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.
천연 가스의 사용은 틀에 얽매이지 않는 셰일 자원의 증가 발견 및 생산과 성장을 계속하고 있습니다. 동시에, 천연 가스 산업 얼굴 (에너지 정보 관리에있어서, 이산화탄소의 25-84x) 의한 메탄의 비교적 높은 지구 온난화 가능성을 공급망에 걸쳐 메탄 배출 감시를 계속했다. 현재, 다양한 불확실성 다양한 기술 측정하거나 부품 또는 설비 메탄 배출량을 추정하기 위해 존재한다. 현재, 하나는 상용 시스템은 약점을 강조 구성 요소 수준의 배출과 최근 보고서를 정량화 할 수 있습니다.
정확도를 향상시키고 측정의 유연성을 증가시키기 위하여, 우리는, 설계, 개발 및 교통 배출량 측정 원리에 기초하여 메탄 배출 및 온실 가스의 정량 신규 전체 유량 샘플링 시스템 (FFS)를 시행하고있다. 은 FFS는 폭발 방지 송풍기 (들), 질량 기류 센서 (들) (MAF), 열전쌍, 샘플 프로브 일정 부피 샘플링 펌프 레이저 기반 온실 가스 센서 데이터 획득 장치 및 분석 소프트웨어를 구성하는 모듈 시스템 . 사용되는 송풍기와 호스 구성에 의존하는 현재의 FFS는 분당 40 내지 1500 표준 입방 피트 (SCFM) 범위의 유속을 달성 할 수있다. 레이저 기반 센서의 활용이 높은 탄화수소 (C2의 +)의 간섭을 완화합니다. 수증기의 공동 측정은 습도 보정 기능을 제공합니다. 이 시스템은 손으로 그린 카트에 장착되기 사람에 의해 수행되고 이르기까지 다양한 응용 프로그램에 대해 여러 구성으로, 휴대용, 온로드 차량 침대 또는 유틸리티 지형 차량 (UTVs)의 침대에서. FFS는 ± 4.4 %의 상대 불확실성 메탄 배출량을 정량화 할 수있다. FFS는 conventio에서 발생하는 메탄 가스 배출의 정량화, 실제 동작을 입증최종 및 원격 시설을 제공합니다.
최근의 보고서는 기후 때문에 인간 활동의 변화 또한 변화가 1 불가피 확인합니다. 기후 변화는 대기의 온실 가스 (GHG) 농도의 증가로부터 발생한다. 이산화탄소 (CO 2)와 메탄이 가장 GHG 기여자이다. CO 2와 메탄은 자연적인 과정과 인간의 활동 (3) 모두에서 발생. 이산화탄소와 메탄의 현재 대기 농도는 각각 메탄 농도는 4-6 년마다 2 %의 비율로 증가하여, 지난 수세기에 걸쳐 31 %, 151 % 증가했다. 메탄과 이산화탄소 배출량의 기후 영향은 메탄이 7 공동 짧은 대기 수명 상대가로 간주 기간에 따라 달라집니다. 메탄의 대기 중 수명은 산화 후 2 8 발생하는 CO하는 12~17년입니다. 메탄의 영향 CO보다 72 배 크다 <sUB>이 20 년 동안 9인치 질량 기준으로, 메탄은 100 년 동안 10 CO 2보다 분위기에 열을 트래핑에 23 배 이상 효과적이다. 메탄과 CO 10 % 2 계정과 전체 미국 (US) 온실 가스 배출량 (11)의 82 %. 인위적 소스의 글로벌 메탄 배출량은 약 60 %이며, 남아있는 천연 소스 (8), (10)이다.
2009 년 생산 웰와 로컬 분배 네트워크 사이 메탄 배출 비 연소 (95 % 신뢰 수준에서 1.9-3.1 %) 총 US 천연 가스 생산의 2.4 %로 12 맞습니다. 비 연소 메탄 배출뿐만 아니라 환경에 유해 할뿐만 아니라 천연 가스 회사 (13)에 큰 비용을 나타낸다. 분석가들은 천연 가스 산업이 때문에 메탄 누출의 연간 $ (2) 억 달러를 초과하고 14 배출에 잃는 것으로 추정된다. 비 연소 배출되어 정식 종목도망자 15을 배출, 16 IED. 도망자는. 공기 (17), (18) 주변에 밸브, 플랜지, 또는 피팅 등의 프로세스 또는 장비에서 가스의 의도하지 않은 방출을 의미 벤트는 장비 또는 작업 공정에서 가스의 의도적 방출을 의미 이러한 공압 액추에이터 (19) 등의 주변 공기에. 육상 석유와 천연 가스 시설에서 비산 배출은 전체 메탄 배출량 (20)의 30 % ~를 차지한다. 2011 년, 미국 환경 보호국 (EPA)은 도망자 메탄 이상 600 만 메트릭 톤 (CO는 100 년 동안 2 -equivalent)에 의해 방출되는 온실 가스의 양을 초과하는 천연 가스 시스템에서 탈출 것으로 추정 모든 미국의 철강, 시멘트, 알루미늄 제조 시설 (21)를 결합했다.
중요한 차이로 인해 관련된 EM의 정확하고 신뢰할 수있는 추정들의 부족으로 천연 가스의 기후 영향의 결정에 존재issions. 그러나, 비산 메탄 배출량을 정확하게 측정하고이 값을보고에서 천연 가스 라이프 사이클 및 추가 연구의 모든 단계에서 발생하는 합의 19 중요한 존재이다. 연구는 크기 19, 22-28의에 의해 최대 12 주문을 다양한 결과 특정 부문에서 비산 배출을보고했다. 인정 산업 기준의 부족과 누출 검출 및 누설 정량의 분야에서 일관된 규칙의 부족은 ± 50 % 29-35만큼 높은 일부 측정 방법의 정확도와 검사 방법 및 장치의 다양한 사용을 가능하게한다. 따라서, 상당한 불확실성도 1. 천연 가스주기 19, 28, 33, 36-39에 걸쳐 방출 비산 메탄의 양에 존재하는 천연 가스의 수명과 관련된 측정 예상 메탄 배출 출판 문헌 변동의 양을 나타낸다 사이클. 그림 1 </stroNG> 총 천연 가스 생산의 비율로 방출되는 평균 발행 비산 메탄 배출량을 보여줍니다. 평균 값이 지정되지 않은 경우 게시 된 범위의 평균 하였다. 23 연구 사이의 표준 편차는 최저 및 최고 값이 96.5 %로 다른과, 3.54이다.
그림 1. 도망자 메탄 배출량은. 총 천연 가스 생산 13, 27, 40 ~ 59의 비율로 방출되는 비산 메탄 배출량을 평균 발표했다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
현재 비산 배출 총량 의한 측정 불확실성 및 스케일링 기술을 부분적으로 불분명하다. 정확한 메탄 배출 측정하지 않고, 정책 입안자들은이 문제에 대한 정보를 선택을 할 수 없습니다.포기할, 추적 가스, 시중에서 판매하는 높은 흐름 샘플러 : 현재 문학의 검토는 천연 가스 탈루 배출의 정량화를위한 세 가지 기본 방법을 확인했다.
배깅 방법은 비산 배출원 (60) 주위에 '가방'또는 텐트 형태의 인클로저를 배치하는 것을 포함한다. 배깅 방법의 두 가지 변화가 있습니다. 한 청정 가스의 공지 된 유동 속도 (일반적으로 불활성)을 측정하는 잘 혼합 된 환경을 만들기 위해 인클로저를 통과한다. 평형에 도달하면, 가스 샘플을 백으로부터 수집하여 측정 하였다. 비산 배출 속도는 케이스 (61) 내에 격납하고 정상 메탄 농도 통한 청정 가스의 측정 된 유량이 결정된다. 엔클로저 누출 크기에 따라 누설 률 측정에 필요한 정상 상태 조건에 도달하는데 요구되는 시간은 15 ~ 20 분 사이에 61이다. 배깅 방법가장 접근 요소에 적용될 수있다. 그러나, 비정상적 모양의 구성 요소에 대한 적합하지 않을 수 있습니다. 이 방법 유형은 국지적 인 다른 배깅 기법 보정 배깅로 알려져 큰 3 m / 분 60 6.8 분당 0.28 입방 미터 (m 3 / 분)에서의 크기에 이르는 누출을 측정 할 수있다. 여기에, 알려진 양의 가방은 비산 배출원 주위에 밀봉된다. 비산 배출 속도는 주머니의 팽창에 필요한 시간의 양에 기초하여 계산하고, 표준 상태로 보정된다.
추적 가스 메소드는 비산 소스에 흐르는 측정 추적 가스 농도에 기초한 비산 배출량을 정량화. 일반적으로 사용되는 트레이서 가스 중에서도 헬륨, 아르곤, 질소, 육 불화 황을한다. 비산 배출 속도는 비산 소스 근처 추적 가스의 공지 된 방출 속도의 비로부터 결정되고, 추적 및 fugi의 풍하 농도 측정적인 소스 가스 및베이스 24 풍상. 도망자 방출 속도는 두 소스 (62)에 대해 동일 분산하고 완전한 혼합을 가정에만 유효합니다. 이 추적이 비슷한 속도와 높이에 도망자 소스 근처에 출시한다는 것을 의미하고, 윈드 측정이 잘 혼합 된 깃털에서입니다. 이 방법은 시간을 소비하고 구성 요소 수준 세분화 (63)을 제공하지 않습니다.
시판 대량 샘플링 시스템은 비산 배출량 (64)을 정량화 할 수있는 배낭 안에 포장 된 휴대용 배터리 작동 기기로 구성되어 있습니다. 누설 위치 주변의 공기가 누설되는 가스가 모두 포착되는 것으로 가정 될 수 있다는 것을 충분히 높은 유량으로 1.5 인치 내경 호스를 통해 샘플러로 흡입된다.
샘플 유량 단위 내의 벤츄리 계산된다. 볼륨 (AC)에 의해 메탄 가스 0.05 %의 낮은 농도에 관한메탄 센서 atalyst 농도를 측정하는 데 사용됩니다. 이 센서는 시료 내의 메탄 및 기타 탄화수소로 파괴된다. 체적 5~100% 메탄 농도를 들어, 열 센서가 사용된다. 시스템은 배경 농도 누출 농도 대하여 보정하는 별도의 배경 센서 프로브를 사용한다. 측정이 완료된 후 샘플을 얻어 샘플링 에리어 (64)로부터 대기 중으로 다시 배출된다. 이 방법은 분 당 8 개의 표준 입방 피트 (SCFM)까지 측정 유량의 제한으로 가장 접근 요소에 적용될 수있다. 이 시스템은 시간 당 30 샘플까지 검사 할 수있다. 최근에,이 시스템은 온도 센서 (65)에 접촉 센서로부터의 전이에 관한 다양한 정확도 문제가 밝혀졌다. 또한, 시스템은 정확하게 가스 품질에 기초하는 응답 인자를 적용하는 기체 분획 분석을 요구한다 – 그것은 메탄 아니다특유한. 이 시스템은 널리 사용되어 왔으며 메탄 배출량 (65)를보고 아래에 의해 하향식 및 상향식 (bottom-up) 방법 사이의 불일치에 기인 수 있습니다.
이러한 방법 및 시스템의 제한으로 인해, 새로운 정량화 시스템이 개발되었다. FFS 자동차 배출 가스 인증 66-68에서 사용되는 희석 시스템과 동일한 설계 개념을 사용한다. FFS는 질량 공기 흐름 센서 (MAF) 및 샘플 프로브를 통해 누출 및 희석 공기 샘플을 배출 폭발 방지 송풍기를 공급하는 호스로 구성되어 있습니다. 샘플 프로브는 샘플링 튜브를 통해 레이저 기반 메탄 분석기에 연결된다. 분석기는 CH 4, CO 2, H 2 O의 측정을 위해 공동 향상된 흡수를 사용 분석기는 볼륨을 0 내지 20,000 ppm의 CO 2, 0에서 70,000 ppm으로 H 2 O가 0 % 내지 10 %의 메탄을 측정 할 수있다. 이 구성의 난에 대한 반복 / 정밀 (1 시그마)의 <H 2 O 69 CH 4, <100 ppb의 주식 2, <35 ppm으로 0.6 PPB. 시료를 일정한 체적 비율 스트림에서 도출된다. 이 시스템은 데이터 기록 장치로 계측된다. (2)이 FFS의 개략도를 도시한다. FFS 동작에 앞서, 샘플러 호스의 접지 연결은 시스템이 접지 될 수 있도록하는 표면에 부착된다. 이 호스를 통해 공기 흐름에서 발생할 수 호스의 끝 부분에 정전기를 방출 할 수있는 예방 조치입니다. 데이터 수집 중 스마트 폰, 태블릿, 노트북 컴퓨터에서 발생합니다. 소프트웨어는 데이터를 수집, 처리, 및보고를 위해 개발되었다. (3)는 다음의 프로토콜에 대한 사용자 인터페이스의 간략한 개요를 제공하는 도표.
그림 2. FFS 회로도 및 이미지 왼쪽 -. 회로도를 요한다과오른쪽 -. 압축 천연 가스 (CNG) 역 감사 기간 동안 휴대용 FFS 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. 탐지 및 정량화 프로그램 개요. 단계 및 사용자의 간단한 개요 교정, 복구 테스트를 묻는 메시지 및 정량을 누설. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
정확도를 개선하고 현재 업계의 한계를 극복하기 위해, 우리는 메탄 정량의 전체 유량 샘플링 시스템 (FFS)를 만들었다. 연구자 북미 여러 위치에서 다양한 형태의 시스템을 사용 하였다. 분광기의 사용은 다른 분석 오프 사이트에 대한 누출 가방 샘플링을 허용 C2 + 화합물 및 비파괴 샘플링 자연 상당한 간섭을 제거한다. CNG 연료 시스템, LNG 연료 시스템, 내부 연소 엔진의 크랭크 케이스, 배관, 튜브, 커넥터, 플랜지, 압축기 통풍구, 잘 헤드 구성 요소, 물 / : 다른 바람 블록 시스템이 성공적으로 정확하게 메탄 다음 항목에서 배출량을 정량화 한과 결합 오일 분리기 탱크, 밸브, 천연 가스, 잘 케이스, 그리고 수많은 다른 천연 가스 관련 구성 요소에 의해 구동 공압 액추에이터. 시스템 플랫폼은 휴대용 온로드 카트, 오프로드 차량을 포함했다. 소비 전력의 사용을 요구하지표준 120 VAC 연결을 통해 발전기 또는 집의 전원을 켭니다. 그러나, '격자'전력이 사용을 통해 상기 시스템은 아직 여전히 관심의 특정 사이트 주위 이식성 연장선 긴 샘플링 주택과 함께 사용될 높은 유량으로 샘플링 할 수있다. 현재 배터리 구동 시스템은 그리드 전력을 사용하여 제거되어 배터리 충전 상태의 함수로서 성능이 저하했다.
주기적 교정 프로토콜 개발 및 사용자 인터페이스에 통합되어있다. 프로토콜 1-3 전에 새로운 사이트 감사 또는 매월 최소 완료해야합니다. 사용자가 부지런히 프로토콜을 따르지 않는 경우, 시스템은 배출 속도에 따라 또는 과잉 보고서, 어떤 부정적인 온실 가스보고에 영향을 줄 수있다. 프로토콜의 주된 목적은 부품 단위로 전체 사이트 배출량을 추정하는 정확한 시스템을 보장한다. 통계 분석은 새로운 방출 계수를 생성하는데 사용되는 경우에, 각 비 – 레왕 성분은 또한 기록되어야한다.
누설 검출 처리는 핸드 헬드 장치의 사용과 시간이 소모 될 수있다. 광학 가스 촬상 카메라의 사용은 유의 누출 검출에 필요한 시간을 줄일 수있다. 카메라는 메탄을 포함하여 휘발성 유기 화합물을 측정 할 수 있어야한다. 현재 상업 단위 시간 (g / 시간) 당 약 0.8 그램의 검출 누출 환율 민감도가 바람 조건에 따라 달라집니다. 이미징 디바이스는 온도에 민감하다. 필요에 따라 온도을 조절해야합니다. 매우 추운 증기 (극저온 천연 가스) 또는 과열 증기 (배출 등의 증기) 과도한 누수를 표시 할 수 있습니다. 이후 정량 정확하게 어떤 군데 누수의 실제 누설 률을 결정하기 위해 준수해야합니다. 적외선 카메라의 사용이 크게 누수 탐지 재고를 줄일 수 있지만, 바람 조건에 민감 할 수 있습니다. 높은 바람 조건에서 작은 누출 diffu 수그 자체보다 신속하고 있지 발견 될 수있다. 경우는 의심, 손으로 항상 이중 체크 메탄 탐지기를 개최했다.
사용자 친화적 인 인터페이스는 FFS 쉽고 적절한 사용을 보장합니다. 통합 사용자는 프로토콜에 따라 사용자를 지원하는 후 처리 노력을 감소하라는 메시지가 표시됩니다. 누설 정량 (제 5)를 완료하면, 예를 들어, 평균 누설 률은 연속적인 농도의 적어도 30 초를 사용하여 계산에 기초하여 유량 기록보고한다. 사용자 메시지가 자동으로 전역 또는 지역 배경 농도를 사용합니다. 간단한 화면의 선택은 솔레노이드가 올바른 위치에 대한 운영 및 샘플하게됩니다. 사용자 화면에 모두가 누수의 정확한 정량을 확인하라는 메시지를 따라야한다. 이 프로그램 것입니다 다음을 자동으로 올바른 : 글로벌 또는 로컬 배경; 온도; 질량 유량 (이산화탄소 및 메탄 수정과 가정 공기); 습도 (온실 가스 센서에서 측정) 온도 (칼로리ocouple – 주변 환경에 대한 중복 체크)
측정 메탄 배출 속도의 상대적인 불확실성 농도되었을 배경 농도를 측정 한 누설 비논리적 인 경우를 제외 ± 4.4 %이다. 성분 불확실성의 예는 표 2에 제공된다.
출처 | 불확실성 (%) |
메탄 센서 | 1 |
메탄 센서 교정 상관 | 0.73 |
메탄 가스 병 | 1 |
제로 에어 가스 병 | 0.1 |
LFE | 0.7 |
MAF | 4 |
차압 모듈 | 0.025 |
절대 압력 모듈 | 0.06 | </TR>
열전대 | 0.4 |
MAF 교정 상관 | 0.09 |
가스 분배기 | 0.5 |
표 2. 구성 요소의 불확실성. 시스템의 불확실성을 정량화하는 데 사용되는 독립적 인 구성 요소의 불확실성.
전반적으로, 시스템 및 방법은 다양한 소스로부터 정확하게 메탄 배출량을 정량화하기위한 노력에 도움이 입증되었습니다. 이 시스템은 확장 가능하고 사용자 친화적이다. 개발 된 시스템은 ± 10 % (74)의 불확실성과 현재의 상용 시스템에 비해 ± 4.4 %의 불확실성을 가지고있다. 적절한 교정으로,이 시스템은 쉽게 전체 배터리가 충전 64,74와 8 SCFM에 누수를 정량화 할 수있는 현재의 상용 시스템에 비해 140 SCFM까지 누출 속도를 정량화 할 수 있습니다. 시스템이 집의 전원 연결이 필요하지만,이 사기꾼의 장점을 제공합니다일관된 샘플 속도와 현재의 시스템보다 훨씬 높은 샘플 레이트. 현재 시스템의 최소 검출 한계는 0.24 g / 시간 또는 3.0×10 -3 SCFM이다. 사용자 인터페이스는 후 처리 요건을 감소보고 노력을 감소시킨다. 또한, 레이저 기반 센서들은 다중 분석기 (65)를 이용하여 시료를 직접 측정 할 수있는 누설 샘플을 비파괴이다. 레이저 기반의 측정은 부정확의 추가 소스에 기여 주변 소형 및 대형 누출 농도 또는 센서 전환을위한 별도의 센서를 필요로하지 않습니다. 앞으로의 연구는 FFS 및 사용자 인터페이스의 지속적인 최적화에 초점을 맞춘다. 추가 연구는 일관성과 최적의 측정 기술을 확보하기 위해 추가 모범 사례를 개발하기 위해 실험 연구 자료 및 계산 유체 역학을 결합하는 진행되고있다.
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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