(cè)模塊、云臺(tái)相機(jī)模塊、氣象監(jiān)測(cè)模塊。氣體監(jiān)測(cè)模塊集成主動(dòng)式新風(fēng)系統(tǒng)和二氧化硫、硫化氫、鹽酸、揮發(fā)性有機(jī)物、一氧化碳、二氧化氮等6種氣體傳感器，可同時(shí)對(duì)大氣中微量的污染物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，最高檢測(cè)精度達(dá)到亞納克級(jí)別；主動(dòng)式新風(fēng)系統(tǒng)讓內(nèi)置的傳感器有效接觸到外界的空氣，并保證不同運(yùn)動(dòng)速度下傳感器內(nèi)相對(duì)一致的氣體流速，提升檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與一致性。平臺(tái)搭載云臺(tái)相機(jī)1臺(tái)，可以拍攝現(xiàn)場照片和視頻，發(fā)生事故時(shí)能夠?qū)⑹鹿驶蚍艊姕y(cè)試現(xiàn)場的畫面準(zhǔn)確、及時(shí)傳送到應(yīng)急決策中心，以便迅速?zèng)Q策。平臺(tái)搭載的溫度、濕度與壓力傳感器為每一組空氣污染數(shù)據(jù)提供溫濕度與高度等信息。

2.3 地面氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

地面氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是監(jiān)測(cè)高含硫氣井測(cè)試作業(yè)放噴口地面氣象參數(shù)，為地面無線多點(diǎn)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化布點(diǎn)和無人機(jī)飛行平臺(tái)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。地面氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為便攜式小型氣象儀，集成有風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓等5中氣象參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置，搭載無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，現(xiàn)場地面氣象數(shù)據(jù)可以通過無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)接收系統(tǒng)。

2.4 地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)

地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)是一個(gè)集成可視化與分析軟件，可以實(shí)時(shí)將地面無線多點(diǎn)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、無人機(jī)飛行平臺(tái)系統(tǒng)、地面氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化和統(tǒng)計(jì)分析，顯示遠(yuǎn)端設(shè)備狀態(tài)信息、讀數(shù)和報(bào)警，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、打印。系統(tǒng)可對(duì)無人機(jī)飛行平臺(tái)采集的氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、直觀的可視化分析，生成傳感器讀數(shù)變曲線圖、2D格柵化氣體分布圖、2D等高線氣體分布圖、3D點(diǎn)云氣體分布圖、3D氣體分布直方圖等多種可視化圖像，從而精確形象地獲得污染物數(shù)據(jù)。系統(tǒng)同時(shí)集成免費(fèi)的谷歌地圖，將地面無線多點(diǎn)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各復(fù)合氣田檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)形象地展示在地圖上，可生成地面污染物濃度等值線分布圖、監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物變化曲線圖。系統(tǒng)收集的氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)顯示氣象數(shù)據(jù)變化，生成氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表和風(fēng)向玫瑰圖等。

3 應(yīng)用案例

某高含硫氣井位于四川東部山區(qū)，地形復(fù)雜，為測(cè)試該井天然氣產(chǎn)量，需要進(jìn)行為期3 d的放噴點(diǎn)火測(cè)試，由于天然氣中含有硫化氫有毒氣體，天然氣放噴燃燒后生成二氧化硫等污染物，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大。企業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)人員利用本系統(tǒng)開展放噴測(cè)試期間現(xiàn)場大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場按照地面氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)和環(huán)境敏感點(diǎn)的分布，布設(shè)了一套地面大氣無線多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，共計(jì)20個(gè)復(fù)合氣體檢測(cè)儀，并配置了一套無人機(jī)飛行平臺(tái)。正常情況下，地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)將現(xiàn)場20個(gè)無線復(fù)合氣體檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和地面氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示給現(xiàn)場監(jiān)測(cè)人員。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，比如某點(diǎn)數(shù)據(jù)超標(biāo)報(bào)警、數(shù)據(jù)不斷升高或風(fēng)向等氣象條件發(fā)生顯著變化，無人機(jī)飛行平臺(tái)起飛，對(duì)異常點(diǎn)位上空進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過飛行軌跡控制巡航，確定大氣污染范圍和最高污染濃度，并將環(huán)境敏感點(diǎn)視頻傳回監(jiān)測(cè)人員值班室。當(dāng)超過預(yù)警值時(shí)，及時(shí)提醒工程人員停止施工或采取其他減少污染的措施。本系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場空氣質(zhì)量進(jìn)行了準(zhǔn)確測(cè)定和預(yù)警，確保了測(cè)試工作的正常進(jìn)行，避免了環(huán)境污染事故的發(fā)生。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)通過應(yīng)用基本實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場大氣環(huán)境實(shí)時(shí)、立體監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能。與傳統(tǒng)手工監(jiān)測(cè)相比，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)快速、成本低，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)定位、數(shù)據(jù)無線傳輸，數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可視化，確定了污染物的擴(kuò)散濃度和范圍，便于環(huán)境監(jiān)測(cè)人員清楚地了解現(xiàn)場污染情況，提醒工程人員及時(shí)做出相應(yīng)的解決方案。將地面無線多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地面氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和無人機(jī)飛行平臺(tái)系統(tǒng)集成并應(yīng)用于高含硫氣井測(cè)試現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測(cè)是一個(gè)新的嘗試，具有較好的應(yīng)用前景，但現(xiàn)在還沒有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)只能用于內(nèi)部環(huán)境控制，不能直接用于執(zhí)法。天地一體化的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高含硫氣井測(cè)試現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中顯示出較好的應(yīng)用前景，未來增加搭載遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)、紅外成像監(jiān)測(cè)技術(shù)等新技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)有更廣闊的發(fā)展前景。