Utformning och användning av en fullflödesprovtagningssystemet (FFS) för kvantifiering av metanutsläpp

Abstract

Användningen av naturgas fortsätter att växa med ökad upptäckt och produktion av okonventionella resurser skiffer. Samtidigt, naturgasindustrin ansikten fortsatt kontroll för metanutsläpp från hela leveranskedjan, på grund av metan relativt hög global uppvärmningspotential (25-84x koldioxidens, enligt Energy Information Administration). För närvarande, en mängd olika tekniker för olika osäkerheter finns att mäta eller uppskatta metanutsläpp från komponenter eller anläggningar. För närvarande är endast ett kommersiellt system för kvantifiering av komponentutsläppsnivå och nya rapporter har visat sina svagheter.

För att förbättra noggrannheten och öka mätning flexibilitet har vi utformat, utvecklat och genomfört en ny fullflödesprovtagningssystemet (FFS) för kvantifiering av metanutsläpp och växthusgaser baserat på mätprinciper utsläpp från transporter. FFS är ett modulsystem som består av en explosiv säker fläkt (s), mass luftflöde sensor (s) (MAF), termoelement, provsond, konstant volym provtagningspump, laserbaserad växthus gassensor, datainsamlingsenhet och analysprogram . Beroende av fläkten och slangkonfiguration som används, är den nuvarande FFS kan uppnå en flödeshastighet i intervallet från 40 till 1500 standard kubikfot per minut (SCFM). Utnyttjande av laserbaserade sensorer minskar störningar från högre kolväten (C2 +). Samtidig mätning av vattenånga möjliggör korrigering av luftfuktigheten. Systemet är bärbart, med flera konfigurationer för en mängd olika tillämpningar som sträcker sig från att föras av en person till att vara monterad i en räcka dragen vagn, on-road fordon säng, eller från bädden av verktyget terrängfordon (UTVs). FFS kan kvantifiera metanutsläppsnivåer med en relativ osäkerhet på ± 4,4%. FFS har visat, verkliga världen operation för kvantifiering av metanutsläpp som förekommer i Conventionella och fjärrstyrning.

Introduction

Nya rapporter bekräftar klimatet förändras på grund av mänsklig verksamhet och ytterligare förändring är oundviklig ^1. Klimatförändringen sker från en ökning av växthusgaser (GHG) koncentration i atmosfären. Koldioxid (CO ₂₎ och metan är de största växthusgas bidragsgivarna ^2. _CO2 och metan kommer från både naturliga processer och mänskliga aktiviteter ^3. Nuvarande atmosfärens halt av _CO2 och metan har respektive ökade med 31% och 151% under de senaste två århundradena, med metankoncentrationen ökar i en takt av 2% per år ^4-6. Klimat konsekvenserna av metan och _CO2-utsläpp beror på den undersökta perioden som metan har en kortare atmosfärisk livslängd i förhållande till CO ₂ ^7. Metan atmosfäriska livslängd är 12-17 år, varefter oxidation till _CO2 sker ^åtta. Effekterna av metan är 72 gånger större än CO 9. På en massbasis, är metan 23 gånger mer effektiva på att fånga värme i atmosfären än _CO2 under en 100-årsperiod ^10. Metan och CO ₂ står för 10% och 82% av de totala USA (US) utsläpp av växthusgaser ^11. Globala metanutsläpp från antropogena källor är ungefär 60% och resterande är från naturliga källor ^{8, 10.}

Under 2009, icke-förbrända metanutsläpp mellan produktionsbrunnar och lokala distributionsnät motsvarade 2,4% av brutto amerikanska naturgasproduktion (1,9-3,1% vid 95% konfidensnivå) ^12. Icke-förbrända metanutsläppen är inte bara skadligt för miljön, utan också utgör en enorm kostnad för naturgasföretag ^13. Analytiker uppskattar att naturgasindustrin förlorar mer än $ 2 miljarder dollar per år på grund av metanläckage och avluftning ^14. Icke-förbrända utsläpp är classifIED som flykting eller avluftning ^{15, 16.} Fugitive hänvisar till oavsiktlig frigöring av gas från processer eller utrustning, såsom ventiler, flänsar eller kopplingar till omgivande luft ^{17, 18.} Avluftning hänvisar till avsiktliga utsläpp av gas från utrustning eller driftsprocesser till omgivande luft, såsom pneumatiska manöverdon ^19. Vid landbaserad olje- och naturgasanläggningar, svarar flyktiga utsläpp för ~ 30% av de totala metanutsläppen ^20. Under 2011 US Environmental Protection Agency (EPA) uppskattar att mer än 6 miljoner ton flyktiga metan rymt från naturgassystem, som överstiger mängden utsläpp av växthusgaser _(CO2 -equivalent under en 100-årsperiod), som avges av alla amerikanska järn och stål, cement och aluminium tillverkningsanläggningar i kombination ^21.

Det finns en kritisk lucka i fastställandet av klimatpåverkan av naturgas på grund av brist på tillförlitlig och tillförlitliga uppskattningar av tillhörande emissions. Det finns dock en enighet om att flyktiga metanutsläpp uppstår i varje skede av naturgas livscykel och ytterligare forskning noggrant mäta och rapportera dessa värden viktigt ^19. Studier har rapporterat diffusa utsläpp från särskilda sektorer med resultaten varierar med upp till tolv tiopotenser ^{19, 22-28.} Bristen på erkända branschstandarder och en brist på enhetliga regler på området för läcksökning och läck kvantifiering möjliggöra användning av en mängd olika testmetoder och utrustning, med en noggrannhet av några mätmetoder så hög som ± 50% ^29-35. Därför finns en betydande osäkerhet om mängden flyktiga metan över naturgas livscykel ^{19, 28, 33, 36-39.} Figur 1 visar mängden av variabilitet i publicerad litteratur på uppmätta och beräknade metanutsläppen i samband med naturgas liv cykeln. Figur 1

Figur 1. Flyktiga metanutsläpp. Publicerad i genomsnitt flyktiga metanutsläpp som släpps ut som en procent av den totala produktionen av naturgas ^{13, 27, 40-59.} Klicka här för att se en större version av denna siffra.

För närvarande är oklart den totala mängden flyktiga utsläpp beror delvis på mätosäkerhet och skalning tekniker. Utan noggranna mätningar metan utsläppsbeslutsfattarna inte kan göra medvetna val i frågan.En genomgång av aktuell litteratur identifierat tre primära metoder för kvantifiering av naturgas utsläpp flyktiga: paketering, spårgas, och en kommersiellt tillgänglig högt flöde sampler.

Säck Metoden innebär att placera ett hölje i form av en "påse" eller tält runt en flyktiga utsläpp källa ^60. Det finns två varianter av säckmetoden. I en, passerar en känd flödeshastighet av ren gas (typiskt inert) genom inneslutningen för att skapa en väl blandad miljö för mätning. När jämvikt har uppnåtts, tas ett prov gas som samlats från påsen och mätas. De flyktiga utsläppen hastigheten bestäms från den uppmätta flödeshastigheten för ren gas genom inneslutningen och metankoncentrationen steady state inuti inneslutningen ^61. Beroende på inneslutningen och läckagestorlek, den tid som krävs för att nå de nödvändiga stationära betingelser för mätning läckagehastigheten är mellan 15 till 20 min ^61. Säckmetodenkan appliceras på de flesta tillgängliga komponenter. Det kan dock inte vara lämplig för onormalt formade komponenter. Denna metod typ är i stånd att mäta läckage varierar i storlek från 0,28 kubikmeter per minut (m ³ / min) för att så stor som 6,8 m ³ / min ⁶⁰ .Den andra uppsamlare teknik kallas kalibrerad uppsamling. Här är påsar av känd volym förseglad runt en flyktiga utsläpp källa. De flyktiga utsläppen hastigheten beräknas utifrån hur mycket tid som krävs för expansion av påsen, och korrigerad till standardbetingelser.

gas metoder Tracer kvantifiera en flyktiga utsläppsnivån baserad på den uppmätta spår gaskoncentrationen strömmar genom en flyktig källa. Spårgaser som vanligen används är helium, argon, kväve, svavelhexafluorid, bland andra. De flyktiga utsläppen hastigheten bestäms från förhållandet mellan en känd frisättningshastigheten av spårgas nära den flyktiga källan, mätningar av medvinds koncentrationerna av spårämne och fugitiva källgas, och på vindsidan baslinje ^24. De flyktiga utsläppen hastigheten gäller endast under förutsättning identisk spridning och fullständig blandning för de två källorna ^62. Detta innebär att spårämnet frisätts nära flyktiga källan i samma utsträckning och höjd, och medvind mätningen är från väl blandade plymer. Denna metod är tidskrävande och ger inte för komponentnivå detalj ^63.

En kommersiellt tillgänglig hög volym provtagningssystemet består av en portabel batteridriven instrument förpackade i en ryggsäck för att kvantifiera flyktiga utsläppsnivåer ^64. Den luft som omger läckan läge dras in i provtagaren via en 1,5-tums innerdiameter slang vid en tillräckligt hög flödeshastighet att det kan antas att alla av den läckande gasen tas.

Flödeshastigheten provet beräknas med en venturi inom enheten. För låga koncentrationer av metan, 0,05-5% gas genom volym, acatalyst metan sensor används för att mäta koncentrationen. Denna sensor är destruktiv för metan och andra kolväten i provet. För metan koncentrationer från 5-100% av volymen, är en termisk sensor som används. Systemet använder en separat bakgrunds sensor och sond som korrigerar läckaget koncentrationen i förhållande till bakgrundskoncentrationen. När mätningen är klar, är provet utmattad tillbaka till atmosfären från provtagningsområdet ^64. Denna metod kan tillämpas på de flesta tillgängliga komponenter, med begränsning av mätbara flödeshastigheter upp till åtta standard kubikfot per minut (SCFM). Detta system är i stånd att testa upp till 30 prover per timme. På senare tid har detta system visat sig ha varierande noggrannhet och frågor om övergången från den katalytiska sensorn till den termiska sensorn ^65. Dessutom kräver systemet gas bråk analys att korrekt använda en respons faktor baserad på gas kvalitet - det är inte metanspecifik. Systemet har använts i stor utsträckning och kan ha tillskrivs skillnader mellan top-down och bottom-up metoder enligt rapportera metanutsläpp ^65.

På grund av begränsningar i dessa metoder och system, ett nytt kvantifiering utvecklat. FFS använder samma designkoncept som utspädningssystem som används i certifieringen fordonsutsläppen ^66-68. FFS består av en slang som matar en explosiv säker fläkt som blåser läckan och utspädnings luftprov genom ett massluftflödessensor (MAF) och provsonden. Provsonden är ansluten till en laserbaserad metan analysator genom ett provtagningsrör. Analysatorerna använder kavitet förbättrad absorption för mätning av _{CH4, CO2} och _H2O Analysatorn är i stånd att mäta CH ₄ från 0% till 10 volym-%, _CO2 från 0 till 20000 ppm, och _H2O från 0 till 70000 ppm. Repeterbarhet / precision (1 sigma) för denna konfiguration is <0,6 ppb _CH4, <100 ppb CO ₂ och <35 ppm för _H2O ^69. Provet sugs från strömmen vid en konstant volumetrisk hastighet. Systemet är instrumenterade med dataloggningsutrustning. Figur 2 visar den schematiska av FFS. Före drift av FFS är jordanslutning på provtagaren slang kopplad till en yta som gör att systemet jordas. Detta är en förebyggande åtgärd för att ta bort eventuell statisk laddning på änden av slangen, som skulle kunna bli följden av luftflöde genom slangen. Datainsamlingen sker på antingen en smart telefon, surfplatta eller bärbar dator. Programvara har utvecklats för datainsamling, bearbetning och rapportering. Figur 3 ger en kort översikt över användargränssnitt för följande protokoll.

Figur 2. FFS Schematisk och bild Vänster -. FFS schematiska ochhöger -. bärbara FFS under Compressed Natural Gas (CNG) station revision Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3. detektion och kvantifiering Programöversikt. Kort översikt över de steg och användaren frågar efter kalibreringar, återvinning test, och läcka kvantifiering. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Protocol

Obs: De FFS har utvecklats med säkerhet i åtanke att eliminera eller minska risken för antändning av en metan eller naturgas källa. Naturgas är brandfarligt i omgivningsförhållanden för volymkoncentrationer från 5% till 15%. Systemet kommer att testas och demonstreras för att uppfylla säkerhetskraven. Modifiering eller manipulering av systemet kan orsaka allvarliga skador.

1. Kalibrering av MAF

Obs! MAF kräver regelbunden kalibrering mot en National Institute of Standards and Technology (NIST) spårbar laminärt flöde element (LFE). Använda kalibreringar verktyg inom programmet för att slutföra en MAF kalibrering mot en känd LFE. Programmet kommer att samla alla uppgifter som är nödvändiga från tryckgivare, fuktgivare, och MAF för att skapa en ny kalibrering. Det rekommenderas att en 11-punktskalibrering fyllas. Om en kalibrering är äldre än en månad, bör en ny kalibrering slutföras. Gamla kalibreringar kan ses ochBegagnade.

1. Välj rätt storlek LFE för att säkerställa att flödesområdet är större än 25% av den lägre flödesområde LFE.
2. Anslut MAF till en flödesbänk garanterar inloppet till MAF är åtminstone 10 nedanför varje inskränkning eller expansion.
3. Anslut en kombinerad absolut / differenstryckmätare till differentialtryck hamnar flödet bänk LFE.
   1. Se till givare differenstrycket ligger inom kalibreringen. Anslut den höga sidoport av sensorn till uppströms LFE-porten. Anslut i underkant port sensorn till nedströms port LFE.
   2. Se till att det absoluta tryckgivare av den kombinerade skillnaden / absolut tryckmätare är inom kalibrering och ansluta via en "T" montering på hög sidoport av differenstryckgivaren.
4. Anslut ett termoelement av K-typ till datainsamlingsenheten (DAQ).
5. Se till att daggpunkten mätanordning är inomkalibrering och ansluten till DAQ och luftströmmen.
6. Se till att MAF och flödes bänk signaler är acceptabla (0-5 volt) och använda skärmen Software kalibreringar att påbörja en MAF kalibrering.
7. Ställ flödet vid 11 olika flödeshastigheter över det förväntade intervallet av MAF och inom ett godtagbart intervall av LFE. Samla minst 30 sekunder av data vid varje flödesförhållandet vid en miniminivå på 1 Hz genom att klicka på Collect kalibreringsdata knappen.
   Observera: Se till att MAF kalibreringen spänner åtminstone 25% av minimiflöde LFE används för kalibrering. Inte överstiger den maximala flödeshastigheten av LFE, om större flöden ska kalibreras, använd en större LFE.
8. Kör kalibreringsprogram genom att klicka på Process kalibreringsdata och välj kurvan passform som ger minimal totala felet utan en enda punkt fel än ± 2%.

2. Kalibrering av Greenhouse Gas Analyzer

Obs! Växthusgaser analYzer bör kalibreras internt på årsbasis av en tredje part. Användare kan använda de kalibreringar verktyg inom programvara för att slutföra en extern kalibrering eller verifiering. Kalibreringen använder flaska gaser med känd koncentration. Gasen blandas med kväve genom en gasdelare och utgångar till en översvämmad sond. Analysatorn intag provet vid den kända flödeshastigheten och visar värdet. Det rekommenderas att en 11-punktskalibrering fyllas över det intressanta området. Programmet justerar automatiskt för gaskoncentration och viskositet inom gasuppdelare.

1. Före fälttester, utföra en extern kontroll eller kalibrering vid behov (tidigare kalibreringar äldre än en månad).
2. Ström GHG sensorn på under 15 minuter före verifiering / kalibrering och anslut kontroll "T" montering i inloppsöppningen av sensorn.
3. Välj en EPA Protokollet eller NIST spårbar gas för att kontrollera och använda ultrahög renhet kväve (UHPN)som balansen gas.
4. Anslut kontroll gas (metan) till komponent porten på en kalibrerad gas delningsfilter godkända regulatorer (CGA 580 för UPHN, CGA 350 för metan). Ansluter utloppet av gasen delaren till "tee" av steg 2,2.
5. Ställa in komponentgas, utgående trycket till ca 23 pounds per square inch - gauge (psig) genom att justera reglerknappen. Ställ in balans gas, utloppstryck till cirka 19 PSIG. Ställa in flödeshastigheten hos gasen delaren till åtminstone två gånger den inre flödeshastigheten hos provpumpen med gasen delaren, flödeskontrollratten (Nuvarande provtagningspumparna arbetar vid två standardliter per minut (SLPM) så utlopp gasuppdelare bör sättas vid 4 SLPM).
   Obs: Tillräckligt översvämma provsonden med gasblandningen att säkerställa en korrekt kontroll. Använd sekundär rotameter om tillgängliga för att säkerställa ett positivt nettoflöde av floden sonden "tee" i steg 2,3.
6. Klicka på Start kalibrering och ange bottle koncentrationen av komponenten gas (i ppm). Använd Gasdelaren att välja komponent gas varierar från noll till 100% (11 poäng). Samla in data i minst 30 sekunder vid varje inställning av Gasdelaren att slutföra arise.
7. Välj om en ny extern kalibrering tillämpas.
   Obs: Om verifieringen passerar inom osäkerheten i gasflaskan koncentration (typiskt 1-2%) då en ny extern kalibrering behöver inte skapas.
8. Upprepa de tidigare stegen för en eller flera punkt kontroller / kalibrering av metan, koldioxid eller vattenånga.

3. Full systemåterställning Test

Obs: En fullständig systemåterställning testet är klart att säkerställa att FFS återhämtar sig och exakt rapporterar en känd volym av kalibreringsgas.

1. Ström på FFS och säkerställa GHG sensorn har varit på minst 15 minuter. Välj en återhämtning gas för att testa - metan.
2. Ansluta gasflaskan till en lämpligregulator och ställ in utgående trycket till cirka 20 PSIG.
3. Ansluta en tillförselledning till gasflaskans regulator och inloppet till en massflödesstyrenhet (MFC). Ansluter utloppet hos MFC till inloppet hos provtagningsslang. Välj fliken gasutvinning kontroll i DAQ programvaran och ansluter seriekoppling av maskinen till DAQ.
4. Klicka på Start gasen utbytesförsök och registrera bakgrundsdata för åtminstone 30 sekunder, kan den kända flödeshastigheten av gas matas in vid denna tidpunkt.
5. Ställ in flödeshastigheten för återhämtning gas till ett genomsnittligt läcka storlek baserad på förväntade eller tidigare värden (20 slpm eller 30 slpm). Flöda återhämtningen gas och låta systemet stabilisera sig under 30 sekunder.
6. Efter stabilisering, klicka rekord, och låta programmet registrera data läcka verifierings under 30 sekunder.
   Obs: Efter avslutad provtagning programmet kommer att skapa en rapport som visar felet i den mellan den kända gasflödeshastigheten och den återvunna gasflödet. Enfel på ± 4,4% är acceptabelt (relativ mätosäkerhet av systemet), men riktade felet återhämtningen är ± 2%.
7. Upprepa gas utbytesförsök åtminstone tre gånger och se till att alla fel är inom det acceptabla området.
8. Undersök systemet för eventuella fel om felet är bortom ± 4,4%. Dubbelkolla alla anslutningar, flöden, åtgärda fel, och upprepa steg från 3,2 till 3,6.
   Obs: Fel kan inkludera att matarledningen inte kan ha satts in i FFS provtagning slang eller anslutningar var löst på prov beslag. En ny MAF kalibrering eller sensor kontroll kan vara nödvändig om inte tidigare har genomgått (inom en månad).

4. Läcksökning Audit

Obs: Utför en webbplats inventering för att identifiera varje potentiell källa av flyktiga utsläpp. Inventeringen kommer att omfatta antalet källor (ventiler, flänsar, pumpar / kompressorer, ventiler, etc.) uppdelat per källa grupp (kompressor byggnad, lagring gård, vehicle bränslepåfyllning rack, etc.) Läckrevisionsdetektering kan ske parallellt eller serie med läckan kvantifiering. En handhållen metan detektor eller optisk gas-kameran kan användas för att undersöka komponenter för läckor. När läckage identifieras rekord en beskrivning, koncentration, och ta en bild. Markera läckan för senare kvantifiering eller kvantifiera läckan vid denna tidpunkt.

1. Skapa en ny inventering fil i programmet. Ange information om platsen för inventering och rapportering (namn, typ av plats, etc.). Datum, tidsstämpel, och GPS-position automatiskt befolkade.
2. Nollställ handmetan detektorn på luften före användning. Utnyttja en handhållen metandetektor med provtagningssonden för att kontrollera alla potentiella gränssnitt som är tillgängliga för närvaron av flyktiga utsläpp. Positionera sonden provinlopps ortogonal till ytan för att minimera utspädning.
   Notera: Känsligheten hos den handhållna enheten är 5 ppm över bakgrund vid zeroed om luft.
   1. Dokumentera eventuella otillgängliga källor eller aggregerade källor.
      Obs: Otillgängliga källor kan omfatta ventilationsrören som ligger utanför ett säkert åtkomlig höjd som bestäms av verksamhetsutövaren. Aggregerade källor kan innehålla flera pneumatiska ventiler anslutna till ett grenrör eller omges av en servicebox. Om källan eller flera källor kan granskas som en helhet med hjälp av en inneslutning, aggregera källorna.
   2. Samman flera källor med hjälp av ett hölje med åtminstone en ingång och en utgång. Dokumentera alla källor inom omkretsen av höljet. Märk källan som ett samlingsprov och fortsätt att använda kvantifiering av avsnitt 5.
      Obs: Användning av en läckagedetektor lösningen får klassificera källor en "icke-läckande". Håll flaskan upprätt, tillämpa tillräckligt läckagedetektor lösning för att täcka gränssnittet. Låt 5-10 sekunder för bubblor bildas.
3. Placera sondens mynning av instrumentet detektion vid ytanav komponenten gränssnitt. Flytta sonden längs gränsytan periferi med iakttagande instrumentavläsning, var noga med att överväga den fördröjda svarstiden för instrumentet.
4. Sakta prov gränssnitt där läckage indikeras tills den maximala mätaravläsning uppnås.
5. Låt sondens mynning vid denna maximala plats läsning för ungefär två gånger tid instrumentets svar (20 sek). Om den maximala observerade mätaravläsningen är större än 500 miljondelar (ppm), spela in och rapportera resultatet. Klicka ta läcka bild för rapportering.
6. Alternativt kan du använda en värmekamera enhet långsamt skanna komponenter för att undersöka för läckor. Denna metod är godkänd som ett alternativ praktik att upptäcka läckor från utrustningen under EPA Metod 21 - optisk gas avbildning.
   1. Slå på kameran och möjliggöra stabilisering.
   2. Ta bort linsskyddet och använda kameraskärmen långsamt skanna komponenter för läckor.
      Obs: Optical gas inbillar kameror är vanligtvis dyra men gör minska den tid som krävs för att skanna komponenter för läckor. kan krävas användning av höga känslighet lägen för små läckor.
   3. Om en läcka upptäcks med kameran, antingen spela in video eller en bild för rapportering. Märk läckage platser för efterföljande kvantifiering med FFS.

5. Läckagehastighet Kvantifiering

Obs: Läckhastighet kvantifiering kan vara komplett samtidigt som läcksökning eller efter en inventering av läckor har genomförts. Kvantifiering sker under den nya läckan knappen efter att platsen och läckagedata. Användaren måste välja om du vill använda en lokal eller global bakgrund. I endera fallet kommer systemet att styra den korrekta magnetventiler och spela in en tidsinställd prov. När en bakgrund har tagits, bör läckan kvantifieras tre gånger eller från tre riktningar för att säkerställa korrekt läcka fånga. Systemet analyserar de tre mätningarna och rapporterar denvariation. Användare kan spara läckagedata (separat och genomsnitt), upprepa fånga, eller klassificera källan som variabel.

1. Mät och registrera metan bakgrundskoncentrationer jämna mellanrum under hela besöket och med varje läcka kvantifiering.
   OBS: Det är mycket viktigt att ta separata bakgrunder för läckor som finns inom ett liknande område och under förhållanden när dilatation luften kan innehålla en slipstream närliggande läckor. Kombinerad läcka analys av system diskuteras nedan - 5,15.
2. Kvantifiera eventuella identifierade läckor. Innan närmar läckan med provslangen se till att jord bandet är i kontakt med marken och klippa klippet provtagaren jordklämma för objektet i fråga. Med hjälp av FFS, placera provtagningsslangen på flera punkter runt området för läckan källa för att erhålla tre på varandra följande läckage kvantifieringar för den källa som inkluderade registreras kontinuerligt provflöde och provkoncentration.
3. I programmet genom att trycka på kvantifiera läckan knappen. Ett alternativ för att använda en global eller lokal bakgrund kommer att fråga användaren.
4. När du är osäker för kontaminering från andra läckor, alltid ta en lokal bakgrund. Med slangen i läckan kvantifiering position, klicka ta lokal bakgrund. När de är färdiga kommer programmet att uppmana användaren att kvantifiera läckan.
   Obs: Programmet växlar automatiskt provtagningsplatsen av utloppet av FFS till en port strax bakom inloppet till provtagningsslangen för en lokal bakgrund. Provtagningsslangen måste vara i samma mätposition som används för prov kvantifiering.
5. Upprepa RECORd läcka snabba tre gånger, särskilt i fall av höga omgivningsvindförhållanden eller i komplexa geometrier.
   1. Om variansen av de ytterligare kvantifieringar är över 10%, undersöka för att bestämma om variansen är resultatet av instrument fel eller en förändring i läckage.
   2. Om källan för variabiliteten i läckagehastighet beror på instrument felfunktion, avhjälpa källan till fel och åter kvantifieras. Annars klassificera läckan som "variabel" och registrera den misstänkta orsaken.
6. När det gäller flera källor i närheten eller en enda källa som omges av ett hölje, behandla källan (s) i fråga som en enda källa för läckage kvantifiering med hjälp av en inneslutning. Använd fliken Bilaga att utföra denna typ av kvantifiering.
   1. Tillverka ett hölje helt i plast eller införlivas antingen flexibel, icke-genomsläppligt material, eller förlita sig på en permanent inneslutning såsom ett kompressorhus.
      Obs: enclosure tillåter kvantifiering enheten att fånga någon naturgas som läcker från komponenter inom sina gränser och möjliggör utspädning av den fångade naturgas via avsiktligt placerade hål i inneslutningen eller från befintliga ventilations platser på permanenta kapslingar.
   2. Låt någon naturgas späds att dras från inneslutningen och för att uppnå en stadig avläsning från GHG sensorn. Varaktigheten av kvantifiering provtagning utfördes med användning av en inneslutning är beroende av storleken av inneslutningen.
   3. Placera de punkter där kvantifieringen provet dras från inneslutningen så att utspädningsluften strömmar över potentiella läckagekällan (s) för att minska varaktigheten av provtagning möjliggör stadig koncentrations avläsningar
7. Om en påse prov krävs, placera en evakuerad provpåse av säckfylla rutan till utloppet av växthusgaser sensorn. Använda programvaran för att spela säckprovet, identifikationsnummer och på skärmen timer för att säkerställa en fullständig säckprovet föroff-site analys har tagits.

Representative Results

Flera FFS har utvecklats och använts för att kvantifiera en mängd av metan utsläppskällor. Två stora studier ingår Environmental Defense Fund Heavy-Duty naturgasbilar Pump till hjul (PTW) studien och Barnett samordnad kampanj (BCC). Den PTW Studien fokuserade på kvantifiering av metanutsläpp från tunga gasbil bränslesystem, motor vevhus, komprimerad naturgas tankar för flytande naturgas tankar, bränslestationsutrustning, munstycken och andra läckor.

Flera FFS system användes under BCC, som samlade ledande experter från akademiska och forskningsanläggningar från runt om i landet för att samla in data metanutsläppen över naturgaskedjan (produktion, insamling och bearbetning, överföring och lagring och lokal distribution) genom en kombinationen av flygplan, fordon och markbaserade mätningar. Vi har utfört direkt källa kvantifiering av metanutsläpp vid naturligbensinkompressorstationer och lagringsanläggningar som använder den utvecklade metoden och FFS-systemet. En del av resultaten från Barnett Shale studien avser mätningar som erhållits genom anställning av FFS har presenterats och publicerats på granskade konferenser och vetenskapliga tidskrifter ^70-72.

För både PTW och BCC, använde vi metan läcksökningsutrustning för att kartlägga platskomponenter inklusive ventiler, slangar / rörledningar och andra komponenter som transporteras eller hålls naturgas. En läcka upptäcktes med en handhållen metandetektor. Denna handhållna detektor hjälp vid identifiering av läckan plats genom att identifiera en ökad metankoncentrationen ovanför bakgrunden. När en läcka plats upptäcktes som överträffade tröskeln koncentrationen, forskare använde FFS att kvantifiera läckagehastighet. FFS läcka provet samlades in genom en slang fäst vid inloppssidan av en fläkt. Provet passera genom en certifierad explosions proof fläkt där den ut genom ett rörsystem som innehöll en MAF och metan sensor. FFS-systemet kunde prov vid flödeshastigheter från 40 till 1500 SCFM beroende systemkonfigurationen. Använda den uppmätta provflödeshastigheten och metankoncentrationen, läckagehastigheten i SCFM eller g / h beräknades.

kalibreringsdata

För kalibrering, var ett konstant flöde etablerat genom systemet. Tryckfallet över LFE erhölls genom mätning av tryckskillnaden mellan högtrycks-port och lågtrycks porten på LFE. Det absoluta trycket registrerades från högtrycks port differentialmätningslinjen. Kalibreringstrycket mättes och registrerades med en kombinerad differential / absolut tryckmätare. Den handhållna enhet som används två moduler, en för absolut tryck, och en för differenstryck. Det absoluta trycket modulen var en kan mäta 0-30 PSI absolute med en osäkerhet på 0,025%. Differenstrycket modulen var en som kan mäta från 0 till 10 inches vatten med en osäkerhet på 0,06%. Temperaturen i provgasen mättes före LFE med hjälp av en K-Type termoelement med en osäkerhet på ± 1,1 ° C eller 0,4%. Utspänningen från MAF registrerades via en analog datainsamling kort. Flödeshastigheten varierades med en variabel strypventil på inloppet hos fläkten. Kalibrering utfördes på MAF för olika flöden, som sträcker sig upp till 1500 SCFM.

Som ett konstant flöde av luft genom både LFE och MAF, tryckskillnaden, provets temperatur, absolut tryck, och MAF spänning registrerades samtidigt. Tryckskillnaden över den LFE, provets temperatur, och absolut tryck användes för att beräkna den faktiska volumetriska flödeshastigheten genom LFE med användning av koefficienter som föreskrivs av tillverkaren. Den faktiska volumetriska flödeshastigheten varkonverteras till standardvolymflöde. Standard volumetriska flödeshastigheten genom LFE var relaterad till den spänning som erhålles från MAF, såsom visas i fig 4.

Figur 4. MAF utsignal Kalibrering. Multi kalibrering av MAF med en NIST spårbar LFE (se avsnitt 1 till 1,7). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

En minsta kvadratregression genomfördes på data som att fastställa de mest lämpliga koefficienterna i ekvationen och för att beräkna ekvationen s regressionsstatistik, ^R2, för att undersöka sambandet mellan datauppsättningar. När ekvationen utvecklades, för att relatera MAF spänningen till flödeshastigheten genom LFE, gjordes en jämförelse mellan den faktiska flödeshastigheten och den uppmätta flödeshastigheten för MAF. Detta visas i figur 5.

Figur 5. MAF Flöde Korrelation. MAF uppmätta flödeshastigheten avsatt mot LFE faktiska volymflödeshastigheten (se avsnitt 1.8). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kalibreringen av metan sensorn med en 24730-ppm metangas cylinder visas i figur 6. Den genomsnittliga avvikelsen från den verkliga metankoncentrationen efter att den externa korrigering tillämpades var 0,7%. Den största avvikelsen från den verkliga metankoncentrationen efter att den externa korrigering tillämpades var 1,9%.

/54179/54179fig6.jpg "/>
Figur 6. Metan Sensor kalibrering / verifiering. Extern kontroll av metan sensorn med en kalibrerad gas uppdelad och NIST spårbar metan flaska (se avsnitt 2). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Efter kalibreringskurvorna hade erhållits och tillämpats, var kontrollen av hela systemet utförs genom att fylla en gas utbytestest. I vilken en känd massa av metan injicerades in i systemet med en metan kalibrerad MFC och en jämförelse mellan massan som anges av systemet till det sanna massa injiceras. Detta förfarande baserades på allmän praxis av propan injektioner krävs enligt Code of Federal Regulations för att säkerställa infångning och mätning förmåga fullflödesutspädning tunnlar där en känd volym av kolväteutsläpp injiceras i measuremverifieras ent system som använder en oberoende kalibrerad anordning och återhämtningen av systemets förmåga. Den styrande MFC kalibrerades på metan. MFC fastställdes till två flödeshastigheter av 20 och 30 SLPM 99,9% ren metan. Resultaten presenteras i tabell 1 för ett system flödeshastighet av 140 SCFM. Det visades att i båda fallen den FFS systemet uppmätta värdena var inom det förväntade 4,4%. Den genomsnittliga felet i de två mätningarna var + 2,2%.

MFC Börvärde	FFS Recovery	återvinning fel
SLPM	SLPM	%
20	20,3	1,70%
30	30,8	2,7
Genomsnitt		2,20%

Tester Tabell 1. FFS återhämtning resultat. Återvinning av metan vid två olika simulerade läckor.

Fält datainsamling

Kontinuerlig läck Källa

Figur 6 illustrerar ett exempel på en kontinuerlig läckage källor. Figur 7 kan delas in i 4 separata regioner, annons. Dessa inkluderar följande delar: bakgrund, närmar läckagekällan, läcka fånga och dra sig tillbaka från ett läckage. Läcka kvantifiering sker under avsnitt c. Efter granskning, inträffar det andra upprepade mätningar av samma läcka efter avsnitt D Figur 8 visar läckan betraktad från värmekamera -. Vänster visar metan plymen dispergering naturligt - rätten visar att FFS samlar all av läckan plus ytterligare utspädning luft.

Figur 7. konventionella kontinuerliga läck Kontinuerlig läckagekällan tidskurva som visar de olika mätsektioner (a: bakgrund, b: närmar läckan, c: genomsnittlig läckhastighet, d: reträtt från läckan) (se avsnitt 5 - 5,6).. klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8. Infraröd Bild av läck Vänster -. Läckande montering och höger -. Fångade / kvantifieras läcka från samma koppling (se avsnitt 4.6) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Intermittent Leak Källa
Den totala massan i samband med en viss händelse erhölls från koncentrations-time profil genom tillämpning av numerisk integration. För att kringgå några av de ineffektiviteter som är associerade med trapetsregeln, var en adaptiv komposit Simpsons regel användes. Denna anpassnings kvadratur typ metod möjliggör automatiska justeringar steg storlek i regioner med kraftiga variationer ^73.

Behovet av numerisk integration av de insamlade uppgifterna var tillämplig för intermittenta händelser, såsom figur 9 visar ett exempel på en intermittent källa till metanutsläpp. Detta exempel var för ett fordon-bränslepåfyllning. Bakgrunden visas 150-240 sek och från 425 sek till slutet. Denna speciella händelse var för att tanka en enda flytande naturgas (LNG) tank. Läckaget integrerades att bestämma den totala utsända massa (9,5 g).

figur 9. Intermittent Leak. Intermittent "läcka" källa från en fordons bränslepåfyllning (koncentration [ppm], utspädning flöde [scfm], läckage [g / h]) (se avsnitt 5). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

aggregerad Källa
På grund av flera källor vara i tät närhet och omges av ett överdrag, var kompressorenheten samman och behandlas som en enda källa för läckage kvantifiering. Figur 10 visar ett exempel på mätning av metanutsläppen från en aggregerad källa. Dessa data samlades in från en tids fyllning CNG kompressorhuset. Kompressorhuset mättes kontinuerligt under ca 119 min. Kompressorenheten stött gjorde visa en liten mängd av variabilitet. Variationer i läckage och metanhalten berodde på tryckvariationer och varierande läckage frånkompressortätningar. För aggregerade källor, uppgifter som samlats in under längre perioder och den genomsnittliga läckagehastighet beräknades.

Figur 10. Aggregate exempel. Läckhastighet, flöde och koncentrationsdata från en aggregerad tid fylla CNG kompressorhuset (kompressorer och fläktar av) (se avsnitt 5.7). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

För att förbättra noggrannheten och övervinna nuvarande begränsningar industrin, skapade vi fullflödesprovtagningssystemet (FFS) för metan kvantifiering. Forskare använde systemet i en mängd olika former i ett stort antal platser i Nordamerika. Användning av spektroskopi eliminerar signifikant interferens från C2 + föreningar och icke-förstörande provtagning natur medger provtagningssäckar av läckan för alternativa analys externt. I kombination med alternativa vind blockerar systemet har framgångsrikt och exakt kvantifierade metanutsläppen från följande: CNG bränslesystem, LNG bränslesystem, förbränningsmotor vevhus, rörledningar, slangar, kopplingar, flänsar, kompressor ventiler, väl huvudkomponenter, vatten / oljeseparator tankar, ventiler, pneumatiska manöverdon som drivs av naturgas, och höljen, och många andra naturgas relaterade komponenter. Systemplattformar ingår portabla kärror, på väg och terrängfordon. Effektförbrukning kräver användningen aven generator eller hus makt genom standardiserade 120 VAC anslutningar. Men genom denna användning av "grid" power systemet kan prova vid högre flödeshastigheter men ändå användas tillsammans med förlängningssladdar och långa provtagnings hus för portabilitet runt en given plats av intresse. Nuvarande batteridrivna system har försämrad prestanda som en funktion av batteriladdningstillstånd som elimineras med hjälp av elnätet.

Periodiska kalibreringar protokoll har utvecklats och integrerats i användargränssnittet. Protokoll 1-3 bör vara avslutad innan någon ny webbplats revision eller åtminstone en gång i månaden. Om användarna inte flitigt följer protokollen, kan systemet enligt eller över rapport hastigheter utsläpp, vilket kan negativt påverka växthusgaser rapportering. Det primära målet för protokollen är att säkerställa en korrekt system för att uppskatta den totala platsutsläppen med komponent precision. Om statistisk analys används för att skapa faktorer nya utsläpps sedan varje icke-leakung komponenten måste också registreras.

Läckan detekteringsprocessen kan vara tidskrävande med användningen av handhållna enheter. Användningen av en optisk gas-bildkamera kan avsevärt minska den tid som krävs för läckan upptäcka. Kameran måste vara i stånd att mäta flyktiga organiska föreningar inklusive metan. För närvarande tillgängliga kommersiella enheter har känsligheter på detekterbara läckagehastigheter på cirka 0,8 gram per timme (g / h) och är beroende vindförhållanden. Bildenheter är också känsliga för temperatur. Var noga med att justera temperaturskalor som behövs. Extremt kalla ångor (kryogeniska naturgas) eller överhettade ångor (ånga i avgaserna och andra) kan framstå som alltför läckor. Efterföljande kvantifiering måste följa för att exakt fastställa den faktiska läckage av någon avbildas läcka. Användning av värmekameror kan avsevärt minska läckage inventeringar upptäckt, men är känsliga för vindförhållanden. Mindre läckage vid höga vindförhållanden kan diffuse snabbare och inte upptäckas. När du är osäker, alltid dubbelkolla med en handhållen metandetektor.

Ett användarvänligt gränssnitt ger enkel och korrekt användning av FFS. Integrerad användare uppmanas hjälpa användaren längs protokollet och minska efterbehandlingsarbetet. Till exempel, när en läcka kvantifiering är avslutad (5 §), den genomsnittliga läckagehastighet baserat på beräkningar med åtminstone 30 sekunder kontinuerlig koncentration och flödeshastighet inspelningar kommer att rapporteras. Användar uppmaningar kommer automatiskt att använda globala eller lokala bakgrundskoncentrationer. Enkelt val på skärmen kommer att orsaka solenoider för att driva och prov för rätt platser. Användare bör följa alla på skärmen för att säkerställa korrekt kvantifiering av läckan. Programmet kommer automatiskt korrigera för följande: global eller lokal bakgrund; temperatur; massflöde (antas luft med koldioxid och metan korrigeringar); luftfuktighet (mätt från GHG sensor); temperatur (thermocouple - redundant check för omgivningsbetingelser)

Den relativa osäkerheten i priserna mätta metanutsläppen är ± 4,4%, utom i de fall då läckan är oviktiga när koncentrationen mätt närmade bakgrundskoncentrationen. Ett exempel på osäkerheter komponentåterfinns i tabell 2.

Källa	Osäkerhet (%)
metan Sensor	1
Metan sensorkalibrering korrelation	0,73
Metangas flaska	1
Noll-luft gasflaska	0,1
LFE	0,7
MAF	4
Differenstryck modul	0,025
Absolut tryck modul	0,06	termoelement	0,4
MAF kalibrerings korrelation	0,09
Gasdelaren	0,5

Tabell 2. Komponent Osäkerhet. Oberoende komponent osäkerheter som används för att kvantifiera systemosäkerhet.

Sammantaget har systemet och dess metoder visat sig vara nyttiga i arbetet med att exakt kvantifiera metanutsläppen från olika källor. Systemet är skalbart och användarvänlig. Den utvecklat system har en osäkerhet på ± 4,4% jämfört med dagens kommersiella system med en osäkerhet på ± 10% ^74. Med rätt kalibreringar, kan detta system lätt kvantifiera läckagehastigheter på upp till 140 SCFM jämfört med dagens kommersiella system som kan kvantifiera läckage upp till 8 SCFM med full batteriet laddas ^64,74. Även om systemet kräver anslutning till huset makt, erbjuder detta fördelar conkonsekvent samplingsfrekvenser och samplingsfrekvenser betydligt högre än dagens system. Den lägsta detektionsgränsen för det nuvarande systemet är 0,24 g / h eller 3,0x10 ^-3 SCFM. Användargränssnittet minskar behovet av efterbearbetning och minskar rapporterings insatser. Dessutom är laserbaserade sensorer är icke-destruktiva för läckan provet, vilket möjliggör direkt mätning av provet med flera analysatorer ^65. Laserbaserade mätningar också inte kräver separata sensorer för omgivande, små och stora läckagekoncentrationer eller sensor övergångar som bidrar till ytterligare källor till felaktigheter. Framtida studier fokuserar på fortsatt optimering av FFS och dess användargränssnitt. Ytterligare forskning pågår som kombinerar experimentella data forskning och Computational Fluid Dynamics att utveckla ytterligare bästa praxis för konsekventa och optimala mätteknik.

Materials

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