【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及水電站溫室氣體排放監測技術，具體涉及監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備及其使用方法。
技術介紹
1、水庫-電站系統的溫室氣體排放是全球溫室氣體排放的重要環節，加強水電站溫室氣體監測有利于加強對各種水庫和水電站全生命期的溫室氣體排放機理、規律和排放量的認識，目前主流的溫室氣體監測技術是借助光譜學技術實現溫室氣體濃度在不同時間、空間、距離下的非接觸定量反演，在水電站運行過程中，水體下泄會產生大量的水流和伴隨的水汽，這些水流和水汽中往往夾帶著溫室氣體，如二氧化碳(co2)、甲烷(ch4)和氧化亞氮(n2o)等，目前，對于泄流條件下水中溫室氣體排放的研究還較為缺乏，多數將水庫視為一個整體，通過上下游控制斷面進行估算排放的溫室氣體，對水體下泄過程中釋放的溫室氣體缺少監測手段。
2、為了準確監測水體下泄過程中釋放的溫室氣體的排放情況，需要采用高精度、高靈敏度的監測設備，傳統的溫室氣體監測方法主要依賴于光學吸收光譜技術，如可調諧二極管激光吸收光譜(tdlas)和腔衰蕩光譜(crds)等，但由于水汽會吸收部分激光能量，導致現有的監測技術在面對水電站下泄水流中的水汽干擾時，往往難以準確測量溫室氣體的濃度，使得測量結果與實際值存在一定的偏差。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是提供監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備及其使用方法，以解決現有技術中對水體下泄過程中釋放的溫室氣體缺少監測手段，以及水體泄流過程中會產生大量水汽，水汽的存在會影響對溫室氣體排放濃度測量的準確性，導
2、為了實現上述目的，本專利技術提供如下技術方案：監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備，包括兩個光譜儀和兩個絕熱外殼，光譜儀包括激光器、模場匹配光學系統、腔室、兩個反光鏡、光電探測器、恒溫加熱器和衰蕩信號采集卡；
3、兩個反光鏡分別設置于腔室的內腔兩側，兩個反光鏡之間構成光腔，光腔為衰蕩腔，激光器用于產生脈沖激光束并將其產生的脈沖激光束耦合進入光腔內，模場匹配光學系統用于將激光器產生的脈沖激光束進行模式匹配；
4、腔室上設置有進氣口和出氣口，進氣口和出氣口均與光腔相連通，恒溫加熱器用于保持光腔內的溫度恒定，兩個絕熱外殼分別包裹兩個光譜儀并將兩個光譜儀與外部環境隔離，還包括：數據存儲器、數據發送器、開敞盒子和封閉盒子；
5、兩個光譜儀分別設置于開敞盒子和封閉盒子內部，開敞盒子和封閉盒子內部均設置有用于監測開敞盒子和封閉盒子內部環境濕度的濕度儀，封閉盒子內部還設置有用于向封閉盒子內部補充水汽的加濕器；
6、光電探測器用于檢測光腔內的光強信號并將光腔內的激光衰減過程記錄至衰蕩信號采集卡內，數據存儲器用于存儲衰蕩信號采集卡所記錄的測量數據，數據發送器用于將存儲于數據存儲器中的測量數據實時發送至外部終端。
7、進一步地，激光器能夠向光腔內注入三種不同波長的激光，分別對應co2、ch4和n2o的強吸收帶。
8、進一步地，模場匹配光學系統能夠在激光器發出的激光進入衰蕩腔前，完成激光器的激光模式與衰蕩腔模式的匹配。
9、進一步地，反光鏡的反射率大于99.99％。
10、進一步地，加濕器能夠根據兩個濕度儀所監測到的濕度數據向封閉盒子內部補充水汽并保持封閉盒子內部的濕度與開敞盒子內部的濕度一致。
11、監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備的使用方法，適用于上述所述的監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備，包括以下步驟：
12、s1、向開敞盒子內注入待檢測的目標氣體，待目標氣體充滿開敞盒子內的腔室后，通過開敞盒子內的激光器依次向光腔內注入三種不同波長的激光，對應co2、ch4和n2o的強吸收帶；
13、s2、測量并記錄此時光強信號的衰蕩時間，計算三種不同波長的脈沖激光信號下的衰蕩時間，開敞盒子中co2、ch4和n2o的衰蕩時間依次記為τ1、τ2、τ3；
14、s3、通過開敞盒子和封閉盒子內的濕度儀分別檢測開敞盒子和封閉盒子內的環境濕度，并通過封閉盒子內的加濕器調整封閉盒子中的水汽濃度，直至封閉盒子與開敞盒子內的環境濕度一致；
15、s4、在封閉盒子和開敞盒子內的水汽濃度一致的情況下，通過封閉盒子中的激光器向封閉盒子內的腔室內依次注入與步驟s1中相同的脈沖激光，測量并記錄此時光強信號的衰蕩時間，計算三種不同波長的脈沖激光信號下的衰蕩時間，封閉盒子中co2、ch4和n2o的衰蕩時間依次記為τ'1、τ′2、τ′3；
16、s5、利用封閉盒子中co2、ch4和n2o的衰蕩時間對開敞盒子中co2、ch4和n2o的衰蕩時間進行校正和補償，根據公式：δτ＝τ'-τ，計算得到目標氣體中co2、ch4和n2o的實際衰蕩時間δτ1、δτ2和δτ3；
17、s6、根據目標氣體中co2、ch4和n2o的實際衰蕩時間，并結合朗伯比爾定律利用下式進行氣體濃度計算：
18、
19、其中，c是目標氣體濃度，α是目標氣體的吸收系數，σ是目標氣體的吸收截面面積，c是真空中的光速，τ是目標氣體充滿腔體時的光強衰蕩時間，τ0是真空狀態下的空腔衰蕩時間，根據計算結果得到co2、ch4和n2o的濃度分別記為c1、c2和c3；
20、s7、測量水體下泄開始前大氣環境中目標氣體的初始濃度c”以及水體下泄開始后目標氣體濃度c'，水體下泄開始后目標氣體濃度c'與水體下泄開始前大氣環境中目標氣體濃度c”的差值δc為水體下泄過程中所釋放的溫室氣體濃度；
21、s8、記錄水體下泄開始到監測設備開始測量的時間t，結合現場下泄水體單位時間內的流量q，計算時間段t內的總流量q0，q0＝qt，計算監測設備的測量范圍內的總過水流量q：
22、
23、其中，l為衰蕩腔長度，w為下泄水流過流斷面寬度；
24、再根據公式：
25、
26、計算得到水體下泄過程中單位流量的co2、ch4和n2o的排放濃度n1、n2、n3。
27、進一步地，對應co2、ch4和n2o的強吸收光帶的脈沖激光波長依次為14.7微米、1.65微米和3.94微米。
28、進一步地，光電探測器檢測出射光強能量衰減至入射光強能量的e-1時所經歷的時間為衰蕩時間。
29、進一步地，步驟s1和步驟s4中測量并記錄此時光強信號的衰蕩時間，計算三種不同波長的脈沖激光信號下的衰蕩時間，均包括以下步驟：
30、通過光電探測器檢測腔室中的光強信號，并將光腔中激光的衰減過程記錄至衰蕩信號采集卡，數據存儲器獲取衰蕩信號采集卡所采集的衰蕩信號數據并記錄后，由數據發送器將光腔衰蕩信號數據發送至終端，根據光電探測器檢測出射光強能量衰減至入射光強能量的e-1時所經歷的時間為衰蕩時間，計算得到衰蕩時間。
31、進一步地，τ0由以下公式計算得到：
32、
33、其中，l是光腔長度，本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備，包括兩個光譜儀和兩個絕熱外殼(11)，光譜儀包括激光器(3)、模場匹配光學系統(4)、腔室(6)、兩個反光鏡(7)、光電探測器(9)、恒溫加熱器(10)和衰蕩信號采集卡(12)；
2.根據權利要求1所述的監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備，其特征在于，激光器(3)能夠向光腔內注入三種不同波長的激光，分別對應CO2、CH4和N2O的強吸收帶。
3.根據權利要求1所述的監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備，其特征在于，模場匹配光學系統(4)能夠在激光器(3)發出的激光進入衰蕩腔前，完成激光器(3)的激光模式與衰蕩腔模式的匹配。
4.根據權利要求1所述的監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備，其特征在于，反光鏡(7)的反射率大于99.99％。
5.根據權利要求1所述的監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備，其特征在于，加濕器(2)能夠根據兩個濕度儀(1)所監測到的濕度數據向封閉盒子(16)內部補充水汽并保持封閉盒子(16)內部的濕度與開敞盒子(15)內部的濕度一致。
6.監測水電站下泄水
7.根據權利要求6所述的監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備的使用方法，其特征在于，對應CO2、CH4和N2O的強吸收光帶的脈沖激光波長依次為14.7微米、1.65微米和3.94微米。
8.根據權利要求6所述的監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備的使用方法，其特征在于，光電探測器(9)檢測出射光強能量衰減至入射光強能量的e-1時所經歷的時間為衰蕩時間。
9.根據權利要求8所述的監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備的使用方法，其特征在于，步驟S1和步驟S4中測量并記錄此時光強信號的衰蕩時間，計算三種不同波長的脈沖激光信號下的衰蕩時間，均包括以下步驟：
10.根據權利要求6所述的監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備的使用方法，其特征在于，τ0由以下公式計算得到：
...【技術特征摘要】
1.監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備，包括兩個光譜儀和兩個絕熱外殼(11)，光譜儀包括激光器(3)、模場匹配光學系統(4)、腔室(6)、兩個反光鏡(7)、光電探測器(9)、恒溫加熱器(10)和衰蕩信號采集卡(12)；
2.根據權利要求1所述的監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備，其特征在于，激光器(3)能夠向光腔內注入三種不同波長的激光，分別對應co2、ch4和n2o的強吸收帶。
3.根據權利要求1所述的監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備，其特征在于，模場匹配光學系統(4)能夠在激光器(3)發出的激光進入衰蕩腔前，完成激光器(3)的激光模式與衰蕩腔模式的匹配。
4.根據權利要求1所述的監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備，其特征在于，反光鏡(7)的反射率大于99.99％。
5.根據權利要求1所述的監測水電站下泄水流氣體排放的監測設備，其特征在于，加濕器(2)能夠根據兩個濕度儀(1)所監測到的濕度數據向封閉盒子(16)內部補充水汽并保持封閉盒子(16)內部的...
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳剛，馬芳平，彭放，曾勇，
申請(專利權)人：國能大渡河流域水電開發有限公司，
類型：發明
國別省市：
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