利用監(jiān)測有機(jī)排放物VOCS

1、利用 遙感衛(wèi)星監(jiān)測有機(jī)排放物 VOC S摘要：VOCs是英文（volatile organic compounds）的縮寫稱謂，是指揮發(fā)性有機(jī)物的總量，一般包括：常壓下，沸點(diǎn)50至260的各種有機(jī)烴類化合物。目前大部分科學(xué)家認(rèn)定VOCs是產(chǎn)生大氣PM2.5污染和臭氧（O3）的重要污染物，揮發(fā)性有機(jī)物“VOCs”的監(jiān)測和治理已經(jīng)成為治理大氣污染的重要任務(wù)，環(huán)境保護(hù)部已開始制定VOCs排放治理行動方案。為貫徹環(huán)境保護(hù)部大氣污染防治行動計劃和石化行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物綜合整治方案有關(guān)要求和工作部署，中國石油天然氣集團(tuán)公司編制了中國石油天然氣集團(tuán)公司揮發(fā)性有機(jī)物綜合整治工作方案。采用遙感監(jiān)測衛(wèi)星監(jiān)測有機(jī)排放

2、物（VOCs)具有準(zhǔn)確、高效和及時性強(qiáng)的特點(diǎn)，可大幅度降低監(jiān)測費(fèi)用和工作量，提高及時性，VOCs遙感監(jiān)測系統(tǒng)主要由：監(jiān)測衛(wèi)星、地面站及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、遙感監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)體系組成。利用遙感衛(wèi)星監(jiān)測VOCs具有重要意義，通過收集相關(guān)遙感衛(wèi)星紅外成像光譜信息，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、遙感提取信息處理，提取VOCs濃度分布信息，以獲取更為詳細(xì)的宏觀分布規(guī)律數(shù)據(jù)，進(jìn)而為當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)決策與環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：遙感技術(shù)；紅外成像光譜儀；標(biāo)準(zhǔn)；衛(wèi)星；VOCS0引言在我國，VOCs是指常溫下飽和蒸汽壓大于70 Pa、常壓下沸點(diǎn)在260以下的有機(jī)化合物，或在20條件下，蒸汽壓大于或者等于10 Pa且具有揮發(fā)性的

3、全部有機(jī)化合物1。揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）是產(chǎn)生大氣PM2.5污染和臭氧（O3）的重要污染物，已經(jīng)嚴(yán)重威脅我國城鎮(zhèn)居民的身體健康。由VOCs引起的霧霾污染已經(jīng)在我國工業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)域集中爆發(fā)，VOCs污染已然成為困擾我國環(huán)境治理的重大問題，中國政府已經(jīng)開始重視對VOCs的管控。根據(jù)國家大氣污染防治行動計劃重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃，以及環(huán)境保護(hù)部石化行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物綜合整治方案有關(guān)要求和工作部署，推進(jìn)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCS）綜合整治，2014年5月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布的大氣污染防治行動計劃實施情況考核辦法（試行），提出對各省（區(qū)、市）人民政府大氣污染防治行動計劃實施情況進(jìn)行年度考核，考核以

4、PM10和PM2.5為主要目標(biāo)，其中“工業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物治理”考核比重為7%。12月，環(huán)保部發(fā)布石化行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物綜合整治方案，針對基礎(chǔ)較好的石化行業(yè)提出明確的整治節(jié)點(diǎn)，如“2015年底前，全國石化行業(yè)全面開展LDAR工作，京津冀、長三角、珠三角等區(qū)域石化行業(yè)完成VOCs綜合整治工作，其他區(qū)域石化行業(yè)全面開展VOCs綜合整治工作”、“到2017年7月前，全國石油化工行業(yè)基本完成VOCs綜合整治工作，建成VOCs監(jiān)測監(jiān)控體系”。2目前，我國采用便攜式FID/PID、紅外相機(jī)以及在線監(jiān)測等監(jiān)測方法進(jìn)行VOCs監(jiān)測監(jiān)控，工作量巨大（以一般規(guī)模煉油廠為例，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)達(dá)到幾十萬，監(jiān)測費(fèi)用接近千萬級別），費(fèi)

5、時費(fèi)力，累加方式的系統(tǒng)誤差不能準(zhǔn)確反映某個工廠或區(qū)域的VOCs的排放總量?，F(xiàn)有監(jiān)測方法難以精準(zhǔn)實施揮發(fā)性有機(jī)物排污收費(fèi)試點(diǎn)辦法。采用小型遙感監(jiān)測衛(wèi)星監(jiān)測有機(jī)排放物（VOCs)具有準(zhǔn)確，高效和及時性強(qiáng)的特點(diǎn)，可大幅度降低監(jiān)測費(fèi)用和工作量，提高及時性，一顆衛(wèi)星可完成上百家企業(yè)有機(jī)排放物（VOCs)的監(jiān)測，節(jié)省監(jiān)測費(fèi)用億元以上，同時滿足國家對有機(jī)排放物（VOCs)總量控制的要求。1 VOCs遙感監(jiān)測系統(tǒng)1.1衛(wèi)星系統(tǒng)1.1.1衛(wèi)星平臺衛(wèi)星系統(tǒng)根據(jù)有機(jī)排放物（VOCs)遙感監(jiān)測的技術(shù)需求，衛(wèi)星在正常的測量過程中處于三軸穩(wěn)定狀態(tài)；衛(wèi)星平臺使用成熟的TPX102平臺（衛(wèi)星平臺信息總體設(shè)計方案見圖三）；在衛(wèi)

6、星本體的+Z面安裝可見光探測載荷。衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)見表一。圖一 TPX102衛(wèi)星平臺項目設(shè)計指標(biāo)衛(wèi)星軌道500km太陽同步軌道；軌道傾角：97.4度；三星同軌組網(wǎng)；（亦可六星三組同軌組網(wǎng)；）單星日過境次數(shù)，3次-4次；最長過境時常20min姿態(tài)控制姿態(tài)指向精度：0.5（3）；姿態(tài)穩(wěn)定度：0.05/s（3）；星地通訊測控：UHF測控鏈路數(shù)傳：S波段，16M星地傳輸可見光相機(jī)星下點(diǎn)像元分辨率：15m（500km軌道高度處）有機(jī)污染物監(jiān)測載荷有機(jī)物探測光譜分辨率：0.003cm-1視場角：90rad質(zhì)量與包絡(luò)整星質(zhì)量：200kg；包絡(luò)尺寸：不大于1000mm650mm600mm；能源：最大支持功率28W

7、，最大支持功率余量7W表一衛(wèi)星平臺主要技術(shù)指標(biāo)圖二衛(wèi)星研制流程及時間表圖三 衛(wèi)星平臺信息總體設(shè)計方案1.1.2總體數(shù)據(jù)估量有機(jī)排放物（VOCs)遙感監(jiān)測衛(wèi)星每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為10Gbit；衛(wèi)星上使用的S波段發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)傳輸速率為16Mbps，目前可以使用的S波段地面接收站包括三亞地面站，北京地面站、酒泉地面站和新疆克拉瑪依地面站（新建）等，每天過站時間最少20分鐘，可以下行的數(shù)據(jù)量為32Gbit數(shù)據(jù)，單站數(shù)據(jù)接受尚能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆波段發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率為2W；衛(wèi)星運(yùn)行在500km軌道時信道余量是5dB（誤碼率10-6）。1.1.3供配電設(shè)計衛(wèi)星平臺的供配電在TPX102平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化

8、；載荷的平均功耗為20W，平臺為載荷提供5V和12V可控電源，滿足載荷用電需求；目前TY-2 6U平臺太陽能電池陣的最大輸出功率是28W，鋰電池組容量為150Wh，平臺平均功耗9W，最大瞬時功耗滿足載荷25W（10min），滿足可見光載荷時間。在觀測階段，采用對地穩(wěn)定模式；在非觀測階段，采用對日定向模式。經(jīng)過計算能源滿足衛(wèi)星單軌平衡的問題。1.1.4 電氣接口設(shè)計1. 衛(wèi)星平臺具有CAN總線接口，CAN總線穩(wěn)定性較好，所以，載荷與衛(wèi)星平臺之間的通信接口選用CAN總線進(jìn)行通信。2. 根據(jù)任務(wù)需求，有機(jī)排放物遙感監(jiān)測衛(wèi)星產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要為AIS數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，所以，探測儀與衛(wèi)星平臺之間的數(shù)據(jù)接口選擇

9、LVDS高速通信接口。3. 根據(jù)任務(wù)需求，衛(wèi)星平臺提供所需的5V，12V電源供電。4.載荷進(jìn)行設(shè)計時具有獨(dú)立的調(diào)試接口，可滿足載荷與衛(wèi)星平臺并行測試需求。1.2星載光譜儀星載光譜儀采用DOAS差分紅外光譜技術(shù)探測，依據(jù)化合物化學(xué)結(jié)構(gòu)，當(dāng)紅外光穿過VOCs氣體時，一部分波長的光將被吸收。覆蓋波長7.514.0m的熱紅外光譜儀器可根據(jù)氣體的吸收或發(fā)射峰準(zhǔn)確檢測出幾乎所有的化學(xué)氣體物質(zhì)（物質(zhì)自身分子譜），和氣體分子振動特征相關(guān)，穩(wěn)定準(zhǔn)確?？梢詫崿F(xiàn)探測靈敏度0.1ppm，探測精度0.5ppm。目標(biāo)駐留工作方式對熱點(diǎn)地區(qū)觀測，目標(biāo)觀測范圍20kmX20km，100m空間分辨率，探測小區(qū)域范圍（廠區(qū)規(guī)模）

10、VOCs氣體空間分布。圖四星載光譜儀工作機(jī)理1.2.1星載DOAS差分光譜儀技術(shù)指標(biāo)1、工作波段范圍3.0m-4.5m；2、可編程掃描光譜波段；3、選擇3.0m-3.5m波段作為總量監(jiān)測波段，其他波段作為輔助探測和種類識別；4、采用二級光學(xué)系統(tǒng)+可調(diào)諧濾光器探測方案。1.2.2星載DOAS紅外光譜儀光學(xué)系統(tǒng)星載DOAS紅外光譜儀光學(xué)系統(tǒng)由前置望遠(yuǎn)鏡和光譜儀兩大部分組成（見圖四），光譜采用光柵分光，根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)組成成分的不同采用多波段掃描方式。圖五星載DOAS紅外光譜儀光學(xué)系統(tǒng)圖六紅外光譜儀光機(jī)結(jié)構(gòu)表二星載DOAS差分光譜儀技術(shù)指標(biāo)1.2.3紅外光譜儀校準(zhǔn)方案紅外成像光譜儀的校準(zhǔn)采用面源黑體與V

11、OCs氣體吸收池來完成； VOCs氣體池中分別充入不同種類烴類揮發(fā)氣體，標(biāo)定氣體光學(xué)厚度與光譜靈敏度之間的關(guān)系；氣體含量低是采用3.0m-3.5m吸收波段，氣體含量高時采用輔助弱吸收探測波段；同時開發(fā)基于衛(wèi)星遙感DOAS的VOCs探測反演軟件。1.3地面站系統(tǒng)本項目計劃在新疆克拉瑪依市建立一個新的衛(wèi)星地面站，新地面站是基于多光譜紅外VOCs監(jiān)測衛(wèi)星的地面配套系統(tǒng)，主要實現(xiàn)對VOCs監(jiān)測衛(wèi)星的數(shù)據(jù)回傳和在軌衛(wèi)星的控制。1.3.1地面站接受系統(tǒng)建立商業(yè)化X頻段地面站負(fù)責(zé)VOCs監(jiān)測衛(wèi)星（克拉瑪依號衛(wèi)星）數(shù)據(jù)接收和處理。主要實現(xiàn)對VOCs監(jiān)測衛(wèi)星的數(shù)據(jù)回傳、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)發(fā)布，同時能夠兼顧衛(wèi)星數(shù)據(jù)接

12、收的商業(yè)化運(yùn)營（如國內(nèi)商業(yè)航天公司的在軌遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)下行），為未來空天大數(shù)據(jù)站群提供準(zhǔn)備。通用民用軌遙感衛(wèi)星的地面站建設(shè)，最終形成一套基于遙感衛(wèi)星的大數(shù)據(jù)中心，將為克拉瑪依市的產(chǎn)業(yè)升級提供強(qiáng)勁的動力。最終能夠在克拉瑪依市形成一個以VOCs衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)為主，其他類型遙感數(shù)據(jù)為輔的衛(wèi)星大數(shù)據(jù)中心。圖七商業(yè)化民用衛(wèi)星地面站圖八-1、2、3、4地面站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)1.3.2地面站衛(wèi)星測控系統(tǒng)地面站衛(wèi)星測控系統(tǒng)負(fù)責(zé)VOCs監(jiān)測衛(wèi)星（克拉瑪依號衛(wèi)星）的測控，使用UHF測控收發(fā)機(jī)，下行速率傳輸速率為9.6kbps，上行數(shù)據(jù)傳輸 速率為4.8kbps；UHF測控地面站可以同時跟蹤10顆低軌衛(wèi)星； UHF測控軟

13、件包括：遙測數(shù)據(jù)的顯示、存儲，需要上行的衛(wèi)星指令，軟件在軌注入，衛(wèi)星全任務(wù)剖面測試，故障注入測試等內(nèi)容。同時根據(jù)其他商業(yè)衛(wèi)星用戶需求，衛(wèi)星可以轉(zhuǎn)為其他波段測控。圖九地面站衛(wèi)星測控系統(tǒng)1.4遙感監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)體系針對配合VOCs監(jiān)測衛(wèi)星數(shù)據(jù)認(rèn)可，將建立如下監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范：1.4.1衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測VOCs排放總量監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn);1.4.2衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測VOCs排放總量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn);1.4.3VOCs排放總量監(jiān)測衛(wèi)星技術(shù)規(guī)范;1.4.4VOCs排放總量監(jiān)測衛(wèi)星地面站系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范2結(jié)語采用遙感監(jiān)測衛(wèi)星監(jiān)測有機(jī)排放物（VOCs)具有準(zhǔn)確，高效和及時性強(qiáng)的特點(diǎn)，可大幅度降低監(jiān)測費(fèi)用和工作量，提高及時性，VOCs遙感監(jiān)測系統(tǒng)主要由：監(jiān)測衛(wèi)星、地面站及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、遙感監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)體系組成。 利用遙感衛(wèi)星監(jiān)測VOCs具有重要意義，通過收集相關(guān)遙感衛(wèi)星紅外成像光譜信息，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、遙感提取信息處理，提取VOCs濃度分布信息，以獲取更為詳細(xì)的宏觀分布規(guī)律數(shù)據(jù)，進(jìn)而為當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)決策與環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。同時該項目將以克拉瑪依首星為基礎(chǔ)，建立克拉瑪依商業(yè)