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.
Bruken av naturgass fortsetter å vokse med økt oppdagelse og produksjon av ukonvensjonelle ressurser skifer. Samtidig, gassindustrien ansikter fortsatte gransking for metanutslipp fra hele forsyningskjeden, på grunn av metan relativt høye globale oppvarmingspotensial (25-84x av karbondioksid, ifølge Energy Information Administration). For øyeblikket finnes en rekke teknikker for varierte usikkerhet å måle eller estimere metanutslipp fra komponenter eller anlegg. Foreløpig er kun en kommersielt system tilgjengelig for kvantifisering av komponentnivå utslipp og nylige rapporter har markert sine svakheter.
For å forbedre nøyaktigheten og øke måling fleksibilitet, har vi designet, utviklet og implementert en roman full flyt sampling system (FFS) for kvantifisering av metanutslipp og klimagasser basert på transportutslipp måleprinsipper. FFS er et modulært system som består av en eksplosiv sikkert viften (e), masseluftstrømmen sensoren (e) (MAF), termoelement, prøvesonde, konstant volum prøvetakingspumpe, laserbasert drivhusgassen sensor, datainnsamlingsanordning, og analyseprogramvare . Avhengig av blåseren og slangen konfigurasjon anvendes, er den nåværende FFS i stand til å oppnå en strømningshastighet varierende fra 40 til 1.500 kubikkfot per minutt (SCFM). Utnyttelse av laser-baserte sensorer reduserer forstyrrelser fra høyere hydrokarboner (C2 +). Samtidig måling av vanndamp gjør det mulig for fuktighet korreksjon. Systemet er bærbar, med flere konfigurasjoner for en rekke applikasjoner som spenner fra å bli båret av en person til å bli montert i en håndkjerre, on-road kjøretøy seng, eller fra seng av verktøyet terrengkjøretøy (UTVs). FFS er i stand til å kvantifisere metanutslippsprisene med en relativ usikkerhet på ± 4,4%. Den FFS har vist, virkelige verden operasjon for kvantifisering av metanutslipp skjer i Conventionale og eksterne anlegg.
Nylige rapporter bekrefter klimaet endrer seg på grunn av menneskelig aktivitet, og ytterligere endring er uunngåelig en. Klimaendringene skjer fra en økning i gasser (GHG) konsentrasjonen i atmosfæren drivhus. Karbondioksid (CO 2) og metan er de største klimagass bidragsytere 2. CO 2 og metan stammer fra både naturlige prosesser og menneskelige aktiviteter 3. Stede atmosfæriske nivåer av CO 2 og metan har henholdsvis økt med 31% og 151% i løpet av de siste to århundrene, med metankonsentrasjonen øker med en hastighet på 2% per år 4-6. Klima konsekvenser av metan og CO 2 -utslipp avhenge av perioden anses som metan har en kortere atmosfærisk levetid i forhold til CO 2 7. Metan atmosfæriske levetid er 12-17 år, etter som oksidering til CO 2 oppstår åtte. Virkningen av metan er 72 ganger større enn CO <sub> 2 i en 20-årsperiode 9. På en massebasis, er metan 23 ganger mer effektiv på å fange varme i atmosfæren enn CO 2 over en 100-årsperiode 10. Metan og CO 2 står for 10% og 82% av de totale USA (US) klimagassutslipp 11. Globale utslipp av metan fra antropogene kilder er ca 60% og de resterende er fra naturlige kilder 8, 10.
I 2009 uforbrent metanutslipp mellom produksjonsbrønner og lokale distribusjonsnett tilsvarte 2,4% av brutto amerikanske naturgassproduksjon (1.9 til 3.1% på en 95% konfidensintervall) 12. Uforbrent metan utslipp er ikke bare skadelig for miljøet, men også representerer en stor kostnad å naturgasselskaper 13. Analytikere anslår at gassindustrien taper i overkant av $ 2 milliarder dollar per år på grunn av metan lekker og lufting 14. Uforbrent utslipp FareklIED som flyktning eller lufting 15, 16. Fugitive refererer til utilsiktet gassutslipp fra prosesser eller utstyr, slik som ventiler, flenser, eller beslag til omgivelses luft 17, 18. Venting refererer til forsettlig utslipp av gass fra utstyr eller driftsprosesser til omgivende luft, for eksempel pneumatiske aktuatorer 19. På onshore olje og gass anlegg, diffuse utslipp står for ~ 30% av de totale utslippene av metan 20. I 2011, US Environmental Protection Agency (EPA) anslår at mer enn 6 millioner tonn rømling metan rømt fra naturgass-systemer, som overstiger mengden av klimagasser (CO 2 -equivalent over en 100-års periode), slippes ut av alle amerikanske jern og stål, sement og aluminium produksjonsanlegg kombinert 21.
En kritisk gap eksisterer i bestemmelsen av klimapåvirkning av naturgass på grunn av mangel på nøyaktige og pålitelige estimater av forbindelse emissions. Men det er en enighet om at diffuse utslipp av metan oppstå i alle faser av naturgass livssyklus og videre forskning på nøyaktig måling og rapportering av disse verdiene er viktig 19. Studier har rapportert diffuse utslipp fra spesifikke sektorer med resultatene varierer med opptil tolv størrelsesordener 19, 22-28. Mangelen på anerkjente industristandarder og mangel på konsekvente regler innen lekkasjesøking og lekkasje kvantifisering aktivere bruken av en rekke testmetoder og utstyr, med en nøyaktighet på noen måleteknikker så høyt som ± 50% 29-35. Det foreligger derfor en betydelig usikkerhet på mengden av diffuse metan som utsendes i løpet av naturgassen livssyklusen 19, 28, 33, 36-39. Figur 1 illustrerer mengden av variasjonen i den publiserte litteratur på målte og beregnede metanutslipp i forbindelse med naturgassen liv syklus. Figur 1 </strong> viser den gjennomsnittlige publisert diffuse utslipp av metan slippes ut som en prosent av den totale produksjonen av naturgass. Ved en gjennomsnittlig verdi ikke ble gitt gjennomsnittet av de angitte område ble tatt. Standardavviket mellom de 23 studiene er 3.54, med de laveste og høyeste verdiene avviker med 96,5%.
Figur 1. Fugitive metanutslipp. Publisert gjennomsnitt diffuse utslipp av metan slippes ut som en prosent av den totale produksjonen av naturgass 13, 27, 40-59. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Foreløpig er den totale mengden av diffuse utslipp er uklart skyldes delvis til måleusikkerhet og skaleringsteknikker. Uten nøyaktige metan utslippsmålinger, politikere er ikke i stand til å ta informerte valg om saken.En gjennomgang av aktuell litteratur identifisert tre primære metoder for kvantifisering av naturgass diffuse utslipp: bagging, tracer gass, og en kommersielt tilgjengelig high flow sampler.
Den bagging metoden innebærer å plassere en innhegning i form av en "pose" eller telt rundt en flyktning utslippskilde 60. Det er to varianter av oppsamler-metoden. I en, en kjent strømningshastighet på ren gass (vanligvis inert) passerer gjennom avlukket for å skape et godt blandede miljø for måling. Når likevekt er nådd, blir en gassprøve oppsamlet fra posen og målt. Diffuse utslipp satsen bestemmes ut fra den målte strømningshastighet på ren gass gjennom kabinettet og steady-state metankonsentrasjonen i innelukket 61. Avhengig av kabinett og lekkasje størrelse, den tiden som kreves for å nå de nødvendige stabile forhold for lekkasjemåling er mellom 15 til 20 min 61. Den bagging metodekan brukes på de fleste tilgjengelige komponenter. Det kan imidlertid ikke være egnet for unormalt formede komponenter. Denne metoden typen er i stand til å måle lekkasjer varierer i størrelse fra 0,28 kubikkmeter per minutt (m 3 / min) til så stor som 6,8 m 3 / min 60 sikret andre bagging teknikken er kjent som kalibrert bagging. Her er poser med kjent volum forseglet rundt en flyktning utslippskilde. Diffuse utslipp rente er beregnet på grunnlag av hvor mye tid som kreves for utvidelse av sekken, og korrigert for å standardbetingelser.
Sporgass metoder kvantifisere en diffuse utslipp rate basert på den målte sporgasskonsentrasjon som strømmer gjennom en flyktning kilde. Tracer gasser som vanligvis benyttes er helium, argon, nitrogen, svovelheksafluorid, blant andre. Diffuse utslipp satsen bestemmes ut fra forholdet mellom en kjent frigjøringshastigheten av sporgass nær rømling kilde, målinger av lense konsentrasjoner av tracer og fugitive kilde gass, og motvind baseline 24. Diffuse utslipp rate er bare gyldig forutsatt identisk spredning og fullstendig blanding for de to kildene 62. Dette innebærer at tracer slippes nær flyktning kilde med en lignende hastighet og høyde, og vindretningen målingen er fra godt blandet fjær. Denne fremgangsmåte er tidkrevende og gir ikke for komponentnivå granularitet 63.
En kommersielt tilgjengelig høyt volum sampling system består av en bærbar batteridrevet instrument pakket i en ryggsekk til å kvantifisere diffuse utslipp priser 64. Den luft som omgir lekkasjelokalisering blir trukket inn i prøvetakeren gjennom en 1,5 tommers indre diameter slange ved en tilstrekkelig høy strømningshastighet at det kan antas at alle av de lekkende gass tas.
I prøve-strømningshastigheten er beregnet med en venturi i enheten. For lave konsentrasjoner av metan, 0,05-5% gass i volum, acatalyst metan sensoren brukes til å måle konsentrasjonen. Denne sensoren er ødeleggende for metan og andre hydrokarboner i prøven. For metan konsentrasjoner fra 5-100% etter volum, er en termisk sensor som anvendes. Systemet benytter en separat bakgrunn sensor og sonde som korrigerer lekkasjen konsentrasjon i forhold til bakgrunnen konsentrasjon. Etter at målingen er fullført, blir prøven oppbrukt tilbake til atmosfæren vekk fra samplingsområdet 64. Denne metoden kan brukes på de fleste tilgjengelige komponenter, med begrensning av målbare strømningshastigheter opptil åtte kubikkfot per minutt (scfm). Dette systemet er i stand til å teste opp til 30 prøver per time. Nylig har dette systemet er vist å ha variert nøyaktighet og problemer med hensyn til overgangen fra den katalytiske sensor til temperaturføleren 65. I tillegg krever systemet gass brøk analysen til riktig anvende en responsfaktor basert på gass kvalitet – det er ikke metanspesifikk. Systemet har vært mye brukt og kan ha tilskrevet avvik mellom top-down og bottom-up metoder i henhold til rapportering metanutslipp 65.
På grunn av begrensningene ved disse fremgangsmåter og systemer, ble en ny kvantifisering system utviklet. Den FFS benytter samme designkonsept som fortynning systemer som brukes i bilindustrien utslipp sertifisering 66-68. FFS består av en slange som mater en eksplosiv sikker blåser som eksos lekkasje og fortynning luft prøven gjennom en masse luftstrøm sensor (MAF) og prøve sonde. Prøven Sonden er koblet til en laserbasert metan analysator gjennom et prøvetakingsrør. Analysatorene benytter hulrom forbedret absorpsjon for måling av CH4, CO2 og H2O Analysatoren er i stand til å måle CH 4 fra 0% til 10 volum%, CO 2 fra 0 til 20.000 ppm, og H2O fra 0 til 70.000 ppm. Repeterbarhet / presisjon (1-sigma) for denne konfigurasjonen jegs <0,6 ppb av CH 4, <100 ppb CO 2, og <35 ppm for H 2 O 69. Prøven er tatt fra strømmen ved en konstant volumetrisk hastighet. Systemet er instrumentert med dataloggingsutstyr. Figur 2 illustrerer skjematisk av FFS. Forut for drift av FFS, blir jordingskontakten på sampler slange festet til en overflate som gjør at systemet kan være jordet. Dette er et forebyggende tiltak for å spre statisk elektrisitet på enden av slangen, noe som kan resultere fra luftstrømmen gjennom slangen. Datainnsamlingen foregår på enten en smarttelefon, nettbrett eller bærbar datamaskin. Programvaren ble utviklet for datainnsamling, bearbeiding og rapportering. Figur 3 gir en kort oversikt over de brukergrensesnitt for følgende protokoller.
Figur 2. FFS Skjematisk og bilde Venstre -. FFS skjematisk ogrett -. bærbare FFS under komprimert naturgass (CNG) stasjon revisjon Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Påvisning og kvantifisering Program Oversikt. Kort oversikt over trinnene og bruker ber for kalibreringer, utvinning tester, og lekke kvantifisering. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
For å forbedre nøyaktigheten og overvinne dagens begrensninger industri, skapte vi Full Flow Sampling System (FFS) for metan kvantifisering. Forskere som brukes i systemet i en rekke former i en rekke steder i Nord-Amerika. Bruk av spektroskopi eliminerer signifikant interferens fra C2 + -forbindelsene, og de ikke-destruktive prøve natur gjør det mulig for pose prøvetaking av lekkasjen for alternativ analyse offsite. Når det kombineres med alternative vind blokkerer systemet har og nøyaktig kvantifisert metanutslipp fra følgende elementer: CNG drivstoffsystemer, LNG drivstoffsystemer, forbrenningsmotor veivhus, rør, slanger, koblinger, flenser, kompressor ventiler, brønnhodekomponenter, vann / olje separator tanker, ventiler, pneumatiske aktuatorer drevet av naturgass, foringsrør, og en rekke andre naturgass relaterte komponenter. Systemplattformer inkludert bærbare vogner, on-road og off-road kjøretøyer. Strømforbruk krever bruk aven generator eller hus makt gjennom standard 120 VAC tilkoblinger. Men gjennom denne bruken av 'grid' makt systemet kan smake på høyere strømpriser, men fortsatt brukes i forbindelse med skjøteledninger og lange prøvetaking hus for portabilitet rundt et gitt område av interesse. Nåværende batteridrevne systemer har redusert ytelse som en funksjon av batteriets ladetilstand som elimineres ved hjelp av rutenettet makt.
Periodiske kalibreringer protokoller har blitt utviklet og integrert i brukergrensesnittet. Protokoller 1-3 skal være fullført før eventuelle nye nettstedet revisjon eller på et minimum på månedlig basis. Hvis brukerne ikke følger nøye med protokollene, kan systemet under eller over-rapport utslipps priser, noe som kan ha negativ innvirkning på GHG rapportering. Det primære målet for protokollene er å sikre en nøyaktig system for å estimere total språk utslippene med komponent detalj. Hvis brukes statistisk analyse for å skape nye utslippsfaktorer, deretter hver ikke-leakonge Delen skal også registreres.
Den lekkasjesøk prosessen kan være tidkrevende med bruk av håndholdte enheter. Bruken av en optisk gass-bildekamera i betydelig grad kan redusere den tid som kreves for lekkasje oppdage. Kameraet må være i stand til å måle flyktige organiske forbindelser, inkludert metan. For tiden tilgjengelige kommersielle enheter har følsomhet på påvisbare lekkasjerater på ca 0,8 gram per time (g / t), og er avhengig av vindforholdene. Bildebehandlingsenheter er også følsom for temperatur. Sørg for å justere temperaturskalaer som nødvendig. Ekstremt kalde damper (kryogenisk naturgass) eller overopphetede damp (steam i eksos og andre) kan fremstå som overdreven lekkasjer. Etterfølgende kvantifisering må følge for å fastslå nøyaktig den faktiske lekkasjerate på noen avbildes lekkasje. Bruk av infrarøde kameraer kan redusere lekkasjesøking varelager, men er følsom for vindforhold. Mindre lekkasjer under høye vindforhold kunne diffuse raskere og ikke bli oppdaget. Når du er i tvil, alltid dobbeltsjekke med en håndholdt metan detektor.
Et brukervennlig grensesnitt sikrer enkel og riktig bruk av FFS. Integrert brukeren ber hjelpe brukeren langs protokollen og redusere etterbehandlingstiltak. For eksempel, når en lekkasje kvantifisering er fullført (§ 5), gjennomsnittlig lekkasjerate basert på beregninger med minst 30 sek kontinuerlig konsentrasjonen og strømningshastigheten opptakene vil bli rapportert. Bruker meldingene vil automatisk bruke globale eller lokale bakgrunnskonsentrasjoner. Enkel skjermvalg vil føre solenoider å drive og prøve for de riktige stedene. Brukere bør følge alle på skjermen for å sikre nøyaktig kvantifisering av lekkasjen. Programmet vil automatisk riktig for følgende: global eller lokal bakgrunn; temperatur; massestrømningshastighet (antatt luften med karbondioksid og metan rettelser); fuktighet (målt fra GHG sensor); temperatur (thermocouple – overflødig sjekk for omgivelsene)
Den relative usikkerheten målt metanutslipp prisene er ± 4,4%, bortsett fra i tilfeller hvor lekkasjen er ubetydelig som konsentrasjonen målt nærmet bakgrunn konsentrasjon. Et eksempel på komponent usikkerheter er gitt i Tabell 2.
Kilde | Usikkerhet (%) |
metan Sensor | 1 |
Metan sensor kalibrering korrelasjon | 0,73 |
Metangass flaske | 1 |
Null luft gassflaske | 0.1 |
LFE | 0.7 |
MAF | 4 |
Differensialtrykkmodulen | 0.025 |
Absolutt trykkmodulen | 0,06 | </tr>
Termoelement | 0.4 |
MAF kalibrering korrelasjon | 0,09 |
gass divider | 0.5 |
Tabell 2. Komponent Usikkerhet. Uavhengige komponent usikkerhet som brukes til å kvantifisere system usikkerhet.
Totalt sett systemet og dets metoder har vist seg gunstig i arbeidet med å tallfeste nøyaktig metanutslipp fra ulike kilder. Systemet er skalerbart og brukervennlig. Den utviklede systemet har en usikkerhet på ± 4,4% i forhold til dagens kommersielle systemer med en usikkerhet på ± 10% 74. Med riktig kalibreringer, kan dette systemet lett kvantifisere lekkasjerater opp til 140 SCFM forhold til dagens kommersielle systemer som er i stand til å kvantifisere lekkasjer opp til 8 SCFM med full Batteriet lades 64,74. Mens systemet krever tilkobling til huset makt, og tilbyr fordelene med conensartede samplingsfrekvenser og samplingsfrekvenser mye høyere enn dagens systemer. Minste deteksjonsgrensen for dagens system er 0,24 g / t eller 3.0×10 -3 SCFM. Brukergrensesnittet reduserer etterbehandlingsbehov og reduserer rapporteringsarbeidet. I tillegg laser-baserte sensorer er ikke-ødeleggende for lekkasjeprøven, som tillater direkte måling av prøven med flere analysatorer 65. Laserbaserte målinger ikke krever separate sensorer for omgivelses, liten og stor lekkasje konsentrasjoner eller sensor overganger, som bidrar til ytterligere kilder til unøyaktighet. Fremtidige studier fokuserer på fortsatt optimalisering av FFS og brukergrensesnittet. Ytterligere forskning blir gjennomført som kombinerer eksperimentelle forskningsdata og beregning fluid dynamics å utvikle flere beste praksis for å sikre konsistente og optimale måleteknikker.
The authors have nothing to disclose.
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.
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%) 2010 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 |