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.
El uso de gas natural continúa creciendo con el aumento de descubrimiento y la producción de los recursos de esquisto no convencionales. Al mismo tiempo, las caras de la industria de gas natural continuaron el escrutinio de las emisiones de metano de toda la cadena de suministro, debido al relativamente alto potencial de calentamiento global del metano (25-84x el del dióxido de carbono, según la Administración de Información de Energía). En la actualidad, una variedad de técnicas variadas de incertidumbres existe para medir o estimar las emisiones de metano de los componentes o instalaciones. En la actualidad, sólo un sistema comercial está disponible para la cuantificación de las emisiones a nivel de componentes e informes recientes han puesto de relieve sus puntos débiles.
Con el fin de mejorar la precisión y aumentar la flexibilidad de medición, hemos diseñado, desarrollado e implementado un nuevo sistema de muestreo de flujo completo (FFS) para la cuantificación de las emisiones de metano y gases de efecto invernadero sobre la base de principios de medición de las emisiones del transporte. El FFS es un sistema modular que consta de un soplador de explosivo a prueba (s), sensor de masa de aire (s) (MAF), termopar, sonda de muestreo, bomba de muestreo de volumen constante, sensor de gases de efecto invernadero a base de láser, dispositivo de adquisición de datos y software de análisis . Dependiendo de la configuración del ventilador y la manguera empleada, la corriente FFS es capaz de alcanzar una velocidad de flujo que van desde 40 a 1.500 pies cúbicos estándar por minuto (SCFM). La utilización de sensores basados en láser mitiga la interferencia de hidrocarburos superiores (C2 +). Co-medición de vapor de agua permite la corrección de la humedad. El sistema es portátil, con múltiples configuraciones para una variedad de aplicaciones que van a realizar por una persona para ser montado en un carro dibujado a mano, en carretera cama del vehículo, o de la cama de los vehículos del terreno utilidad (UTVs). La ECA es capaz de cuantificar las tasas de emisión de metano con una incertidumbre relativa de ± 4,4%. La ECA ha demostrado, el funcionamiento del mundo real para la cuantificación de las emisiones de metano se producen en Conventioinstalaciones internas y remotas.
Informes recientes confirman que el clima está cambiando debido a las actividades humanas y profundizar el cambio es inevitable 1. El cambio climático se produce a partir de un aumento de los gases de efecto invernadero concentración (GEI) de la atmósfera. El dióxido de carbono (CO2) y el metano son los mayores contribuyentes de GEI 2. CO2 y el metano se originan a partir de procesos naturales y las actividades humanas 3. Presentan niveles atmosféricos de CO2 y metano han aumentado respectivamente un 31% y un 151% en los últimos dos siglos, con la concentración de metano aumenta a un ritmo de 2% por año 4-6. Las repercusiones climáticas de metano y emisiones de CO2 dependen del período considerado como el metano tiene una vida útil más corta atmosférica relativa a CO 2 7. Esperanza de vida atmosférica de metano es de 12-17 años, después de lo cual la oxidación a CO2 se produce 8. El impacto de metano es de 72 veces mayor que el CO <sub> 2 en un período de 20 años 9. Sobre una base de masas, el metano es 23 veces más eficaz para atrapar el calor en la atmósfera de CO 2 durante un período de 100 años 10. El metano y el CO2 representan el 10% y el 82% del total de las emisiones de gases de efecto invernadero de Estados Unidos (US) 11. Las emisiones globales de metano procedentes de fuentes antropogénicas son aproximadamente el 60% y el restante son de fuentes naturales 8, 10.
En 2009, no se queman las emisiones de metano entre los pozos de producción y red de distribución local correspondió al 2,4% de la producción de gas natural bruto de Estados Unidos (1.9 a 3.1% a un nivel de confianza del 95%) 12. Las emisiones de metano no quemados-no sólo son perjudiciales para el medio ambiente, sino que también representan un costo enorme para las empresas de gas natural 13. Los analistas estiman que la industria del gas natural deja de percibir más de $ 2 mil millones de dólares por año a causa de las fugas de metano y de ventilación 14. Las emisiones no quemados, son classifIED como fugitivo o reventón de 15, 16. fugitivo se refiere a la liberación no intencional de gas a partir de procesos o equipos, tales como válvulas, bridas, o accesorios al aire ambiente 17, 18. La ventilación se refiere a la liberación intencional de gas del equipo o la operación de los procesos para el aire ambiente, tales como accionadores neumáticos 19. En las instalaciones de petróleo y gas natural en tierra, las emisiones fugitivas representan el ~ 30% de las emisiones totales de metano 20. En 2011, la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) estima que más de 6 millones de toneladas métricas de metano fugitivo escaparon de sistemas de gas natural, que exceden la cantidad de emisiones de GEI (CO 2 equivalente durante un período de 100 años), emitida por todo el hierro y el acero de Estados Unidos, el cemento y las instalaciones de fabricación de aluminio combinados 21.
Existe un vacío crítico en la determinación del impacto climático de gas natural debido a la falta de estimaciones precisas y fiables de ellos asociadoisiones. Sin embargo, existe un consenso de que las emisiones fugitivas de metano se producen en cada etapa del ciclo de vida de gas natural y una mayor investigación en medir e informar sobre estos valores con precisión es importante 19. Los estudios han informado de las emisiones fugitivas de sectores específicos con resultados variables por hasta doce órdenes de magnitud 19, 22-28. La falta de estándares reconocidos de la industria y la falta de una reglamentación coherente en el campo de la detección de fugas y cuantificación de fugas permiten el uso de una variedad de métodos y equipos de prueba, con la precisión de algunas técnicas de medición de hasta ± 50% 29-35. Por lo tanto, existe una considerable incertidumbre sobre la cantidad de metano fugitivo emitida sobre el gas natural ciclo de vida 19, 28, 33, 36-39. Figura 1 ilustra la cantidad de variabilidad en la literatura publicada sobre las emisiones de metano medidos y estimados asociados con la vida gas natural ciclo. Figura 1 </strong> muestra el promedio publicada emisiones fugitivas de metano emitidos como un porcentaje de la producción total de gas natural. Si no se le dio un valor medio fue tomada de la media de la gama de publicado. La desviación estándar entre los 23 estudios es de 3.54, con los valores más altos y más bajos que difieren en el 96,5%.
Figura 1. emisiones fugitivas de metano. Publicadas promedio de las emisiones fugitivas de metano emitidos como un porcentaje de la producción total de gas natural 13, 27, 40-59. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
En la actualidad, la cantidad total de emisiones fugitivas es clara debido en parte a la incertidumbre de medición y técnicas de escalamiento. Sin medición de las emisiones de metano precisos, las autoridades no son capaces de tomar decisiones informadas sobre el asunto.Una revisión de la literatura actual identificado tres métodos principales para la cuantificación de las emisiones fugitivas de gas natural: embolsado, gas trazador, y un muestreador de alto flujo disponible comercialmente.
El método consiste en colocar embolsado un recinto en forma de una "bolsa" o tienda de campaña en torno a una fuente de emisión fugitiva 60. Hay dos variaciones del método de ensacado. En una, una velocidad de flujo conocida de gas limpio (típicamente inerte) pasa a través de la carcasa para crear un ambiente bien mezclada para la medición. Una vez que se alcanza el equilibrio, una muestra de gas se recoge de la bolsa y se mide. La tasa de emisión fugitiva se determina a partir del caudal medido de gas limpio a través del recinto y la concentración de metano en estado estacionario dentro del recinto 61. Dependiendo de cerramiento y de fugas tamaño, el tiempo requerido para alcanzar las condiciones de estabilidad necesarias para la medición de caudal de fuga es de entre 15 a 20 minutos 61. El método de ensacadose puede aplicar en la mayoría de los componentes accesibles. Sin embargo, puede no ser adecuado para los componentes de forma anormal. Este tipo de método es capaz de medir las fugas que varían en tamaño de 0,28 metros cúbicos por minuto (m 3 / min) a tan grande como 6,8 m 3 / min 60 .La otra técnica de embolsado se conoce como ensacado calibrado. Aquí, las bolsas de volumen conocido se sellan alrededor de una fuente de emisión fugitiva. La tasa de emisión fugitiva se calcula basándose en la cantidad de tiempo requerido para la expansión de la bolsa, y corregido en condiciones estándar.
métodos de gas indicador cuantificar una tasa de emisión fugitiva sobre la base de la concentración del gas indicador medido fluye a través de una fuente fugitivo. gases indicadores comúnmente empleados son helio, argón, nitrógeno, hexafluoruro de azufre, entre otros. La tasa de emisiones fugitivas se determina a partir de la relación entre una velocidad de liberación conocida de gas trazador cerca de la fuente fugitiva, las mediciones de las concentraciones contra el viento del trazador y fugigas fuente tiva, y contra el viento línea de base 24. La tasa de emisión fugitiva sólo es válido suponiendo dispersión idénticas y una mezcla completa de las dos fuentes 62. Esto implica que el trazador se libera cerca de la fuente fugitivo a una velocidad y altura similar, y la medición de la dirección del viento es de penachos bien mezclados. Este método es mucho tiempo y no prevé la componente de nivel de granularidad 63.
Un sistema de muestreo de alto volumen disponible en el mercado consiste en un instrumento portátil funciona con pilas empaquetado dentro de una mochila para cuantificar las tasas de emisiones fugitivas 64. El aire que rodea a la localización de la fuga se introduce en la toma de muestras a través de una manguera de 1.5 pulgadas de diámetro interior a una velocidad de flujo suficientemente alta que se puede suponer que la totalidad de la fuga de gas se está capturando.
La tasa de flujo de la muestra se calcula con un venturi dentro de la unidad. Para bajas concentraciones de metano, gas de 0,05-5% en volumen, acatalyst sensor metano se utiliza para medir la concentración. Este sensor es destructivo para el metano y otros hidrocarburos dentro de la muestra. Para las concentraciones de metano a partir de 5-100% en volumen, se emplea un sensor térmico. El sistema utiliza un sensor de fondo separada y la sonda que corrige la concentración de fugas con respecto a la concentración de fondo. Después de la medición, la muestra se agota en la atmósfera de la zona de muestreo 64. Este método se puede aplicar en la mayoría de los componentes accesibles, con la limitación de las tasas de flujo medibles hasta ocho pies cúbicos estándar por minuto (SCFM). Este sistema es capaz de probar hasta 30 muestras por hora. Recientemente, este sistema se ha demostrado que tienen variada precisión y cuestiones con respecto a la transición del sensor catalítico para el sensor térmico 65. Además, el sistema requiere un análisis fraccional gas para aplicar correctamente un factor de respuesta basado en la calidad del gas – que no es el metanoespecífico. El sistema ha sido ampliamente utilizado y puede haber atribuido a las discrepancias entre los métodos de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo por debajo de notificación de las emisiones de metano 65.
Debido a las limitaciones de estos métodos y sistemas, se desarrolló un nuevo sistema de cuantificación. El FFS emplea el mismo concepto de diseño como los sistemas de dilución utilizados en la certificación de emisiones de automoción 66-68. El FFS consiste en una manguera que alimenta un ventilador a prueba de explosivos que agota la muestra de aire de dilución y de fugas a través de un sensor de masa de aire (MAF) y la sonda de muestreo. La sonda de muestra está conectado a un analizador de metano basado láser a través de un tubo de toma de muestras. Los analizadores utiliza cavidad de absorción mejorada para la medición de CH 4, CO 2 y H 2 O. El analizador es capaz de medir CH 4 desde 0% a 10% en volumen, CO 2 de 0 a 20.000 ppm, y H 2 O de 0 a 70000 ppm. Repetibilidad / precisión (1-sigma) para esta configuración is <0,6 ppb de CH 4, <100 ppb de CO 2, y <35 ppm de H 2 O 69. La muestra se extrae de la corriente a una velocidad volumétrica constante. El sistema está equipado con equipos de registro de datos. La figura 2 ilustra el esquema de la ECA. Antes de operar el FFS, la conexión de puesta a tierra en la manguera de toma de muestras se une a una superficie que permite que el sistema a tierra. Esta es una acción preventiva para disipar la carga estática en el extremo de la manguera, lo que podría ser el resultado de un flujo de aire a través de la manguera. La adquisición de datos se produce en cualquiera de un teléfono, tableta o el ordenador portátil inteligente. Software fue desarrollado para la recolección de datos, procesamiento y presentación de informes. La Figura 3 proporciona una breve descripción de las interfaces de usuario para los siguientes protocolos.
Figura 2. Esquema de la ECA y la imagen izquierda -. FFS y esquemáticala derecha -. FFS portátiles durante la auditoría estación de gas natural comprimido (GNC) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Detección y cuantificación de programa general. Breve descripción de los pasos y las preguntas al usuario para calibraciones, pruebas de recuperación, y sin fugas cuantificación. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Con el fin de mejorar la precisión y superar las limitaciones actuales de la industria, hemos creado el sistema de muestreo de flujo completo (FFS) para la cuantificación de metano. Los investigadores utilizaron el sistema en una variedad de formas en varios países de América del Norte. El uso de la espectroscopia elimina la interferencia significativa de compuestos C2 + y la naturaleza de muestreo no destructivo permite la bolsa de muestreo de la fuga de análisis alternativo fuera del sitio. Cuando se combina con los bloques de viento alternativas, el sistema ha cuantificado con éxito y con precisión las emisiones de metano a partir de los siguientes elementos: los sistemas de combustible de GNC, sistemas de combustible de GNL, cárteres de motores de combustión interna, componentes y tuberías, conectores, bridas, rejillas de ventilación del compresor, así componentes de la cabeza, el agua / tanques separadores de aceite, válvulas, actuadores neumáticos accionados por gas natural, así tripas, y numerosos otros componentes relacionados de gas natural. plataformas de sistemas incluyen carros portátiles, de carretera y vehículos todo terreno. El consumo de energía requiere el uso deuna potencia del generador o de la casa a través de 120 VAC conexiones estándar. Sin embargo, a través de este uso del poder 'rejilla' el sistema puede muestrear a caudales más altos y aún así ser utilizados en conjunto con los cables de extensión y casas de muestreo para la portabilidad largas alrededor de un sitio de interés dada. sistemas de baterías de potencia actuales no se desempeñan bien en función del estado de carga de la batería que se elimina el uso de la red eléctrica.
protocolos de calibraciones periódicas se han desarrollado e integrado en la interfaz de usuario. Protocolos 1-3 deben ser completados antes de cualquier nueva auditoría en el lugar o por lo menos una vez al mes. Si los usuarios no siguen con diligencia los protocolos, el sistema puede sub o sobre-informe de las tasas de emisión, lo que podría afectar negativamente reporte de GEI. El objetivo principal de los protocolos es asegurar un sistema preciso para estimar las emisiones totales del sitio con granularidad componente. Si se utiliza el análisis estadístico para crear nuevos factores de emisión, entonces cada uno de no-leacomponente rey también debe ser registrada.
El proceso de detección de fugas puede llevar mucho tiempo con el uso de unidades de mano. El uso de una cámara de imagen óptica de gas puede reducir significativamente el tiempo necesario para detectar fugas. La cámara debe ser capaz de medir los compuestos orgánicos volátiles, incluyendo el metano. Actualmente las unidades comerciales disponibles tienen sensibilidades de las tasas de fugas detectables de aproximadamente 0,8 gramos por hora (g / h) y dependen de las condiciones del viento. Dispositivos de imágenes también son sensibles a la temperatura. Asegúrese de ajustar las escalas de temperatura según sea necesario. Extremadamente vapores fríos (gas natural criogénico) o sobrecalentado vapores (vapor en los tubos de escape y otros) pueden aparecer fugas tan excesivos. posterior cuantificación debe seguir para determinar con precisión la tasa de fuga real de cualquier fuga fotografiado. El uso de cámaras de infrarrojos puede reducir significativamente los inventarios de detección de fugas, pero son sensibles a las condiciones del viento. fugas más pequeños en condiciones de vientos fuertes podrían diffuse más rápidamente y no ser visto. En caso de duda, siempre vuelva a comprobar con una mano celebró detector de metano.
Una interfaz fácil de usar garantiza un uso fácil y adecuada de la ECA. integrada para el usuario solicita ayudar al usuario a lo largo del Protocolo y reducir los esfuerzos de post-procesamiento. Por ejemplo, una vez a la cuantificación de fugas se completa (Sección 5), la tasa de fuga de promedio basado en cálculos realizados utilizando al menos 30 segundos de concentración continua y se registró un flujo de grabaciones de tasas. confirmaciones de usuario usarán automáticamente las concentraciones globales o locales fondo. Simple selección en pantalla hará que solenoides para operar y para la muestra de las ubicaciones correctas. Los usuarios deben seguir todas instrucciones en pantalla para asegurar la cuantificación exacta de la fuga. El programa corregirá automáticamente para el siguiente: Fondo global o local; temperatura; tasa de flujo másico (aire asumido con correcciones de dióxido de carbono y metano); humedad (medida desde el sensor de gases de efecto invernadero); la temperatura (Thermocouple – comprobación de redundancia para condiciones ambientales)
La incertidumbre relativa de las tasas de emisión de metano medida es de ± 4,4%, excepto en circunstancias en que la fuga es intrascendente como la concentración mide la concentración de fondo acercado. Un ejemplo de las incertidumbres de los componentes se proporciona en la Tabla 2.
Fuente | Incertidumbre (%) |
sensor de metano | 1 |
El metano correlación de calibración del sensor | 0,73 |
botella de gas metano | 1 |
botella de gas de aire cero | 0,1 |
LFE | 0,7 |
MAF | 4 |
Módulos de presión diferencial | 0,025 |
módulo de presión absoluta | 0.06 | </tr>
Par termoeléctrico | 0,4 |
correlación de calibración MAF | 0.09 |
divisor de gases | 0,5 |
Tabla 2. Incertidumbre de componentes. Incertidumbres de componentes independientes que se utilizan para cuantificar la incertidumbre del sistema.
En general, el sistema y sus métodos han demostrado ser beneficiosos en los esfuerzos para cuantificar con precisión las emisiones de metano a partir de diversas fuentes. El sistema es escalable y fácil de usar. El sistema desarrollado tiene una incertidumbre de ± 4,4% con respecto a los sistemas comerciales actuales con una incertidumbre de ± 10% 74. Con las calibraciones adecuadas, este sistema puede cuantificar fácilmente las tasas de fuga de hasta 140 SCFM en comparación con los sistemas comerciales actuales que son capaces de cuantificar las fugas de hasta 8 SCFM con cargas de batería completo 64,74. Mientras que el sistema requiere una conexión a la alimentación de la casa, esto ofrece ventajas de estafapersis- frecuencias de muestreo y frecuencias de muestreo mucho más altos que los sistemas actuales. El límite mínimo de detección del sistema actual es de 0,24 g / hr o 3.0×10 -3 SCFM. La interfaz de usuario reduce los requisitos de post-procesamiento y reduce los esfuerzos de información. Además, los sensores basados en láser son no destructivo para la muestra de fugas, que permite la medición directa de la muestra con múltiples analizadores 65. las mediciones basadas en láser también no requieren sensores separados para las concentraciones de fugas ambiente, pequeñas y grandes o transiciones del sensor, que contribuyen a fuentes adicionales de inexactitud. Los estudios futuros se centran en la optimización continua de la ECA y su interfaz de usuario. La investigación adicional se lleva a cabo la dinámica de datos que combina la investigación y de fluidos computacional experimentales para desarrollar mejores prácticas adicionales para asegurar técnicas de medición seguros y óptimos.
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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