We have designed, developed, and implemented a novel full flow sampling system (FFS) for quantification of methane emissions and greenhouse gases from across the natural gas supply chain.
Method Article
We have designed, developed, and implemented a novel full flow sampling system (FFS) for quantification of methane emissions and greenhouse gases from across the natural gas supply chain.
Het gebruik van aardgas blijft groeien met een verhoogde de ontdekking en productie van onconventionele bronnen schalie. Op hetzelfde moment, de aardgasindustrie gezichten voortgezet toetsing voor de uitstoot van methaan uit de hele supply chain, als gevolg van relatief hoge aardopwarmingsvermogen van methaan (25-84x dat van koolstofdioxide, volgens de Energy Information Administration). Op dit moment, een verscheidenheid aan technieken van verschillende onzekerheden bestaat om te meten of schatten methaanemissies van onderdelen of faciliteiten. Op dit moment, maar een commercieel systeem is beschikbaar voor de kwantificering van de component-niveau de uitstoot en de recente rapporten hebben de zwakke punten gemarkeerd.
Om de nauwkeurigheid te verbeteren en het vergroten van de meting flexibiliteit, hebben wij ontworpen, ontwikkeld en geïmplementeerd een nieuwe full-flow sampling systeem (FFS) voor het kwantificeren van de uitstoot van methaan en broeikasgassen op basis van transport principes uitstoot meting. de FFS is een modulair systeem dat bestaat uit een explosieve-proof ventilator (s), massa luchtstroom sensor (s) (MAF), thermokoppel, monster probe, constant volume sampling pomp, op laser gebaseerde broeikasgas sensor, data-acquisitie apparaat en analysesoftware . Afhankelijk van de blower en slang configuratie toegepast, de huidige FFS kan een stromingssnelheid van 40 tot 1500 standaard kubieke voet per minuut (SCFM) bereiken. Gebruik van op laser gebaseerde sensoren vermindert interferentie van hogere koolwaterstoffen (C2 +). Co-meting van waterdamp maakt luchtvochtigheid correctie. Het systeem is draagbaar, met verschillende configuraties voor verschillende toepassingen, variërend van een persoon is aangebracht in een hand wagen gedragen, op wegvoertuig bed of de bedden van nut terreinvoertuigen (UTVs). De FFS is in staat om methaanemissie tarieven te kwantificeren met een relatieve onzekerheid van ± 4,4%. De FFS heeft bewezen, echte wereld verrichting voor het kwantificeren van methaanemissies die zich in Conventiointerne en externe voorzieningen.
Recente rapporten bevestigen dat het klimaat aan het veranderen is als gevolg van menselijke activiteiten en de verdere verandering onvermijdelijk is 1. Klimaatverandering plaatsvindt van een toename van de uitstoot van broeikasgassen (BKG) concentratie van de atmosfeer. Kooldioxide (CO 2) en methaan zijn de grootste uitstoot van medewerkers 2. CO 2 en methaan afkomstig van zowel natuurlijke processen en menselijke activiteiten 3. Present atmosferische niveaus van CO 2 en methaan zijn respectievelijk gestegen met 31% en 151% in de afgelopen twee eeuwen, met de methaan concentratie toeneemt met een tarief van 2% per jaar 4-6. Het klimaat gevolgen van methaan en CO 2 -uitstoot hangt af van de beschouwd als methaan heeft een kortere atmosferische levensduur ten opzichte van CO 2 7 periode. Atmosferische levensduur van methaan is 12-17 jaar, waarna oxidatie tot CO 2 8 treedt. Het effect van methaan is 72 maal groter dan CO 2 in een periode van 20 jaar 9. Op een massabasis, methaan is 23 keer effectiever in het vangen warmte in de atmosfeer dan CO 2 over een periode van 100 jaar 10. Methaan en CO 2 goed voor 10% en 82% van de totale Verenigde Staten (VS) de uitstoot van broeikasgassen 11. Global methaanemissie uit antropogene bronnen zijn ongeveer 60% en de overige zijn uit natuurlijke bronnen 8, 10.
In 2009, onverbrande methaanemissies tussen productie putten en lokale distributienetwerk overeen met 2,4% van het bruto Amerikaanse productie van aardgas (1,9-3,1% bij een betrouwbaarheidsniveau van 95%) 12. Onverbrande methaanemissies zijn niet alleen schadelijk voor het milieu, maar vertegenwoordigen ook een enorme kosten voor aardgas bedrijven 13. Analisten schatten dat de aardgasindustrie verliest meer dan $ 2000000000 dollar per jaar als gevolg van methaan lekkages en ontluchten 14. Onverbrande uitstoot Classified als diffuse of ontluchting 15, 16. Diffuse verwijst een onbedoeld losraken van gas uit processen of apparatuur, zoals kleppen, flenzen en fittingen om lucht 17, 18 omgevingstemperatuur. Ontluchten betreft de opzettelijke gasontwikkeling uit apparatuur en operationele processen omgevingslucht, zoals pneumatische aandrijvingen 19. Bij onshore olie en aardgas faciliteiten, diffuse emissies goed voor ~ 30% van de totale uitstoot van methaan 20. In 2011, de US Environmental Protection Agency (EPA) schat dat meer dan 6 miljoen ton van de diffuse methaan ontsnapt uit aardgas systemen, die het bedrag van de uitstoot van broeikasgassen overschrijden (CO 2 -equivalent over een periode van 100 jaar), uitgezonden door alle Amerikaanse ijzer en staal, cement, aluminium en productiefaciliteiten gecombineerd 21.
Een kritische kloof bestaat in het bepalen van het klimaateffect van aardgas door het gebrek aan nauwkeurige en betrouwbare schattingen van de bijbehorende emissies. Echter, er is een consensus dat diffuse methaanemissies optreden in elke fase van het aardgas levenscyclus en verder onderzoek op het nauwkeurig meten en rapporteren van deze waarden is belangrijk 19. Studies hebben diffuse emissies van bepaalde sectoren gerapporteerd met resultaten variërend van maximaal twaalf ordes van grootte 19, 22-28. Het ontbreken van erkende industriestandaarden en een tekort aan consistente regelgeving op het gebied van lekdetectie en lekkage kwantificering mogelijk het gebruik van een verscheidenheid aan testmethoden en apparatuur, met de nauwkeurigheid van een aantal meettechnieken oplopen tot ± 50% 29-35. Derhalve aanzienlijke onzekerheid bestaat op de hoeveelheid vluchtige methaan uitgestoten via aardgas levenscyclus 19, 28, 33, 36-39. Figuur 1 illustreert de hoeveelheid variabiliteit in de gepubliceerde literatuur over gemeten en geschatte methaan uitstoot van het natuurlijke leven gas cyclus. Figuur 1 toont de gemiddelde gepubliceerde diffuse uitstoot van methaan uitgestoten als een percentage van de totale productie van aardgas. Als een gemiddelde waarde niet werd het gemiddelde van het vermelde bereik genomen. De standaard afwijking tussen de 23 studies is 3,54, de laagste en de hoogste waarden verschillen met 96,5%.

Figuur 1. Fugitive methaan uitstoot. Gepubliceerd gemiddeld diffuse uitstoot van methaan uitgestoten als een procent van de totale productie van aardgas 13, 27, 40-59. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Momenteel is de totale hoeveelheid diffuse emissies onduidelijk is deels te wijten aan de meetonzekerheid en scaling technieken. Zonder nauwkeurige methaanemissie metingen, beleidsmakers in staat zijn om weloverwogen keuzes te maken over de kwestie.Een overzicht van de huidige literatuur geïdentificeerd drie primaire methoden voor het kwantificeren van aardgas diffuse emissies: zakken, tracer gas, en een commercieel beschikbare hoge stroomsnelheid sampler.
De zakken methode bestaat uit het plaatsen van een behuizing in de vorm van een 'bag' of tent rond een diffuse emissie bron 60. Er zijn twee varianten van de methode zakken. In één bekende stroomsnelheid van schoon gas (doorgaans inerte) door de behuizing aan een goed gemengde omgeving voor meting creëren. Zodra evenwicht is bereikt, wordt een gasmonster verzameld uit de zak en gemeten. De diffuse emissie wordt bepaald op basis van de gemeten stroomsnelheid van schone gas door de ruimte en de steady-state methaan concentratie in de behuizing 61. Afhankelijk van de behuizing en lekgrootte, de tijd die nodig is om de nodige steady state voorwaarden voor de lekkage meting te bereiken is tussen de 15 tot 20 min 61. De zakken methodekunnen worden toegepast op de meeste toegankelijke componenten. Het kan echter niet geschikt voor abnormaal gevormde componenten. Deze methode type is geschikt voor het meten lekken variërend in grootte van 0,28 kubieke meter per minuut (m 3 / min) zo groot als 6,8 m 3 / min 60 .De andere zakken techniek wordt gekalibreerd zakken. Hier, tassen van bekende volume worden afgedicht rond een diffuse emissie bron. De diffuse emissie wordt berekend op basis van de hoeveelheid tijd die nodig is voor de uitbreiding van de tas, en herleid tot normale omstandigheden.
Indicatorgasconcentraties methoden te kwantificeren een diffuse emissie tarief op basis van de gemeten concentratie tracer gas stroomt door een voortvluchtige bron. Tracer gassen gewoonlijk toegepast zijn helium, argon, stikstof, zwavelhexafluoride, onder anderen. De diffuse emissie wordt bepaald op basis van de verhouding van een bekende afgiftesnelheid van indicatorgas in de buurt van de voortvluchtige bron, metingen van de benedenwinds concentraties van tracer en Fugitieve bron gas, en tegen de wind in de uitgangswaarde 24. De diffuse emissie tarief is alleen geldig in de veronderstelling identiek dispersie en volledige menging van de twee bronnen 62. Dit impliceert dat de tracer wordt losgelaten in de buurt van de voortvluchtige bron bij een gelijke snelheid en hoogte, en de wind mee meting van goed gemengd pluimen. Deze werkwijze is tijdrovend en niet in componentniveau granulariteit 63.
Een in de handel verkrijgbaar hoog volume sampling systeem bestaat uit een draagbare batterij aangedreven instrument verpakt in een rugzak om diffuse emissie tarieven 64 kwantificeren. De lucht rond de lek locatie wordt getrokken in de sampler via een 1,5-inch binnendiameter slang bij een voldoende hoog debiet dat kan worden aangenomen dat alle van de lekkende gas wordt opgenomen.
De bemonsteringsstroom wordt berekend met een venturi binnen de eenheid. Voor lage concentraties van methaan, 0,05-5% gas per volume, acatalyst methaan sensor wordt gebruikt om de concentratie te meten. Deze sensor is destructief voor de methaan en andere koolwaterstoffen in het monster. Methaan concentraties 5-100 vol%, wordt een thermische sensor gebruikt. Het systeem gebruikt een afzonderlijke achtergrond sensor en probe die de lek concentratie ten opzichte van de achtergrondconcentratie corrigeert. Nadat de meting is voltooid, wordt het monster uitgeput in de atmosfeer van het bemonsteringsplaats 64. Deze methode kan worden toegepast op de meeste toegankelijke componenten, met de beperking van meetbare stroomsnelheden maximaal acht standaard kubieke voet per minuut (SCFM). Dit systeem is geschikt voor het testen tot 30 monsters per uur. Recentelijk is dit systeem getoond gevarieerde nauwkeurigheid en problemen met betrekking tot de overgang van de katalytische sensor de thermische sensor 65 hebben. Bovendien vereist het systeem gas fractionele analyse correct toepassen van een reactie factor op basis van kwaliteit gas - het is niet methaanspecifiek. Het systeem is op grote schaal gebruikt geweest en kunnen de verschillen tussen top-down en bottom-up methoden zijn toegekend door onder rapportage van de uitstoot van methaan 65.
Als gevolg van beperkingen van deze methoden en systemen, werd een nieuw kwantificering ontwikkeld. De FFS maakt gebruik van hetzelfde concept als verdunning systemen die worden gebruikt in de auto-uitstoot certificering 66-68. De FFS bestaat uit een slang die een explosieve-proof blower die het lek en verdunningsluchtmonster uitlaten door een massa luchtstroom sensor (MAF) en sample probe-feeds. De monstersonde is aangesloten op een laser gebaseerde methaan analyzer door een proefbuis. De analysatoren gebruikt holte verbeterde absorptie voor het meten van CH4, CO2 en H2O De analysator kan meten CH 4 van 0% tot 10 vol% CO 2 van 0 tot 20.000 ppm, en H 2 O van 0 tot 70.000 ppm. Herhaalbaarheid / precisie (1-sigma) voor deze configuratie is <0,6 ppb CH 4, <100 ppb CO 2, en <35 ppm H 2 O 69. Het monster wordt getrokken uit de stroom op een constante volumetrische snelheid. Het systeem is geïnstrumenteerd met data logging apparatuur. Figuur 2 toont het schema van het FFS. Alvorens het FFS, wordt de aardaansluiting aan de sampler slang aan een oppervlak dat kan het systeem worden geaard bevestigd. Dit is een preventieve maatregel te nemen om statische lading aan het uiteinde van de slang, ten gevolge van de luchtstroom door de slang af te voeren. Data-acquisitie vindt plaats op ofwel een smartphone, tablet of laptop computer. Software is ontwikkeld voor het verzamelen van gegevens, verwerking en rapportage. Figuur 3 geeft een kort overzicht van de gebruikersinterfaces voor de volgende protocollen.

Figuur 2. FFS Schematische en beeld Links -. FFS schema enrechts -. portable FFS tijdens Compressed Natural Gas (CNG) station audit Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3. Detectie en kwantificering Programma-overzicht. Kort overzicht van de stappen en de gebruiker vraagt om kalibraties, herstel tests en lekken kwantificeren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Opmerking: De FFS is ontworpen met veiligheid in het achterhoofd te heffen of de mogelijkheid van ontsteking van een methaan of aardgas bron te verminderen. Aardgas is ontvlambaar omgevingsomstandigheden gedurende volumeconcentraties van 5% tot 15%. Het systeem zal worden getest en gedemonstreerd aan de veiligheidseisen voldoen. Wijziging of manipulatie van het systeem kan ernstig letsel veroorzaken.
1. De kalibratie van de MAF
Opmerking: De MAF vereist periodieke kalibratie tegen een National Institute of Standards and Technology (NIST) traceerbaar laminaire stroming element (LFE). Gebruik de kalibratie gereedschappen in het programma om een MAF kalibratie te voltooien tegen een bekende LFE. Het programma zal alle gegevens die nodig zijn van de druk transducers, vochtsensor verzamelen, en MAF naar een nieuwe kalibratie te maken. Het wordt aanbevolen om een 11-punts kalibratie worden ingevuld. Als een kalibratie is ouder dan een maand, moet een nieuwe kalibrering worden ingevuld. Oude kalibraties kunnen worden bekeken engebruikt.
2. De kalibratie van de Greenhouse Gas Analyzer
Opmerking: Het broeikasgas analeYzer moet intern worden gekalibreerd op jaarbasis door een derde partij. Gebruikers kunnen de kalibraties tools binnen de software op een externe kalibratie of verificatie te voltooien. De kalibratie gebruikt flessen gassen van bekende concentratie. Het gas wordt gemengd met stikstof door een gasverdeler en uitgangen naar een overstroomde sonde. De analysator intakes het monster op de bekende stroomsnelheid en registreert de waarde. Het wordt aanbevolen om een 11-punts kalibratie over het bereik van belang worden afgerond. Het programma past zich automatisch aan de gasconcentratie en de viscositeit binnen het gas verdeler.
3. Volledige System Recovery Test
Opmerking: Een volledig systeemherstel test is voltooid om ervoor te zorgen dat de FFS herstelt en nauwkeurig meldt een bekend volume van kalibratiegas.
4. lekdetectie Audit
Opmerking: Voer een site inventaris op elke mogelijke bron van diffuse emissies te identificeren. De inventaris zal het aantal bronnen (kleppen, flenzen, pompen / compressoren, ventilatoren, etc.) die door brongroep gebroken (compressor gebouw, opslag boerderij, onder voertuig tanken rek, etc.) De lekdetectie audit kan in serie of parallel met het lek kwantificeren. Een handheld methaan detector of optische gas-imaging camera kan gebruikt worden om componenten op lekkage onderzoeken. Wanneer lekken worden geïdentificeerd verslag een beschrijving, concentratie, en neem een beeld. Markeer het lek voor later kwantificeren of te kwantificeren het lek op dit moment.
5. Leak Rate kwantificering
Opmerking: leksnelheid kwantificering kan volledige tegelijk als lekdetectie of na inventarisatie van lekken is vervuld. Kwantificering gebeurt onder de nieuwe lek knop na het invoeren van het terrein en lekken van gegevens. De gebruiker moet selecteren of er een lokale of globale achtergrond gebruiken. In beide gevallen, zal het systeem de juiste solenoïde kleppen regelen en een periodieke bemonsteringsmethode opnemen. Zodra een achtergrond is genomen, dient de lek driemaal of vanuit drie richtingen worden gekwantificeerd om een goede lekkage stimulatie verzekeren. Het systeem analyseert de drie metingen en het verslag van devariantie. Gebruikers kunnen het lek op te slaan (afzonderlijke en gemiddelde), herhaal de capture of classificeren van de bron als variabele.
Meerdere FFS ontwikkeld en gebruikt om een verscheidenheid van methaan emissiebronnen kwantificeren. Twee belangrijke studies omvatten de Environmental Defense Fund's Heavy-Duty Natural Gas Vehicles Pump naar Wheels (PTW) studie en de Barnett Gecoördineerde Campaign (BCC). De PTW studie concentreerde zich op de kwantificering van de methaanuitstoot van zware aardgas brandstof voor voertuigen, de motor carters, gecomprimeerd aardgas tanks, vloeibaar aardgas tanks, tankstation apparatuur, sproeiers, en andere lekken.
Meerdere FFS systemen werden gebruikt tijdens de BCC, die vooraanstaande deskundigen uit de academische en onderzoeksinstellingen bij elkaar gebracht uit het hele land om de uitstoot van methaan gegevens over de levering van aardgas (productie, verzameling en verwerking, het transport en de opslag en de lokale distributie) via een verzamel combinatie van vliegtuigen, voertuigen, en op de grond metingen. Wij hebben directe bron kwantificering van de uitstoot van methaan bij natuurlijkegas compressorstations en opslagfaciliteiten met behulp van de ontwikkelde methodologie en FFS-systeem. Een deel van de resultaten uit de Barnett Shale studie met betrekking tot de metingen verkregen door middel van de inzet van de FFS is gepresenteerd en gepubliceerd in peer-reviewed congressen en wetenschappelijke tijdschriften 70-72.
Voor zowel de PTW en BCC, werkzaam we methaan lekdetectie-apparatuur aan de site onderdelen enquête waaronder afsluiters, buizen / leidingen en andere componenten die worden uitgevoerd of in het bezit aardgas. Een lek werd gedetecteerd met een draagbare methaan detector. Deze draagbare detector geholpen bij het identificeren van het lek plaats door het identificeren van een verhoogde methaanconcentratie boven de achtergrond. Zodra een lek locatie werd geconstateerd dat de concentratie drempel overschreden, onderzoekers gebruikten de FFS om de lekkage te kwantificeren. De FFS lek monster werd verzameld via een slang aan de inlaatzijde van een ventilator. Het monster door een gecertificeerd explosie proof blower waar het werd uitgeput door een leidingsysteem dat een MAF en methaan sensor bevatte. Het FFS systeem kon bemonsteren stroomsnelheden van 40 tot 1500 SCFM afhankelijk van de systeemconfiguratie. Met behulp van de gemeten bemonsteringsstroom en methaan concentratie, de lekkage in SCFM of g / uur werd berekend.
Calibration gegevens
Voor de kalibratie, werd een constante stroom ingesteld door het systeem. De drukval over het LFE werd verkregen door het meten van het drukverschil tussen de hoge drukaansluiting en de lagedruk poort van de LFE. De absolute druk werd geregistreerd van de hoge-druk-poort van het differentieel meting lijn. Calibration drukken werden gemeten en geregistreerd met een gecombineerde differentiaal / absolute druk meter. De handheld apparaat gebruikt twee modules, een absolute druk en een drukverschil. De absolute druk module was een geschikt voor het meten 0-30 PSI absoluTE met een onzekerheid van 0,025%. Het drukverschil module was kan meten 0 tot 10 inches water met een onzekerheid van 0,06%. De temperatuur van het gasmonster werd gemeten vóór de LFE met een K-type thermokoppel met een onzekerheid van ± 1,1 ° C of 0,4%. De spanning output van de MAF werd opgenomen via een analoge data-acquisitie kaart. Het debiet werd gevarieerd met een variabele restrictor klep aan de inlaat van de ventilator. Kalibraties uitgevoerd op de MAF voor verschillende stroomsnelheden, oplopend tot 1500 SCFM.
Als een constante stroomsnelheid van de lucht doorgegeven via zowel het LFE en MAF, het drukverschil, monster temperatuur, absolute druk en spanning MAF werden tegelijkertijd opgenomen. Het drukverschil over het LFE, monstertemperatuur en absolute druk gebruikt om de werkelijke volumetrische stroomsnelheid door de LFE behulp coëfficiënten geleverd door de fabrikant berekenen. De werkelijke volumetrische stroomsnelheid wasomgezet naar standaard volumestroom. De standaard volumetrische stroomsnelheid door de LFE was gerelateerd aan de spanning verkregen uit de MAF, zie figuur 4.

Figuur 4. MAF uitgangssignaal Calibration. Multipoint kalibratie van de MAF met een NIST traceerbaar LFE (zie de punten 1 tot 1.7). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Een kleinste kwadraten regressie werd uitgevoerd op de ingesteld op de optimale coëfficiënten van de vergelijking te bepalen en regressiestatistieken van de vergelijking, R 2, berekent de correlatie tussen de gegevenssets te onderzoeken data. Zodra de vergelijking werd ontwikkeld om de MAF spanning naar de stroomsnelheid betrekking tot de LFE, werd een vergelijking gemaakt tussen de werkelijke debiet en de gemeten stroomsnelheid van de MAF. Dit is weergegeven in figuur 5.

Figuur 5. MAF Flow Rate Correlatie. MAF gemeten debiet uitgezet tegen de LFE werkelijke volumestroom (zie paragraaf 1.8). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De kalibratie van de sensor met een methaan-24.730 ppm methaan gascilinder is getoond in figuur 6. De gemiddelde afwijking van de werkelijke methaanconcentratie na de externe correctie toegepast was 0,7%. De grootste afwijking van de werkelijke methaanconcentratie na de externe correctie toegepast was 1,9%.
/54179/54179fig6.jpg "/>
Figuur 6. Methaan Sensorkalibratie / verificatie. Externe verificatie van het methaan sensor met behulp van een geijkte gas verdeeld en NIST traceerbaar gebotteld methaan (zie paragraaf 2). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Na de kalibratiekromme waren verkregen en toegepast, controle van het gehele systeem werd uitgevoerd door het invullen van een gas recovery. Waarbij een bekende massa methaan werd geïnjecteerd in het systeem met een methaan geijkt MFC en een vergelijking tussen de door het systeem om de werkelijke massa ingespoten massa. Deze procedure werd op basis van de gangbare praktijk van propaan injecties vereist door de Code of Federal Regulations voor het waarborgen van de vangst en de meting vermogen van volledige stroomverdunningssysteem tunnels waar een bekend volume van koolwaterstofemissie worden geïnjecteerd in de measurement systeem met een onafhankelijk gekalibreerd apparaat en het herstel vermogen van het systeem wordt gecontroleerd. De controlerende MFC werd gekalibreerd op methaan. Het MFC werd vastgesteld op twee debieten van 20 en 30 SLPM van 99,9% zuiver methaan. De resultaten worden in Tabel 1 voor een stelsel debiet van 140 SCFM. Er werd aangetoond dat in beide gevallen de FFS systeem gemeten waarden lagen binnen de verwachte 4,4%. De gemiddelde fout in de twee metingen was + 2,2%.
| MFC Setpoint | FFS Recovery | Error Recovery |
| SLPM | SLPM | % |
| 20 | 20.3 | 1,70% |
| 30 | 30.8 | 2.7 |
| Gemiddelde | 2,20% | |
Tabel 1. FFS Recovery resultaten. Methaan recovery tests bij twee verschillende gesimuleerde lek tarieven.
In Field Data Collection
Continu Leak Source
Figuur 6 illustreert een voorbeeld van een continue bronnen van lekkage. Figuur 7 kan worden onderverdeeld in 4 afzonderlijke gebieden, ad. Deze omvatten de volgende delen: achtergrond, het naderen van het lek bron lek vast te leggen, en zich terugtrekken uit het lek bron. Lek kwantificering optreedt tijdens onderdeel c. Bij evaluatie, de tweede herhaalde metingen van hetzelfde lek na sectie d Figuur 8 toont het lek als vanuit infraroodcamera -. Links geeft de methaan pluim dispergeren nature - rechts geeft de FFS verzamelt alle lekkage plus extra verdunning lucht.

Figuur 7. Conventioneel Continu Leak Continue lek bron tijd traceren met de verschillende metingen secties (a: achtergrond, b: het naderen van het lek, c: gemiddelde lekkage, d: terugtrekken uit lek) (zie paragraaf 5-5,6).. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 8. Infrarood Beeld van Leak Left -. Lekkende montage en rechts -. Gevangen / gekwantificeerd lekken uit dezelfde fitting (zie paragraaf 4.6) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Intermitterende Leak Source
De totale massa verbonden aan een bepaalde gebeurtenis werd verkregen uit de concentratie-time profiel door de toepassing van numerieke integratie. Om enkele van de inefficiënties in verband met de trapeziumregel omzeilen, werd een adaptieve samengestelde Simpson regel toegepast. Dit adaptieve soort kwadratuur methode maakt het mogelijk voor de automatische stapgrootte aanpassingen in gebieden met sterke variaties 73.
De noodzaak van numerieke integratie van de verzamelde gegevens van toepassing was voor intermitterend evenementen, zoals figuur 9 toont een voorbeeld van een intermitterende Methaan. Dit voorbeeld is voor een voertuig-tanken event. Achtergrond wordt getoond 150-240 sec en 425 sec tot het einde. Deze bijzondere gebeurtenis was voor het tanken van een enkel vloeibaar aardgas (LNG) tank. De lekkage werd geïntegreerd om de totale massa uitgestoten (9,5 g) te bepalen.

figuur 9. Intermitterende Leak. Intermitterende 'lek' bron van een auto-tanken event (concentratie [ppm], verdunning debiet [scfm], de mate van lekkage [g / h]) (zie hoofdstuk 5). Klik hier om een grotere versie te bekijken dit figuur.
geaggregeerde Source
Door meerdere bronnen zijn in nauwe nabijheid en omsloten door een bedekking, werd de compressoreenheid samengevoegd en behandeld als een enkele bron voor lekkage kwantificering. Figuur 10 toont een voorbeeld van het meten van de uitstoot van methaan geaggregeerd bron. Deze gegevens werden verzameld uit een time-fill CNG compressor behuizing. Het compressorhuis werd continu gemeten gedurende ongeveer 119 minuten. De compressoreenheid ondervonden hebben vertonen een kleine hoeveelheid variabiliteit. Variaties in lekkage en methaan concentratie waren te wijten aan drukschommelingen en variabele lekt uitcompressor afdichtingen. Voor geaggregeerde bronnen werden gegevens verzameld voor langere periodes en de gemiddelde lek werd berekend.

Figuur 10. Aggregate voorbeeld. Leak tarief, flow, en de concentratie van gegevens uit een samengevoegde tijd te vullen CNG compressor behuizing (compressoren en ventilatoren uit) (zie paragraaf 5.7). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Om de nauwkeurigheid te verbeteren en het overwinnen van de huidige industriële beperkingen, hebben we de volledige Flow Sampling System (FFS) voor methaan kwantificering. Onderzoekers gebruikten het systeem in verschillende vormen in verschillende locaties in Noord-Amerika. Het gebruik van spectroscopie elimineert significante interferentie van C2 + verbindingen en de niet-destructieve bemonstering natuur zorgt voor zak bemonstering van het lek voor alternatieve analyse offsite. In combinatie met alternatieve wind blokkeert het systeem met succes en nauwkeurig gekwantificeerd methaanemissie uit de volgende items: CNG brandstofsystemen, LNG brandstofsystemen, interne verbrandingsmotor carters, leidingen, buizen, verbindingsstukken, flenzen, compressor openingen, goed hoofd componenten, water / olieafscheider tanks, kleppen, pneumatische aandrijvingen aangedreven door aardgas, goed omhulsels, en tal van andere aardgas gerelateerde componenten. Systeemplatforms opgenomen draagbare karren, on-road en off-road voertuigen. Stroomverbruik vereist het gebruik vaneen generator of huis macht door middel van standaard 120 VAC-aansluitingen. Echter, door dit gebruik van "raster" power het systeem bemonsteren hogere stroomsnelheden toch worden gebruikt in combinatie met verlengsnoeren en lange bemonstering Te draagbaarheid een bepaalde plaats van belang. Huidige batterij aangedreven systemen zijn prestaties gedaald als functie van de batterij laadtoestand dat wordt verwijderd met behulp van het elektriciteitsnet.
Periodieke kalibraties protocollen ontwikkeld en geïntegreerd in de gebruikersinterface. Protocollen 1-3 moeten voor elke nieuwe site audit of op zijn minst op een maandelijkse basis worden ingevuld. Als gebruikers niet ijverig volgen van de protocollen, kan het systeem onder of over-rapport uitstoot tarieven, die kan een negatieve invloed hebben op de uitstoot van de rapportage. Het primaire doel van de protocollen is om een nauwkeurige systeem om de totale website emissies te schatten met component granulariteit te garanderen. Als statistische analyses worden gebruikt om nieuwe emissiefactoren te maken, dan is elke niet-leakoning component moet ook worden opgenomen.
De lekdetectie proces kan tijdrovend zijn met het gebruik van handheld-eenheden. Het gebruik van een optisch gas-beeldcamera aanzienlijk minder tijd nodig is voor lekkages te signaleren. De camera moet in staat zijn de meting van vluchtige organische stoffen zoals methaan. Op dit moment beschikbare commerciële units hebben gevoeligheden op detecteerbare lekken tarieven van ongeveer 0,8 gram per uur (g / hr) en zijn afhankelijk van de wind. Beeldvormende apparaten zijn ook temperatuurgevoelig. Zorg ervoor dat de temperatuur schalen aan te passen als dat nodig is. Extreem koude dampen (cryogeen aardgas) of oververhitte dampen (stoom in uitlaten en anderen) kunnen verschijnen als buitensporig lekken. Latere kwantificering moet volgen om nauwkeurig te bepalen van de werkelijke lekkage van elke afgebeeld lek. Het gebruik van infraroodcamera's aanzienlijk kan verminderen lekdetectie voorraden, maar zijn gevoelig voor wind. Kleinere lekkages onder hoge wind kon diffuse sneller en niet worden gespot. Bij twijfel, altijd dubbel te controleren met een hand gehouden methaan detector.
Een gebruiksvriendelijke interface zorgt voor een gemakkelijke en het juiste gebruik van de FFS. Geïntegreerde gebruiker vraagt de gebruiker te helpen langs het protocol en vermindering van post-processing inspanningen. Bijvoorbeeld, een keer een lek kwantificering is voltooid (hoofdstuk 5), de gemiddelde lek tarief op basis van berekeningen met ten minste 30 sec van voortdurende concentratie en stroomsnelheid opnames zullen worden gerapporteerd. Gebruiker prompts automatisch gebruik maken van globale of lokale achtergrondconcentraties. Eenvoudige selectie op het scherm zorgt ervoor dat elektromagneten te bedienen en monster voor de juiste locaties. Gebruikers moeten volg alle aanwijzingen op het scherm om nauwkeurige kwantificering van het lek te waarborgen. Het programma zal automatisch de juiste voor het volgende: globale of lokale achtergrond; temperatuur; massastromingshoeveelheid (veronderstelde lucht met kooldioxide en methaan correcties); vochtigheid (gemeten vanaf de BKG-sensor); temperatuur (thermocouple - redundant cheque voor omgevingsvoorwaarden)
De relatieve onzekerheid van de gemeten prijzen methaanuitstoot is ± 4,4%, behalve in omstandigheden waarin het lek is inconsequent als de concentratie gemeten benaderd achtergrondconcentratie. Een voorbeeld van component onzekerheden is opgenomen in tabel 2.
| Bron | Onzekerheid (%) |
| methaan Sensor | 1 |
| Methaan sensor kalibratie correlatie | 0.73 |
| Methaan gasfles | 1 |
| Zero lucht gasfles | 0.1 |
| LFE | 0.7 |
| MAF | 4 |
| Drukverschil module | 0,025 |
| Absolute druk module | 0.06 |
| thermoelement | 0.4 |
| MAF kalibratie correlatie | 0.09 |
| gasverdeler | 0.5 |
Tabel 2. Component Onzekerheid. Independent component onzekerheden gebruikt om het systeem de onzekerheid te kwantificeren.
Over het geheel genomen hebben het systeem en de methoden nuttig gebleken bij de inspanningen om nauwkeurig te kwantificeren van de uitstoot van methaan uit verschillende bronnen. Het systeem is schaalbaar en gebruiksvriendelijk. Het ontworpen systeem heeft een onzekerheid van ± 4,4% in vergelijking met huidige commerciële systemen met een onzekerheid van ± 10% 74. Met de juiste ijking kan dit systeem eenvoudig te kwantificeren lekkagepercentages tot 140 SCFM vergelijking met de huidige commerciële systemen die in staat kwantificeren lekken tot 8 SCFM vol batterijlasten 64,74 zijn. Terwijl het systeem verbinding naar het huis van de macht nodig heeft, biedt dit voordelen van conconsistente sample rates en sample rates veel hoger dan de huidige systemen. De minimale detectielimiet van het huidige systeem is 0,24 g / uur of 3.0x10 -3 SCFM. De gebruikersinterface vermindert post-processing eisen en vermindert rapportage inspanningen. Bovendien, de laser gebaseerde sensoren zijn niet-destructief voor de lek monster, die zorgt voor directe meting van het monster met meerdere analysatoren 65. Laser gebaseerde metingen ook geen afzonderlijke sensoren voor ambient, klein en groot lek concentraties of sensor overgangen, die bijdragen aan de extra bronnen van onnauwkeurigheid vereisen. Toekomstige studies richten zich op voortdurende optimalisatie van het FFS en de user interface. Aanvullend onderzoek wordt uitgevoerd waarbij experimentele dynamiek onderzoeksgegevens en berekening vloeistof combineert om bijkomende best practices te ontwikkelen om ervoor te zorgen consistente en optimale meettechnieken.
The authors, along with Mr. Christopher Rowe and Mr. Zachary Luzader have filed invention disclosures and provisional patents with West Virginia University's Research Corporation and Office of Technology Transfer to protect the intellectual property associated with this system.
The authors thank the staff of the WVU Center for Alternative Fuels, Engines, and Emissions, including Mr. Zachary Luzader and Mr. Christopher Rowe. The author's thank the Environmental Defense Fund, the WVU Research Corporation, and the George Berry Foundation for funding the research programs that provided field data and a variety of test conditions under which to use the developed FFS.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Abaco DBX 97 mm | Abaco Performance, LLC | http://www.abacoperformance.com/products.htm | mass air flow sensor |
| Ultraportable Greenhouse Gas Analyzer | Los Gatos Research | http://www.lgrinc.com/analyzers/ultraportable-greenhouse-gas-analyzer/ | methane, CO2, and water sensor |
| 3AA20 Fume Exhauster | Daytona | http://www.sustainablesupply.com/Dayton-3AA20-Exhauster-Fume-Smoke-p/w267066.htm?gclid=CI2Dm9ffrcgCFUYTHwodyusFRg&CAWELAID=1307486526 | blower/dilutor |
| Eagle II | RKI Instruments | http://www.rkiinstruments.com/pdf/eagle2brochure.pdf | Handheld detector |
| MCR 50 | Alicat Scientific | http://www.alicat.com/ | calibrated on methane |
| Laminar Flow Element, Model Number: Z50MC2-6, Serial Number 707230-Y1 | Meriam | http://www.meriam.com/product-category/laminar-flow-element/ | calibrated on air |
| K-Type thermocouple | Omega | http://www.omega.com/ | |
| PTE-1 Calibrator | Heise | http://www.heise.com/products/calibrators/ | handheld unit for use with Dressor modules |
| Model HQS-2 | Dresser/Ashcroft | http://www.ashcroft.eu/download/data%20sheet/englisch/MODULE_E.pdf | absolute pressure module |
| Model HQS-1 | Dresser/Ashcroft | http://www.ashcroft.eu/download/data%20sheet/englisch/MODULE_E.pdf | differential pressure module |
| Gas Divider - SGD-710C | Horiba | http://www.horiba.com/us/en/ | calibrated gas divider |
| Methane (99.9%) | Mathenson TriGas | http://www.mathesongas.com/ | pure methane for gas recovery test |
| Methane (±1%) 2.5% | Mathenson TriGas | http://www.mathesongas.com/ | high concentration |
| Methane (±1%) 2,010 ppm | Mathenson TriGas | http://www.mathesongas.com/ | low concentration |
| Ultra High Purity Nitrogen (UPHN) | Mathenson TriGas | http://www.mathesongas.com/ | 99.9% nitrogent gas |
| 10 Liter Tedlar Bag | Dupont | http://www.dupont.com/products-and-services/membranes-films/pvf-films/brands/tedlar-pvf-films/uses-and-applications/tedlar-gas-sample-bag-applications.html | used for bag samples for alternative gas sampling |
| PET-7018Z | ICP DAS USA | http://www.icpdas-usa.com/pet_7018z.html | DAQ unit |
| Edgetech Dew Prime Hyrgrometer | Edgetech Instruments | http://www.edgetechinstruments.com/moisture-humidity | hygrometer for flowbench |
| Stainless steel Swagelok fittings (1/4 inch) | Swagelok | https://www.swagelok.com/products/fittings.aspx | tee and other fittings |
| PTFE Tubing | McMaster-Carr | http://www.mcmaster.com/#standard-hollow-tubing-(made-with-teflon-ptfe)/=z8xrzl | tubing for sampling and calibration |
| FLIR GF 320 | FLIR | http://www.flir.com/ogi/display/?id=55671 | infrared camera |
| CGA 580 Regulator | Airgas | http://airgas.com/category/_/N-1z13vaq | UHPN regulator |
| CGA 350 Regulator | Airgas | http://airgas.com/category/_/N-1z13vaq | Methane in nitrogen regulator |
| Leak detection solution (Snoop) | Swagelok | https://www.swagelok.com/search/find_products_home.aspx?show_results=Y&item=5e208092-ed6c-4251-9202-ed8a2aae5811 | bubble solution for non-leak verification |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission