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.
Anvendelsen af naturgas fortsætter med at vokse med forøget opdagelse og produktion af ukonventionelle shale ressourcer. Samtidig, naturgas industrien ansigter løbende overvågning for udledningen af metan fra hele forsyningskæden, på grund af metan relativt højt globalt opvarmningspotentiale (25-84x for kuldioxid, i henhold til Energy Information Administration). I øjeblikket en række forskellige teknikker til forskellige usikkerheder eksisterer for at måle eller skønne metanudslip fra komponenter eller faciliteter. I øjeblikket er der kun ét kommercielt system er til rådighed for kvantificering af emissioner komponentniveau og de seneste rapporter har fremhævet dens svagheder.
For at forbedre nøjagtigheden og øge fleksibiliteten måling, har vi designet, udviklet og implementeret en roman fuld prøveudtagning flow-system (FFS) til kvantificering af metan emissioner og drivhusgasser baseret på transport emissionsmålingssystemer principper. FFS er et modulopbygget system, der består af en eksplosiv-bevis blæser (s), masse luftstrøm sensor (er) (MAF), termoelement, prøvesonde, konstant volumen prøvetagningspumpen laserbaseret drivhusgas sensor, datafangst enhed, og analysesoftware . Afhængig af blæseren og slange konfiguration anvendes, den nuværende FFS er i stand til at opnå en flowhastighed i området fra 40 til 1.500 standard cubic feet per minut (scfm). Udnyttelse af laser-baserede sensorer afbøder indblanding fra højere kulbrinter (C2 +). Co-måling af vanddamp giver mulighed for fugt korrektion. Systemet er bærbare, med flere konfigurationer til en lang række applikationer lige fra at blive båret af en person til at blive monteret i en hånd trukket vogn, on-road køretøjer seng, eller fra laget i hjælpeprogrammet terrængående køretøjer (UTVs). Den FFS er i stand til at kvantificere metan emission satser med en relativ usikkerhed på ± 4,4%. Den FFS har vist, virkelige verden operation til kvantificering af metanudslip forekommer i conventionale og fjerntliggende faciliteter.
Nylige rapporter bekræfter klimaet ændrer på grund af menneskelige aktiviteter og yderligere forandringer er uundgåelige 1. Klimaforandringerne sker en stigning i drivhusgasser (GHG) koncentration af atmosfæren. Kuldioxid (CO 2) og metan er de største GHG bidragsydere 2. CO 2 og metan stammer fra både naturlige processer og menneskelige aktiviteter 3. Nuværende atmosfæriske niveauer af CO 2 og metan har henholdsvis steg med 31% og 151% i løbet af de sidste to århundreder, med metan koncentrationen stiger med en sats på 2% om året 4-6. Klimaet konsekvenser af metan og CO 2 -udledning afhænger den betragtede som metan har en kortere atmosfærisk levetid i forhold til CO 2 7 periode. Metan atmosfæriske levetid er 12-17 år, hvorefter oxidation til CO2 opstår 8. Virkningen af methan er 72 gange større end CO <sub> 2 i en 20-årig periode 9. På et masse basis, metan er 23 gange mere effektiv til at fange varme i atmosfæren end CO 2 over en 100-årig periode 10. Metan og CO 2 udgør 10% og 82% af de samlede USA (US) drivhusgasemissioner 11. Globale metan emissioner fra menneskeskabte kilder er cirka 60%, og de resterende er fra naturlige kilder 8, 10.
I 2009, non-forbrændes metanudslip mellem produktionsbrønde og lokale distributionsnet svarede til 2,4% af brutto naturgasproduktion USA (1,9-3,1% med et konfidensniveau på 95%) 12. Ikke-forbrændte metanudslip er ikke kun skadeligt for miljøet, men også udgør en meget stor omkostning for naturgasselskaberne 13. Analytikere vurderer, at den naturlige gasindustrien taber på over $ 2 milliarder dollars om året på grund af metan lækager og udluftning 14. Ikke-forbrændte emissioner klassifIED som flygtning eller udluftning 15, 16. Fugitive refererer til den utilsigtet udslip af gas fra processer eller udstyr, såsom ventiler, flanger eller fittings til den omgivende luft 17, 18. Udluftning refererer til udsætning af gas fra udstyr eller drift processer til omgivende luft, såsom pneumatiske aktuatorer 19. Ved onshore olie og naturgas faciliteter, flygtige emissioner udgør ~ 30% af de samlede udledning af metan 20. I 2011 det amerikanske Environmental Protection Agency (EPA) vurderer, at mere end 6 millioner tons flygtige metan undsluppet fra naturgas systemer, som overstiger mængden af drivhusgasemissioner (CO 2 -ækvivalent over en 100-årig periode), der udsendes af alle amerikanske jern og stål, cement og aluminium produktionsfaciliteter kombineret 21.
En kritisk hul findes i bestemmelsen af klimapåvirkningen af naturgas på grund af mangel på nøjagtige og pålidelige skøn over tilhørende emissions. Men der er enighed om, at flygtige emissioner af metan forekomme på alle stadier af naturgas livscyklus og yderligere forskning i nøjagtig måling og rapportering af disse værdier er vigtigt 19. Undersøgelser har rapporteret flygtige emissioner fra bestemte sektorer med resultater varierende med op til tolv størrelsesordener 19, 22-28. Manglen på anerkendte branchestandarder og mangel på sammenhængende regler på området for lækagesøgning og lække kvantificering aktivere brugen af en række forskellige metoder og udstyr testning, med nøjagtigheden af nogle målemetoder så højt som ± 50% 29-35. Derfor eksisterer der betydelig usikkerhed om mængden af flygtige metan over naturgas livscyklus 19, 28, 33, 36-39. Figur 1 illustrerer mængden af variation i publiceret litteratur på målte og estimerede metan emissioner i forbindelse med naturgas liv cyklus. Figur 1 </strong> viser de gennemsnitlige offentliggjorte flygtige metan emission udsendes som en procent af den samlede produktion af naturgas. Hvis en gennemsnitlig værdi ikke fik gennemsnittet af den offentliggjorte interval blev taget. Standardafvigelsen mellem de 23 studier er 3.54, med de laveste og højeste værdier afviger med 96,5%.
Figur 1. Flygtige Metan emissioner. Udgivet gennemsnit flygtige metan emissioner udledt som procent af den samlede produktion af naturgas 13, 27, 40-59. Klik her for at se en større version af dette tal.
I øjeblikket er den totale mængde af flygtige emissioner er uklar skyldes til dels måleusikkerhed og skalering teknikker. Uden nøjagtige målinger metan emission, politikerne ikke er i stand til at træffe informerede valg om sagen.En gennemgang af aktuel litteratur identificeret tre primære metoder til kvantificering af naturgas flygtige emissioner: sække, sporgas, og en kommercielt tilgængelig højt flow sampler.
Den sække metode indebærer at placere et indelukke i form af en "pose" eller telt rundt om en diffus emission kilde 60. Der findes to varianter af sække metoden. I én, en kendt strømningshastighed på ren gas (typisk inert) passerer gennem indelukket for at skabe en velblandet miljø for måling. Når ligevægt er nået, en prøve gas opsamlet fra posen og måles. For diffus emission sats bestemmes ud fra den målte flow på ren gas gennem kabinettet og steady-state metan fusion i kabinettet 61. Afhængig kabinet og lække størrelse, den tid, der kræves for at nå de nødvendige steady state betingelser for udsivningshastigheden måling er mellem 15 til 20 min 61. Den sække metodekan anvendes på de fleste tilgængelige komponenter. Det kan dog ikke være egnet til unormalt formede komponenter. Denne metode typen kan måle lækager i størrelser fra 0,28 kubikmeter per minut (m3 / min) til så store som 6,8 m 3 / min 60 .Den anden sække teknik er kendt som kalibrerede sække. Her er poser med kendt volumen forseglet omkring en diffus emission kilde. Diffus emission beregnes på basis af mængden af tid, der kræves til udvidelse af posen, og korrigeret til standardbetingelser.
Sporgas metoder kvantificere en diffus emission beregnet ud fra målte sporgas koncentration strømmer gennem en flygtig kilde. Sporgasser almindeligvis anvendes, er helium, argon, nitrogen, svovlhexafluorid, blandt andre. For diffus emission sats bestemmes ud fra forholdet mellem en kendt release på sporgas nær den flygtige kilde, målinger af vindretningen koncentrationer af sporstof og fugitive kilde gas, og vindretningen baseline 24. Diffus emission sats er kun gældende under forudsætning af ens spredning og fuldstændig blanding af de to kilder 62. Dette indebærer, at sporstoffet frigives nær den flygtende kilde med samme hastighed og højde, og vindretningen måling er fra godt blandede fjer. Denne metode er tidskrævende og ikke fastsætter komponentniveau granularitet 63.
Et kommercielt tilgængeligt prøveudtagningssystem høj lydstyrke består af en bærbar batteridrevet instrument pakket inde i en rygsæk til at kvantificere diffus emission satser 64. For ventilation af lækage placering trækkes ind i prøveudtageren via en slange indvendig diameter 1,5-inch ved en tilstrækkeligt høj strømningshastighed, at det kan antages, at alle de udsivende gas bliver fanget.
Prøven flow beregnes med en venturi i enheden. For lave koncentrationer af metan, 0,05-5% gas i volumen, acatalyst methan sensor anvendes til at måle koncentrationen. Denne sensor er ødelæggende for methan og andre carbonhydrider i prøven. For koncentrationer af metan fra 5-100% i volumen, er en termisk sensor benyttes. Systemet bruger en separat baggrund sensor og sonde, som korrigerer læk koncentrationen i forhold til koncentrationen baggrunden. Efter målingen er færdig, er prøven opbrugt tilbage i atmosfæren væk fra prøveudtagningsarealet 64. Denne metode kan anvendes på de fleste tilgængelige komponenter, med begrænsning af målbare strømningshastigheder op til otte standard cubic feet per minut (scfm). Dette system er i stand til at teste op til 30 prøver pr time. For nylig er dette system vist sig at have varieret nøjagtighed og spørgsmål vedrørende overgangen fra den katalytiske sensor til termoføleren 65. Derudover kræver gas fraktioneret analyse at anvende korrekt en reaktion faktor baseret på gas kvalitet – det er ikke metanbestemt. Systemet er blevet meget udbredt og kan have tilskrevet uoverensstemmelser mellem top-down og bottom-up metoder under rapportering metan emissioner 65.
På grund af begrænsninger af disse metoder og systemer blev en ny kvantificering system udviklet. Den FFS beskæftiger samme design koncept som udvanding, der anvendes i bilindustrien emissioner certificering 66-68. Den FFS består af en slange, der føder en eksplosiv-bevis blæser der udtømmer prøven læk og fortyndingsluft gennem en masse luftstrøm sensor (MAF) og prøve sonde. Prøvesonden er tilsluttet en laserbaseret methan analysator gennem et prøverør. Analysatorerne bruger hulrum forbedret absorption til måling af CH 4, CO 2 og H 2 O. Analysatoren kan måle CH 4 fra 0% til 10% efter volumen, CO 2 fra 0 til 20.000 ppm, og H2O fra 0 til 70.000 ppm. Reproducerbarhed / præcision (1-sigma) til denne konfiguration is <0,6 ppb CH 4, <100 ppb CO 2, og <35 ppm for H 2 O 69. Prøven trækkes fra strømmen ved en konstant volumetrisk hastighed. Systemet er instrumenteret med datalogning udstyr. Figur 2 illustrerer den skematiske af FFS. Før betjening af FFS, er jordforbindelse på sampler slange fastgjort til en overflade, der giver systemet mulighed for at blive jordet. Dette er en forebyggende foranstaltning for at fjerne eventuelt statisk ladning på enden af slangen, som kunne opstå ved luftstrømmen gennem slangen. Dataopsamling sker på enten en smartphone, tablet eller bærbar computer. Softwaren er udviklet til dataindsamling, bearbejdning og rapportering. Figur 3 giver en kort oversigt over de brugergrænseflader til følgende protokoller.
Figur 2. FFS Skematisk og Image Venstre -. FFS skematisk oghøjre -. bærbare FFS løbet komprimeret naturgas (CNG) station revision Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Påvisning og kvantificering Program Oversigt. Kort oversigt over de trin og bruger beder om kalibreringer, nyttiggørelse test, og lække kvantificering. Klik her for at se en større version af dette tal.
For at forbedre nøjagtigheden og overvinde de nuværende begrænsninger industrien, vi skabte Full Flow Sampling System (FFS) for metan kvantificering. Forskere brugt systemet i en række forskellige former i talrige steder i hele Nordamerika. Anvendelse af spektroskopi eliminerer signifikant interferens fra C2 + forbindelser og de ikke-destruktive prøveudtagning naturen giver mulighed for opsamling i sæk af lækagen for alternative analyse offsite. Når det kombineres med alternative vind blokerer systemet har nøjagtigt held og kvantificerede metan emissioner fra følgende: CNG brændstofsystemer, LNG brændstofsystemer, forbrændingsmotor crankcases, rør, slanger, stik, flanger, kompressor ventilationskanaler, godt hoved komponenter, vand / olieudskiller tanke, ventil, pneumatiske aktuatorer drevet af naturgas, samt tarme, og talrige andre naturgas relaterede komponenter. System platforme omfattede bærbare vogne, on-road og off-road køretøjer. Strømforbrug kræver anvendelse afen generator eller hus magt gennem standard 120 VAC-forbindelser. Men gennem denne brug af 'gitter »power systemet kan prøve ved højere strømningshastigheder og stadig anvendes sammen med forlængerledninger og lange sampling huse til bærbarhed om et givet sted af interesse. Aktuelle batteridrevne systemer har nedsat ydeevne som funktion af batteriets ladetilstand, som er elimineret ved hjælp af gitter magt.
Periodiske kalibreringer protokoller er blevet udviklet og integreret i brugergrænsefladen. Protokoller 1-3 skal være afsluttet forud for enhver ny hjemmeside revision eller på et minimum på månedsbasis. Hvis brugerne ikke flittigt skal protokollerne, kan systemet under eller over-rapport emissioner satser, der kunne influere negativt drivhusgasser rapportering. Det primære mål med de protokoller, er at sikre en nøjagtig system til at vurdere de samlede websted emissioner med komponent granularitet. Hvis der anvendes statistisk analyse til at skabe nye emissionsfaktorer, så hver ikke-leakonge komponent skal også registreres.
Påvisningen proces lækage kan være meget tidskrævende med brugen af håndholdte enheder. Anvendelsen af et optisk gas-billedkamera kan reducere den nødvendige tid til lækage detektere betydeligt. Kameraet skal kunne måle flygtige organiske forbindelser, herunder methan. For tiden tilgængelige kommercielle enheder har følsomheder på detekterbare udsivningshastigheder på ca. 0,8 g pr time (g / time) og er afhængige af vindforholdene. Billeddannende indretninger er også følsomme over for temperatur. Sørg for at justere temperaturen skalaer efter behov. Ekstremt kolde dampe (kryogen naturgas) eller overhedet dampe (damp i udstødninger og andre) kan vises som store utætheder. Efterfølgende kvantificering skal følge nøjagtigt at bestemme den faktiske lækage på enhver afbildet lækage. Anvendelse af infrarøde kameraer kan reducere læk afsløring opgørelser, men er følsomme over for vindforhold. Mindre lækager under høje vindforhold kunne diffuse hurtigere og ikke blive opdaget. I tvivlstilfælde, altid dobbelttjekke med en håndholdt metan detektor.
En brugervenlig grænseflade sikrer nem og korrekt brug af FFS. Integreret bruger beder hjælpe brugeren langs protokollen og reducere efterbehandling indsats. For eksempel, når en lækage kvantificering er afsluttet (afsnit 5), den gennemsnitlige læk rente baseret på beregninger ved hjælp af mindst 30 sek kontinuerlig koncentration og flow rate optagelser vil blive rapporteret. Bruger prompter vil automatisk bruge globale eller lokale baggrundskoncentrationer. Simple valg på skærmen vil forårsage solenoider til at drive og prøve til de korrekte placeringer. Brugerne skal følge alle på skærmen for at sikre nøjagtig kvantificering af lækagen. Programmet vil automatisk korrigere for følgende: global eller lokal baggrund; temperatur; massestrømmen (antaget luft med kuldioxid og metan rettelser); fugtighed (målt fra GHG sensor); temperatur (thermocouple – redundant check for omgivelserne)
Den relative usikkerhed af målte satser metanudslip er ± 4,4%, undtagen i tilfælde, hvor lækagen er ligegyldig som koncentrationen målte koncentration nærmede baggrund. Et eksempel på komponent usikkerheder er tilvejebragt i tabel 2.
Kilde | Usikkerhed (%) |
Metan Sensor | 1 |
Metan sensor kalibrering korrelation | 0,73 |
Methan gas flaske | 1 |
gasflaske Zero luft | 0,1 |
LFE | 0,7 |
MAF | 4 |
Differenstryk modul | 0,025 |
Absolut tryk modul | 0.06 | </tr>
Termoelement | 0.4 |
MAF kalibrering korrelation | 0,09 |
Gas divider | 0.5 |
Tabel 2. Komponent Usikkerhed. Uafhængige komponent usikkerheder anvendes til at kvantificere systemet usikkerhed.
Samlet set har systemet og dets metoder vist sig gavnlig i bestræbelserne på at kvantificere præcist metanudslip fra forskellige kilder. Systemet er skalerbart og brugervenligt. Det udviklede system har en usikkerhed på ± 4,4% i forhold til nuværende kommercielle systemer med en usikkerhed på ± 10% 74. Med ordentlig kalibreringer, kan dette system let kvantificere udsivningshastigheder op til 140 SCFM forhold til nuværende kommercielle systemer, der er i stand til at kvantificere lækager op til 8 SCFM med fuld Batteriet oplades 64,74. Mens systemet kræver tilslutning til hus magt, det giver fordele contede sample rates og sample rates meget højere end de nuværende systemer. Detektionsgrænsen for det nuværende system minimum er 0,24 g / t eller 3.0×10 -3 SCFM. Brugergrænsefladen reducerer efterbehandling krav og reducerer indsatsen rapportering. Derudover laser-baserede sensorer er ikke-ødelæggende for lækage prøven, som giver mulighed for direkte måling af prøven med flere analysatorer 65. Laser målinger heller ikke kræver separate sensorer til ambient, små og store læk koncentrationer eller sensor overgange, som bidrager til yderligere kilder til unøjagtighed. Fremtidige undersøgelser fokuserer på fortsat optimering af FFS og dens brugergrænseflade. Yderligere forskning udføres som kombinerer eksperimentelle forskning data og CFD at udvikle yderligere bedste praksis for at sikre ensartede og optimale målemetoder.
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 |