煤炭开采领域温室气体实时监测计量方法以及监测系统与流程

1.本发明涉及温室气体实时监测的技术领域，尤其是一种煤炭开采领域温室气体实时监测计量方法以及监测系统。


背景技术：

2.当前，全球正发生着以变暖为主要特征的气候变化，并已成为世界各国共同面临的危机和挑战。低碳经济是减少温室气体排放，应对全球变暖的最佳经济模式，监测碳排放是推进低碳经济实施的技术手段之一。2021年9月，生态环境部发布了《碳监测评估试点工作方案》，选择火电、钢铁、石油天然气开采、煤炭开采领域和废弃物处理五类重点行业开展温室气体试点监测，力争在2022年底建立碳监测评估技术方法体系，发挥示范效应，为应对气候变化工作提供监测支撑。
3.对于煤炭开采领域来说，在开采过程中会产生一定量的甲烷(ch4)气体，甲烷随着风流经回风井排至大气中，由此增加了温室气体的排放量。目前煤炭企业并没有建立一套行之有效的温室气体实时监测计量方法和系统，因此准确计量并长期动态追踪煤炭企业温室气体的排放量已经迫在眉睫。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
5.为此，本发明提出一种煤炭开采领域温室气体实时监测计量方法以及监测系统，具有实现煤矿温室气体精准监测的优点。
6.根据本发明实施例的煤炭开采领域温室气体实时监测计量方法，包括以下步骤：
7.第1步骤、甲烷监测测点选择：测点个数确定和测点位置确定；
8.第2步骤、甲烷监测设备安装：设备类型选择和设备安装位置确定；
9.第3步骤、甲烷风排量计算：首先计算出最小单位时刻甲烷排放量，而后累加就可以得到一段时间内甲烷排放量。
10.根据本发明实施例的煤炭开采领域温室气体实时监测系统，包括感知层、数据传输层和平台应用层；所述感知层用于感测风速、甲烷浓度、绝压和温度；数据传输层将感测的环境信息传输至平台应用层。
11.本发明的有益效果是，首先建立了一套煤矿温室气体监测方法及系统，填补了煤矿温室气体监测的空白，推动了碳排放监测体系建设，为应对气候变化提供依据；其次监测计算方法采用先计算每分钟甲烷风排量，而后通过累加的方式计算一天、一个月、一年的甲烷风排量，最大可能避免了因计算产生的误差，实现了煤矿温室气体的精准监测；最后通过客户端可以查询、导出煤矿实时甲烷风排量以及一段时间内甲烷累计风排量，满足了温室气体监测需求。
12.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述测点个数依据回风立井的数量，当有n个回风立井，且n是大于等于1的正整数，则就有n个测点，测点位置与回风大巷的测风站位
置重合。
13.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述设备类型包括测风设备、测甲烷浓度设备、测压设备和测温设备。
14.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述测风设备为风速传感器，所述风速传感器为超声波风速传感器或压差式风速传感器中的任意一种。
15.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述测甲烷浓度设备为甲烷传感器，所述甲烷传感器为催化燃烧式甲烷传感器或激光甲烷传感器中的任意一种。
16.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述测压设备为仅感测绝压的绝压传感器，或者，测压设备为能够同时感测绝压和温度的绝压多参数传感器；所述测温设备为仅感测温度的温度传感器，或者，测温设备为能够同时感测绝压和温度的绝压多参数传感器。
17.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述感知层包括风速传感器、甲烷传感器以及绝压多参数传感器。
18.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述数据传输层包括矿用阻燃通讯电缆、矿用阻燃通信光缆、监控通用分站、井下环网交换机和地面环网交换机；所述阻燃通讯电缆用于实现传感器与监控通用分站之间的数据传输；所述矿用阻燃通信光缆用于实现监控通用分站与井下环网交换机之间的数据传输和实现井下环网交换机与地面环网交换机之间的数据传输。
19.进一步具体地限定，上述技术方案中，所述平台应用层包括调度室显示屏、打印机、服务器以及客户端；所述调度室显示屏用于扩显矿井甲烷排放状态和一段时间内甲烷排放累计值；所述打印机用于打印监测报表；所述服务器内嵌数据采集、处理和分析模型和甲烷排放量计算模型；所述客户端用于人机交互，可进行配置传感器参数及查询监测结果等。
20.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
21.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明的结构示意图；
24.图2是矿井温室气体监测布置图；
25.附图中的标号为：1、感知层；11、风速传感器；12、甲烷传感器；13、绝压多参数传感器；2、数据传输层；21、矿用阻燃通讯电缆；22、矿用阻燃通信光缆；23、监控通用分站；24、井下环网交换机；25、地面交换机；3、平台应用层；31、调度室显示屏；32、打印机；33、服务器；34、客户端。
具体实施方式
26.为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.本发明的监测原理是：按照《煤矿安全规程》(2016)要求，已经在井下掘进工作面回风流、采煤工作面回风巷道、采区回风巷、矿井总回风巷等地点安装甲烷传感器，对各地点甲烷浓度进行实时监测，但是以上监测仅是为了确保井下甲烷不超限，无法计算出全矿井甲烷风排量。由于大气中甲烷浓度为零，井下甲烷主要来源于采掘工作面，风流冲刷采掘工作面后裹挟着甲烷沿着回风巷道运动，最终在回风大巷汇合经回风井排出，因此进风巷道无需安装甲烷传感器，只须在回风大巷监测整个矿井甲烷风排量，利用回风量、甲烷浓度、风流状态等参数获得矿井标准状态下甲烷排放总量。
28.见图1，本发明的煤炭开采领域温室气体实时监测计量方法，主要包括甲烷监测和甲烷风排量计算，甲烷监测包括测点选择和设备安装，具体包括以下步骤：
29.第1步骤、甲烷监测测点选择：测点个数确定和测点位置确定；测点个数依据回风立井的数量，当有n个回风立井，且n是大于等于1的正整数，则就有n个测点，测点位置与回风大巷测风站位置重合，即测点位置一般选择在回风大巷测风站处。
30.第2步骤、甲烷监测设备安装：设备类型选择和设备安装位置确定；设备类型包括测风设备、测甲烷浓度设备、测压设备和测温设备。测风设备为风速传感器11，风速传感器11为超声波风速传感器或压差式风速传感器等中的任意一种。测甲烷浓度设备为甲烷传感器12，甲烷传感器12为催化燃烧式甲烷传感器或激光甲烷传感器等中的任意一种。测压设备为仅感测绝压的绝压传感器，或者，测压设备为能够同时感测绝压和温度的绝压多参数传感器13；测温设备为仅感测温度的温度传感器，或者，测温设备为能够同时感测绝压和温度的绝压多参数传感器13。设备安装位置是将风速传感器11和甲烷传感器12用支架固定在一起并安装在巷道顶板中央，需要说明的是，为了确保风速传感器11和甲烷传感器12保持不动，因此将风速传感器11和甲烷传感器12用支架固定在一起。将绝压多参数传感器13安装在巷道帮部且距离底板1.5m，固定方式可以用铁丝固定在巷道帮部的锚网上。
31.第3步骤、甲烷风排量计算：甲烷风排量计算是指计算出标准状况(温度为0℃、压强为101.325千帕)下一段时间内的甲烷风排量。由于计量矿井温室气体排放量要看一段时间内的累积量，因此首先计算出最小单位时刻甲烷排放量，而后累加得到一段时间内甲烷排放量，最小单位时刻指一分钟，一段时间指一天、一月、一年
……
。若将1天划分为1440min，计算出每一分钟内甲烷排放量，而后求和：q1 q2
……
q
1440
，得到矿井1#回风井一天甲烷风排量。
32.标椎状态下，1#回风井在第1天第1分钟甲烷风排量q1的计算公式为：
[0033][0034]
其中，q1表示1#回风井在第1天第1分钟甲烷风排量，单位为万nm3/min；v1表示第1天第1分钟内风速最大值，单位为m/s；s表示巷道断面面积，单位为m2；c1表示第1天第1分钟甲烷浓度，无单位；p1表示第1天第1分钟大气压力，单位pa；p0表示标准大气压力，单位为1.013
×
105pa；t1表示第1天第1分钟温度，单位为℃。
[0035]
同理，可以得到1#回风井在第1天第2分钟甲烷风排量q2、1#回风井在第1天第3分钟甲烷风排量q3……
1#回风井在第1天第1439分钟甲烷风排量q
1439
、1#回风井在第1天第1440分钟甲烷风排量q
1440
，设定1#回风井第1天甲烷风排量为则1#回风井第1天甲烷风排量的计算公式为：
[0036][0037]
同理，可以得到1#回风井第2天甲烷风排量1#回风井第3天甲烷风排量1#回风井第29天甲烷风排量1#回风井第30天甲烷风排量设定1#回风井第1个月甲烷风排量为则1#回风井第1个月甲烷风排量的计算公式为：
[0038][0039]
同理，可以得到1#回风井第2个月甲烷风排量1#回风井第3个月甲烷风排量1#回风井第11个月甲烷风排量1#回风井第12个月甲烷风排量设定1#回风井1年内甲烷风排量为则1#回风井1年内甲烷风排量的计算公式为：
[0040][0041]
那么，一个矿井1天内甲烷排放量为其中的n为回风井数量。一个矿井1个月内甲烷排放量为其中的n为回风井数量。一个矿井1年内甲烷排放量为其中的n为回风井数量。
[0042]
以上计算方法作为甲烷气体累计风排量计算模型内嵌至监测系统中平台应用层中。
[0043]
煤炭开采领域温室气体实时监测计量方法的监测系统，包括感知层1、数据传输层2和平台应用层3。感知层1用于感测风速、甲烷浓度、绝压和温度。感知层1包括风速传感器11、甲烷传感器12以及绝压多参数传感器13，具体地，风速传感器11用于感测风速，甲烷传感器12用于感测甲烷浓度，绝压多参数传感器13用于感测绝压和温度。数据传输层2将感测的环境信息传输至平台应用层3。数据传输层2包括矿用阻燃通讯电缆21、矿用阻燃通信光缆22、监控通用分站23、井下环网交换机24和地面环网交换机25；阻燃通讯电缆21用于实现传感器与监控通用分站23之间的数据传输；矿用阻燃通信光缆22用于实现监控通用分站23与井下环网交换机24之间的数据传输和实现井下环网交换机24与地面环网交换机25之间的数据传输。平台应用层3包括调度室显示屏31、打印机32、服务器33以及客户端34，调度室显示屏31用于扩显矿井甲烷排放状态和一段时间内甲烷排放累计值；打印机32用于打印监测报表；服务器33内嵌数据采集、处理和分析模型和甲烷排放量计算模型，即数据采集、处理和分析模型和甲烷排放量计算模型安装在服务器33内，以完成甲烷风排量的计算统计；客户端34用于用于人机交互，可进行配置传感器参数及查询监测结果等。
[0044]
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。