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.
使用天然气的继续增加非常规页岩资源的发现和生产的增长。与此同时,天然气行业面临持续的甲烷排放量从审查在整个供应链中,由于甲烷的相对较高的全球变暖潜能值(25-84x的二氧化碳,根据美国能源信息管理局)。目前,各种不同的不确定性的技术存在来测量或估计从部件或设施的甲烷排放量。目前,只有一个商用系统可用于组件级别的排放和最近的报告中定量强调了它的弱点。
为了提高准确性,提高测量灵活性,我们已经设计,开发和实施了一种新的全流量取样系统(FFS),用于基于交通排放测量原理的甲烷排放和温室气体的定量。在FFS是一个模块化系统,由一个防爆鼓风机(多个),空气质量流量传感器(S)(MAF),热电偶,试样探针,恒定体积取样泵,基于激光的温室气体传感器,数据采集装置,和分析软件的。所采用的鼓风机和软管配置依赖,电流FFS是能够实现的流速范围从40到1500标准立方英尺每分钟(SCFM)。基于激光的传感器的利用率减轻从更高级的烃(C2 +)的干扰。水蒸汽联合测量允许湿度修正。该系统是便携式的,具有多个配置为各种应用,从由一个人携带,以被安装在一个手绘车,公路上车辆的床,或从实用地形车(UTVs)的床。农民田间学校是能够量化的甲烷排放率在±4.4%的相对不确定性。农民田间学校已经证明,现实世界中操作的甲烷排放量的conventio发生的量化最终和远程设备。
最近的报告证实气候正在因人类活动的变化,并进一步变化是不可避免的1。气候变化从增加大气中的温室气体(GHG)的浓度发生。二氧化碳(CO 2)和甲烷是2最大的温室气体的贡献者。 二氧化碳和甲烷来自自然过程和人类活动的起源3。 二氧化碳和甲烷目前的大气水平在过去的两个世纪中,分别增加了31%和151%,而甲烷浓度为2%,每年4-6个的速度增加。甲烷和二氧化碳的排放量的气候影响取决于视为甲烷具有较短的大气寿命相对于CO 2 7的周期。甲烷的大气寿命为12-17岁,之后氧化成二氧化碳发生8。甲烷的影响比CO大于72倍<sUB> 2的20年间9。上的质量的基础上,甲烷是在超过100年间10在大气中的比的 CO 2捕集热23倍更有效的。甲烷和CO 2占10%,总美国(US)的温室气体排放11的82%。人为来源全球甲烷排放量是大约60%,其余是从天然来源8,10。
在2009年,未燃烧的生产井和本地分配网络之间的甲烷排放量相当了毛美国天然气生产的2.4%(1.9-3.1%在95%置信水平)12。未燃烧的甲烷排放量,不仅对环境有害,而且还表示向天然气公司13巨大的成本。分析人士估计,天然气行业每年超过$ 2十亿美元,因为甲烷泄漏和通风14输了。未燃烧排放classifIED为逃犯或排气15,16。溢散指气体从工艺或设备,例如阀,法兰,或管件无意地 释放到周围空气17,18。通风指气体的有意释放从设备或操作处理至环境空气,如气动致动器19。在陆上石油和天然气设施,无组织排放约占〜的甲烷排放总量20的30%。 2011年,美国环境保护署(EPA)估计超过600万吨逃犯甲烷的天然气系统,超出温室气体排放量逃脱(CO 2当量在100年间),通过发射美国所有的钢铁,水泥和铝生产设施结合21。
在天然气的气候影响的决心存在由于缺乏相关的EM准确而可靠的估计数的临界间隙issions。然而,有一个无组织的甲烷排放量中精确地测量和报告这些值出现在天然气的生命周期,并进一步研究的每个阶段的共识是重要的19。有研究报道,从具体部门的无组织排放与结果不同的19级,22-28通过多达十二个订单。缺乏公认的行业标准和在泄漏检测和漏量化的字段相一致的规定的短缺使得能够使用的各种试验方法和设备,具有一些测量技术高达±50%29-35的准确性。因此,相当大的不确定性存在于发射在天然气生命周期19,28,33,36-39逃犯甲烷的量。 图1示出了在已发表 的文献可变性的量在与天然气的生活相关联的测量和估计的甲烷排放量循环。 图1 </stroNG>显示发出占总天然气产量的百分比平均发表逃犯甲烷排放量。如果未给的平均值取公布范围的平均值。 23研究之间的标准偏差是3.54,最低和最高值相差96.5%。
图1.逃犯甲烷排放量。发布时间平均排放在总天然气产量13,27,40-59的百分比逃犯甲烷排放量。 请点击此处查看该图的放大版本。
目前,无组织排放的总量,部分原因是测量不确定度和缩放技术目前尚不清楚。如果没有准确的甲烷排放测量,政策制定者无法对此事做出明智的选择。目前的文献综述确定了天然气的溢散排放的量化三种主要方法:套袋,示踪气体,和市售高流量采样器。
装袋方法包括放置一个外壳在一个'袋'或热门周围无组织排放源60的形式。有装袋方法的两种变化。在一种,清洁气体的已知的流速(通常为惰性的)穿过外壳以创建用于测量的充分混合的环境。一旦达到平衡,气体样品从袋收集和测量。逃犯发射率从通过外壳61内的外壳和稳态甲烷浓度的清洁气体的测量流量来确定。根据外壳和泄漏的大小,以达到漏率测量必要的稳态条件所需的时间是最小61 20 15之间通过。装袋方法能够在最方便的组件应用。然而,这可能不适合于异常形状的部件。这种方法类型能够测量泄漏大小不等,从每分钟0.28立方米( 立方米 /分钟)大6.8米3 /分60。另套袋技术被称为校准装袋到。在这里,已知体积的袋周围无组织排放源密封。逃犯排放率是基于该袋的扩张所需的时间来计算,并校正到标准条件。
示踪气体量化方法基于流经逃犯源测量示踪气体浓度的无组织排放率。通常使用的示踪气体是氦,氩,氮,六氟化硫,等等。无组织排放速率从示踪气体的已知释放速率的附近散逸源的比率来确定,示踪和fugi的顺风浓度的测量略去源气体,和逆风基线24。无组织排放率仅为有效承担两个源62相同的分散性和完全混合。这意味着该示踪剂以类似的速度和高度接近逃犯源释放,并且顺风测量距离充分混合羽状。该方法是耗时的,并且不提供用于分量级粒度63。
市售大容量采样系统由一个背包内打包一个便携式电池供电仪器来量化无组织排放率64。周围渗漏位置的空气是通过一1.5英寸的内径的软管以足够高的流速吸入到采样器,它可以假设所有的泄漏气体的被捕获。
样品流率的计算与单位内的文氏管。对于低浓度的甲烷,0.05-5%的气体的体积,交流atalyst甲烷传感器是用来测量浓度。这种传感器是破坏性的样品内的甲烷和其他烃。为从5-100%的甲烷浓度(体积),一个热传感器采用。该系统采用一个单独的背景传感器和探针这相对于背景浓度的泄漏浓度校正。测量完成后,将样品用完后回大气从取样区域64远。这种方法可以在大多数辅助组件适用,但可测量流量的限制多达八个标准立方英尺每分钟(SCFM)。这个系统能够检测高达每小时30样品。最近,这种系统已显示出具有不同的精确度和关于来自催化传感器的热传感器65的过渡的问题。此外,该系统需要气体分数分析基于气体质量正确应用的响应因子 – 它不是甲烷具体。该系统已被广泛使用,并且可以通过提交报告的甲烷排放量65已归因于自上而下和自下而上的方法之间的差异。
由于这些方法和系统的限制,一新的量化系统的开发。农民田间学校采用了相同的设计理念,在汽车排放认证66-68使用稀释系统。农民田间学校是由哺养的防爆风机,通过一个质量流量传感器(MAF)和采样探头耗尽泄漏和稀释空气样品软管。试样探头通过取样管连接到基于激光甲烷分析仪。该分析仪使用空腔增强吸收为CH 4,CO 2,和H 2 O的测定该分析仪能够通过体积,CO 2的从0到20,000ppm的,和H 2 O在0到70,000 ppm的由0%至10%的测量的 CH 4。重复性/精度(1-Σ)此配置我小号<0.6 ppb的CH 4,<100 ppb的二氧化碳 ,而<35ppm的的在H 2 O 69。将样品从流以恒定的体积速率拉伸。系统仪表用数据记录设备; 图2示出了FFS的示意图。前操作所述FFS,上采样器软管接地连接附连到表面,使系统接地。这是为了消散在软管的端部,这可能导致从通过软管气流任何静态电荷的预防措施。数据采集的发生要么是一款智能手机,平板电脑或笔记本电脑上。软件进行数据采集,处理和报告的发展。 图3提供了以下协议的用户界面的简要概述。
图2. FFS原理图和影像左转– FFS原理图和正确-压缩天然气(CNG)站审核期间便携式FFS 请点击此处查看该图的放大版本。
图3.检测和定量项目概述,步骤和用户简述提示输入校准,恢复测试,和泄漏量化。 请点击此处查看该图的放大版本。
为了提高准确性,并克服当前行业限制,我们创建了全流采样系统(FFS)甲烷定量。研究人员使用的系统中的各种在北美许多位置的形式。光谱的使用消除由C2 +化合物和非破坏性采样性质显著干扰允许泄漏替代分析异地的袋采样。 CNG燃料系统,LNG燃料系统,内燃机曲轴箱,管道,管件,接头,法兰,压缩机排气口,井口部件,水/:当与另一种风块系统已成功地,准确地量化从下列项目中的甲烷排放量相结合油气分离罐,阀门,天然气,井套管,和许多其他天然气相关的组件驱动气动执行机构。系统平台包括便携式车,在道路上和越野车。功耗确实需要使用通过标准的120 VAC连接的发电机或房子的力量。然而,通过本使用“网格”动力系统可在高流速,但仍处于配合使用延长线和长采样房屋的可移植性围绕感兴趣的特定部位取样。目前电池供电的系统已经降低性能作为使用电网电力消除电池充电状态的函数。
周期性校准协议已被开发并集成到用户的接口。协议应1-3之前,任何新的现场审核或在每月的最低完成。如果用户不勤奋地遵循协议,该系统可以根据或过报告的排放率,这可能会产生不利的温室气体报告影响。的协议的主要目的是确保精确的系统来估计与组分粒度总站点排放。如果统计分析被用于创建新的排放因素,那么每个非LEA王组件也必须记录。
泄漏检测方法可以是时间与使用手持设备的耗费。使用的光学气体成像相机可以显著减少泄漏检测所需的时间。摄像机必须能够测量包括甲烷的挥发性有机化合物。目前可用的商业单位对每小时(克/小时)大约0.8克检测泄漏率敏感性和取决于风力条件。成像设备也对温度敏感。一定要调整温标是必要的。极冷蒸气(深冷天然气)或过热蒸汽(蒸汽尾气等)可能会出现过度泄漏。随后的量化必须遵循准确地确定任何成像泄漏的实际泄漏率。红外摄像机的使用可以减少显著检漏库存,但对风力条件敏感。强风条件下,规模较小的泄漏可能diffu本身更迅速,更不会被发现。有疑问时,总是用一只手仔细检查召开甲烷检测。
一个用户友好的界面确保轻松和正确使用FFS的。集成的用户提示帮助用户沿着协议,并减少后处理工作。例如,一旦一个泄漏量化完毕(第5部分),平均泄漏率基于使用连续浓度的至少30秒的计算和流速的录音将被报告。用户提示将自动使用全局或局部背景浓度。简单的屏幕上的选择将导致电磁阀为正确的位置进行操作和样品。用户应遵守所有屏幕上的提示,以确保泄漏的准确定量。该计划将用于以下自动校正:全局或局部的背景;温度;质量流率(假定空气与二氧化碳和甲烷的校正);湿度(从温室气体传感器测量);温度(千卡ocouple – 环境条件冗余校验)
测量甲烷排放率的相对不确定性,除非情况±4.4%,其中随着浓度的测量接近本底浓度泄漏是无关紧要的。成分的不确定性的一个例子在表2中被提供。
资源 | 不确定度(%) |
甲烷传感器 | 1 |
甲烷传感器校准相关 | 0.73 |
甲烷气体瓶 | 1 |
零空气气瓶 | 0.1 |
LFE | 0.7 |
MAF | 4 |
差压模块 | 0.025 |
绝对压力模块 | 0.06 | </TR>
热电偶 | 0.4 |
MAF校准相关 | 0.09 |
气分 | 0.5 |
表2.组件不确定性。用来量化系统的不确定性独立分量不确定性。
总体而言,该系统和其方法,努力从各种来源准确量化的甲烷排放量已被证明是有益的。该系统具有可扩展性和用户友好。所开发的系统相比具有为±10%74,不确定性当前商业系统的±4.4%的不确定性。用适当的校准,该系统可以很容易地进行量化泄漏率高达140 SCFM相比,其能够具有充分的电池充电64,74最多8 SCFM定量泄漏的当前的商业系统。尽管该系统需要连接到室内电源,这提供了骗子的优势sistent采样率和采样速率比现有系统高得多。当前系统的最低检测限为0.24克/小时或3.0×10 -3 SCFM。用户界面减少后处理要求,并降低了报告的努力。此外,基于激光的传感器是无损到泄漏样品,其允许与多个分析仪65中的样品的直接测量。基于激光测量,也不需要为环境,小,大的泄漏浓度或传感器的转换,这有助于误差的其他来源独立的传感器。未来的研究重点放在FFS,其用户界面的持续优化。进一步的研究正在进行,结合实验研究数据和计算流体力学开发其他最佳实践,以确保一致的和最佳的测量技术。
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.
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