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海底冷泉渗漏气体流量计原位在线测量技术研究

时间:2018/05/18来源:未知

    要:海底冷泉渗漏气体原位在线测量装置是采用体积排空法的原理测定海底冷泉天然气渗漏通量。原位在线测量装置是由气体流量收集测定系统、数据存储控制系统和数据提取、分析、处理App系统组成。气体流量收集测定系统用来测定冷泉天然气渗漏通量, 数据存储控制系统用来存储数据和控制电磁阀的打开与关闭, 数据提取、分析、处理件系统用来读取、分析、处理存储的流量数据和设置原位在线测量装置的运行时间。通过实验测试获得了原位在线测量装置的各项参数, 其流速测定范围为0—15300mL.min 1, 测量误差为±1%, 为研究海底冷泉天然气渗漏流量变化提供了新的技术和方法。

海底冷泉天然气渗漏系统是全球海洋环境中广泛分布的自然现象, 在全球几乎所有的大陆边缘都有发育[1-2]。据估计全球海洋环境发育有900多处海底冷泉活动区, 每年释放到大气中的甲烷等烃类气体约为0.4×1012—12.2×1012g, 是重要的大气甲烷自然源之一[1-3]。甲烷是一种强温室效应气体, 其效应是相同质量二氧化碳的20倍以上[4], 如此巨大数量的甲烷释放将是全球变化的重要影响因子。

近十几年来, 国外已经开展并采用多项测量技术对海底冷泉渗漏系统进行流体流量测量。Cable等[5]在1997年用带有进气与排气阀门的塑料气袋测量了墨西哥湾西北近岸浅水区域渗漏气体量。Roberts等[6]于1998年采用定量容积装置成功测量了墨西哥湾Bush Hill的天然气渗漏系统的天然气释放量。2001年, Libe等[7]采用漂浮式气体收集器测量从海底上升到海水表层的天然气量。Leifer等[8-9]自2005年采用自行研制涡轮渗漏帐篷 (turbine seep-tent) 对水合物脊和墨西哥湾等典型冷泉渗漏区进行渗漏气体流量测定, 涡轮渗漏帐篷适宜在渗漏流量大的情况下使用。Greinert等[10-11]在2004年通过检测由换能器 (40k Hz和300k Hz) 向水平方向发射单束超声波形成回波强度获得气泡流量, 其后在2008年采用由21个单元组成、波束角为63度、频率180k Hz的水声阵列观测海底冷泉渗漏的二维分布。Nikolovska等[12]于2006年采用水听器记录气体流经收集器上方的声音信号并用小波分析方法处理该信号来估计气体流量。Roberts等[13]利用甲烷强烈吸取短波红外线的特性于2010年采用遥测红外成像光谱数据估算甲烷释放到海表面的量。Deimling等[14]于2010年采用多波束水声扫描声呐[15]观测海底冷泉渗漏随海流的时空变化, 获取渗漏区天然气释放的三维动态分布。此外, 李灿苹等[16]从理论上开展了对含天然气气泡的海水水体声速计算分析研究。龙建军等[17]开展了从透射声波角度讨论用声波参数 (声波振幅) 来测量海底冷泉渗漏甲烷渗漏流量的初步研究。

我国南海北部的莺歌海盆地、琼东南盆地、台西南盆地、白云凹陷、西沙海槽等海域发现了众多的海底冷泉[18-28], 已经在41个站位采集到冷泉活动形成的碳酸盐岩沉积[24,26-27,29-32], 但对于南海北部冷泉活动的特征和释放气体的量至今未见报导。因此, 本文的目的是对海底冷泉天然气渗漏原位在线流量测量 (简称原位在线测量装置) 的方法进行了研究, 并开展了实验室内装置测定的初步研究, 为海底冷泉释放气体的流体测定提供理论基础。

1 测量原理及装置组成

1.1 测量原理

原位在线测量装置主要是由气体流量收集测定系统、数据存储控制系统、数据提取、分析、处理件系统及其他探测设备 (如甲烷传感器、温盐深仪) 组成 (图1) 。其工作过程为:1) 海底冷泉天然气渗漏在线原位观测装置放置在海底冷泉渗漏点处, 从冷泉渗漏口冒出的天然气气泡进入到与海底密闭的圆锥渗漏帐篷罩内, 天然气气泡穿过气泡破碎网格形成半径较小且大小相等气泡;2) 气泡随后进入到气体收集室中, 使气体收集室中的水面不断下降, 当液面下降至液位传感器探头2时, 控制系统会控制电磁阀门打开, 让收集到的气体瞬间被排空, 同时数据存储器上记录并存储电磁阀打开的时间;3) 气体排空后气体收集室瞬间充满海水, 当液面上升至液位传感器探头1时, 控制系统控制电磁阀关闭, 重新开始下一次集气。依据数据存储器记录的电磁阀打开的总次数, 可以得知天然气总渗漏流量, 而数据存储器记录的天然气总渗漏时间, 可以得知平均天然气流量值。

图1 海底冷泉天然气渗漏原位在线测量装置结构示意图Fig.1 Schematic diagram of in situ on-line measuring device of gas flux at marine seeping sites

图1 海底冷泉天然气渗漏原位在线测量装置结构示意图Fig.1 Schematic diagram of in situ on-line measuring device of gas flux at marine seeping sites 

 

1.2 原位在线测量装置的组成

1.2.1 气体流量收集测定系统

气体流量收集测定系统是由流量测量仪、圆锥渗漏帐篷罩、气泡破碎网格3个部分组成 (图1) 。圆锥渗漏帐篷罩用于收集从冷泉渗漏口冒出的气泡, 气泡破碎网格主要是使上升进入气体收集室的气泡大小均匀。流量测量仪是由气体收集室、上下2个液位探头的液位传感器、电磁阀3个部分组成。

流量测量仪中气体收集室体积是一个关键参数大家采用以下2种方法对其体积进行了标定:1) 测定液位传感器输出信号时气体收集室内充气所排出水的体积, 测定的体积约为1277.1m L;2) 倒置法, 测定液位传感器输出信号时收集室中水的体积, 测定水的体积约为1349.5m L。由于液位传感器的探头可以上下移动, 在气体收集室正放和倒置时, 液面在探头2的位置不同, 倒置法测定水的体积比实际的气体体积要大, 校正后气体收集室的体积约为1273.3m L。2种方法标定的气体收集室体积平均为1275m L, 误差约为0.1%。

1.2.2 数据存储控制系统

气体流量测量装置的数据控制存储系统主要由主控模块、驱动模块、存储模块3部分组成 (图2) 。主控模块采用美国德州仪器企业 (TI) 的16位超低功耗单片机设计, 用于采集气体收集室内液面移至液位传感器探头时液位传感器输出的信号, 同时把采集的信号传输给驱动模块和存储模块, 并且数据分析、处理App可以通过主控模块读取存储模块内的数据。存储模块采用Atmel企业的64Mbits Data Flash进电路设计, 用来接收主控模块输出的信号, 并将电磁阀打开的时间和累积气体流量存储至存储芯片内。驱动模块采用晶体管电路设计, 用来接收主控模块输出的信号并驱动电磁阀的打开与关闭。

图2 原位在线测量装置的存储控制系统Fig.2 Data storage-and-control system of the in situ on-line measuring device

图2 原位在线测量装置的存储控制系统Fig.2 Data storage-and-control system of the in situ on-line measuring device 

 

1.2.3 数据分析、处理App系统

原位在线测量装置的数据提取、分析、处理App系统主要采用Lab VIEW程序编写, 用于读取、分析、处理存储的流量数据和设定原位在线测量装置的运行参数 (如当前时间、运行开始时间和结束时间) 。该App不仅能够读取存储在数据存储系统中的流量数据, 同时也可以实时显示采集到的数据及流量变化曲线, 并保存为相应格式文件。此外, App还能够查询任意时刻以及任意时间段的流量变化, 显示单位时间的流量变化曲线和累积流量变化曲线等。

2 实验测试与误差分析

确定原位在线测量装置在不同流量速率下的流量误差对于准确测定冷泉渗漏区天然气渗漏通量至关重要。装置的流量误差是通过对比气体经气体质量流量计和原位在线测量装置的流量而获得。将测量装置放在水池中, 高压气瓶中的气体通过气体质量流量计后, 进入水下的原位在线测量装置, 记录气体质量流量计的流量, 与原位在线测量装置测定的数据进行对比, 从而获得其误差 (图3) 。

图3 原位在线测量装置流量校正示意图Fig.3 Schematic diagram of flux modification of the in situ on-line measuring device

图3 原位在线测量装置流量校正示意图Fig.3 Schematic diagram of flux modification of the in situ on-line measuring device

 

2.1 原位在线测量装置的流速测定范围

原位在线测量装置的流速范围是通过测定电磁阀打开和关闭的响应时间和集气室的体积大小而确定。通过实验测定确定电磁阀打开和关闭的***短响应时间为5s, 也就是说气体流量充满气体集气室的时间不能小于5s, 目前的气体集气室的体积为1275m L, ***大的测定流量为1275m L×60/5=15300m L·min-1。由此可见测量的***大范围可依集气室大小来调节。

2.2 原位在线测量装置的相对误差

原位在线测量装置的相对误差实验 (见图4) 是在室温25℃的实验室内进行, 是通过对比在不同流速下, 空气流过气体质量流量计和原位在线测量装置的流量值而确定的。所使用的气体质量流量计的体积流量范围为0—200m L·min-1, 与气体流量对应的流量检测输出的电压范围为0—5V, 准确度±1% (气体质量流量计的瞬时流量速率越快, 其准确度越高) 。由于质量流量计是用纯N2标定的, 因此测定实际的空气流量值需要进行校正, 即V空气流量值=V测量值×1.006。

气体质量流量计分别以瞬间流量50、100、150和200mL·min-1进行流量测量对比实验, 图4是在不同瞬时流速时, 气体质量流量计和原位在线测量装置的累计流量对比结果。当气体质量流量计的瞬间流量为50mL·min-1时, 单次集气间隔平均为1570s, 时间误差为±3%, 流量误差达到±3.5%, 气体质量流量计与原位在线测量装置的累计流量越大, 其误差就越大 (图4a) 。当气体质量流量计的瞬间流量为100mL·min-1时, 单次集气间隔平均为761s, 时间误差为±3%, 流量误差达到±1%, 气体质量流量计与原位在线测量装置的累计流量近似相等 (图4b) 。当气体质量流量计的瞬间流量为150mL·min-1时, 单次集气间隔为501s, 时间误差为±1%, 流量测定误差***大为±1%, 气体质量流量计与原位在线测量装置的累计流量近似相等 (图4c) 。当气体质量流量计的瞬间流量为200mL·min-1时, 单次集气间隔平均为384s, 时间误差为±1%流量测定误差为±0.6%, 气体质量流量计与原位在线测量装置的累计流量近似相等 (图4d) 。由此可知质量流量计的瞬时流量速率越大时, 流量测量的误差就越小。原位在线测量装置的测量误差在理论上与气体流速大小无关。因此, 这可能与购买的气体质量流量计本身的性质有关, 即气体质量流量计的瞬间流量速率越大, 准确度就越高。当在气体质量流量计的同一瞬时流量时, 累计流量越大, 其误差就越小。此外与测量的气体收集室收集的气体体积误差有关。

图4 气体质量流量计瞬时流量为50 (a) 、100 (b) 、150 (c) 、200m L·min-1 (d) 时和原位在线测量装置的流量对比结果Fig.4 Comparison of flux results between mass-flow gas meter and in situ on-line measuring device at different instantaneous velocity of flow

图4 气体质量流量计瞬时流量为50 (a) 、100 (b) 、150 (c) 、200m L·min-1 (d) 时和原位在线测量装置的流量对比结果Fig.4 Comparison of flux results between mass-flow gas meter and in situ on-line measuring device at different instantaneous velocity of flow  

 

3 结论

海底冷泉天然气渗漏系统原位在线测量装置是采用体积排空法的原理测定, 依据其原理可知, 总天然气渗漏体积流量与排空次数和装置的容积呈正比关系。原位在线测量装置是由气体流量收集测定系统、数据存储控制系统、数据提取、分析、处理件系统组成。通过实验测试获取了原位在线测量装置的各项参数, 流量测定范围为0—15300m L·min-1, 收集室内气体收集的***短响应时间不能小于5s, 相对测量误差为±1%。原位在线观测装置的研制为研究冷泉天然气渗漏系统的天然气渗漏流量变化提供了新的技术和方法。


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