Design and Use of a Full Flow Sampling System (FFS) for the Quantification of Methane Emissions

Derek R. Johnson; April N. Covington; Nigel N. Clark

doi:10.3791/54179

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Ingénierie

Ontwerp en gebruik van een Full Flow Sampling System (FFS) voor de kwantificering van methaan emissies

Published: June 12, 2016

doi:

10.3791/54179

Derek R. Johnson^1,2, April N. Covington^1,2, Nigel N. Clark¹

¹Mechanical and Aerospace Engineering Department,West Virginia University, ²Center for Alternative Fuels, Engines, and Emissions,West Virginia University

Summary

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.

Abstract

Het gebruik van aardgas blijft groeien met een verhoogde de ontdekking en productie van onconventionele bronnen schalie. Op hetzelfde moment, de aardgasindustrie gezichten voortgezet toetsing voor de uitstoot van methaan uit de hele supply chain, als gevolg van relatief hoge aardopwarmingsvermogen van methaan (25-84x dat van koolstofdioxide, volgens de Energy Information Administration). Op dit moment, een verscheidenheid aan technieken van verschillende onzekerheden bestaat om te meten of schatten methaanemissies van onderdelen of faciliteiten. Op dit moment, maar een commercieel systeem is beschikbaar voor de kwantificering van de component-niveau de uitstoot en de recente rapporten hebben de zwakke punten gemarkeerd.

Om de nauwkeurigheid te verbeteren en het vergroten van de meting flexibiliteit, hebben wij ontworpen, ontwikkeld en geïmplementeerd een nieuwe full-flow sampling systeem (FFS) voor het kwantificeren van de uitstoot van methaan en broeikasgassen op basis van transport principes uitstoot meting. de FFS is een modulair systeem dat bestaat uit een explosieve-proof ventilator (s), massa luchtstroom sensor (s) (MAF), thermokoppel, monster probe, constant volume sampling pomp, op laser gebaseerde broeikasgas sensor, data-acquisitie apparaat en analysesoftware . Afhankelijk van de blower en slang configuratie toegepast, de huidige FFS kan een stromingssnelheid van 40 tot 1500 standaard kubieke voet per minuut (SCFM) bereiken. Gebruik van op laser gebaseerde sensoren vermindert interferentie van hogere koolwaterstoffen (C2 +). Co-meting van waterdamp maakt luchtvochtigheid correctie. Het systeem is draagbaar, met verschillende configuraties voor verschillende toepassingen, variërend van een persoon is aangebracht in een hand wagen gedragen, op wegvoertuig bed of de bedden van nut terreinvoertuigen (UTVs). De FFS is in staat om methaanemissie tarieven te kwantificeren met een relatieve onzekerheid van ± 4,4%. De FFS heeft bewezen, echte wereld verrichting voor het kwantificeren van methaanemissies die zich in Conventiointerne en externe voorzieningen.

Introduction

Recente rapporten bevestigen dat het klimaat aan het veranderen is als gevolg van menselijke activiteiten en de verdere verandering onvermijdelijk is ^1. Klimaatverandering plaatsvindt van een toename van de uitstoot van broeikasgassen (BKG) concentratie van de atmosfeer. Kooldioxide (CO ₂₎ en methaan zijn de grootste uitstoot van medewerkers ^2. CO ₂ en methaan afkomstig van zowel natuurlijke processen en menselijke activiteiten ^3. Present atmosferische niveaus van CO ₂ en methaan zijn respectievelijk gestegen met 31% en 151% in de afgelopen twee eeuwen, met de methaan concentratie toeneemt met een tarief van 2% per jaar ^4-6. Het klimaat gevolgen van methaan en CO ₂ -uitstoot hangt af van de beschouwd als methaan heeft een kortere atmosferische levensduur ten opzichte van CO ₂ ⁷ periode. Atmosferische levensduur van methaan is 12-17 jaar, waarna oxidatie tot CO ₂ ⁸ treedt. Het effect van methaan is 72 maal groter dan CO <sub> 2 in een periode van 20 jaar ^9. Op een massabasis, methaan is 23 keer effectiever in het vangen warmte in de atmosfeer dan CO ₂ over een periode van 100 jaar ^10. Methaan en CO ₂ goed voor 10% en 82% van de totale Verenigde Staten (VS) de uitstoot van broeikasgassen ^11. Global methaanemissie uit antropogene bronnen zijn ongeveer 60% en de overige zijn uit natuurlijke bronnen ^{8, 10.}

In 2009, onverbrande methaanemissies tussen productie putten en lokale distributienetwerk overeen met 2,4% van het bruto Amerikaanse productie van aardgas (1,9-3,1% bij een betrouwbaarheidsniveau van 95%) ^12. Onverbrande methaanemissies zijn niet alleen schadelijk voor het milieu, maar vertegenwoordigen ook een enorme kosten voor aardgas bedrijven ^13. Analisten schatten dat de aardgasindustrie verliest meer dan $ 2000000000 dollar per jaar als gevolg van methaan lekkages en ontluchten ^14. Onverbrande uitstoot Classified als diffuse of ontluchting ^{15, 16.} Diffuse verwijst een onbedoeld losraken van gas uit processen of apparatuur, zoals kleppen, flenzen en fittingen om lucht ^{17, 18} omgevingstemperatuur. Ontluchten betreft de opzettelijke gasontwikkeling uit apparatuur en operationele processen omgevingslucht, zoals pneumatische aandrijvingen ^19. Bij onshore olie en aardgas faciliteiten, diffuse emissies goed voor ~ 30% van de totale uitstoot van methaan ^20. In 2011, de US Environmental Protection Agency (EPA) schat dat meer dan 6 miljoen ton van de diffuse methaan ontsnapt uit aardgas systemen, die het bedrag van de uitstoot van broeikasgassen overschrijden (CO ₂ -equivalent over een periode van 100 jaar), uitgezonden door alle Amerikaanse ijzer en staal, cement, aluminium en productiefaciliteiten gecombineerd ^21.

Een kritische kloof bestaat in het bepalen van het klimaateffect van aardgas door het gebrek aan nauwkeurige en betrouwbare schattingen van de bijbehorende emissies. Echter, er is een consensus dat diffuse methaanemissies optreden in elke fase van het aardgas levenscyclus en verder onderzoek op het nauwkeurig meten en rapporteren van deze waarden is belangrijk ^19. Studies hebben diffuse emissies van bepaalde sectoren gerapporteerd met resultaten variërend van maximaal twaalf ordes van grootte ^{19, 22-28.} Het ontbreken van erkende industriestandaarden en een tekort aan consistente regelgeving op het gebied van lekdetectie en lekkage kwantificering mogelijk het gebruik van een verscheidenheid aan testmethoden en apparatuur, met de nauwkeurigheid van een aantal meettechnieken oplopen tot ± 50% ^29-35. Derhalve aanzienlijke onzekerheid bestaat op de hoeveelheid vluchtige methaan uitgestoten via aardgas levenscyclus ^{19, 28, 33, 36-39.} Figuur 1 illustreert de hoeveelheid variabiliteit in de gepubliceerde literatuur over gemeten en geschatte methaan uitstoot van het natuurlijke leven gas cyclus. Figuur 1 </strong> toont de gemiddelde gepubliceerde diffuse uitstoot van methaan uitgestoten als een percentage van de totale productie van aardgas. Als een gemiddelde waarde niet werd het gemiddelde van het vermelde bereik genomen. De standaard afwijking tussen de 23 studies is 3,54, de laagste en de hoogste waarden verschillen met 96,5%.

Figuur 1. Fugitive methaan uitstoot. Gepubliceerd gemiddeld diffuse uitstoot van methaan uitgestoten als een procent van de totale productie van aardgas ^{13, 27, 40-59.} Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Momenteel is de totale hoeveelheid diffuse emissies onduidelijk is deels te wijten aan de meetonzekerheid en scaling technieken. Zonder nauwkeurige methaanemissie metingen, beleidsmakers in staat zijn om weloverwogen keuzes te maken over de kwestie.Een overzicht van de huidige literatuur geïdentificeerd drie primaire methoden voor het kwantificeren van aardgas diffuse emissies: zakken, tracer gas, en een commercieel beschikbare hoge stroomsnelheid sampler.

De zakken methode bestaat uit het plaatsen van een behuizing in de vorm van een 'bag' of tent rond een diffuse emissie bron ^60. Er zijn twee varianten van de methode zakken. In één bekende stroomsnelheid van schoon gas (doorgaans inerte) door de behuizing aan een goed gemengde omgeving voor meting creëren. Zodra evenwicht is bereikt, wordt een gasmonster verzameld uit de zak en gemeten. De diffuse emissie wordt bepaald op basis van de gemeten stroomsnelheid van schone gas door de ruimte en de steady-state methaan concentratie in de behuizing ^61. Afhankelijk van de behuizing en lekgrootte, de tijd die nodig is om de nodige steady state voorwaarden voor de lekkage meting te bereiken is tussen de 15 tot 20 min ^61. De zakken methodekunnen worden toegepast op de meeste toegankelijke componenten. Het kan echter niet geschikt voor abnormaal gevormde componenten. Deze methode type is geschikt voor het meten lekken variërend in grootte van 0,28 kubieke meter per minuut (m ³ / min) zo groot als 6,8 m ³ / min ⁶⁰ .De andere zakken techniek wordt gekalibreerd zakken. Hier, tassen van bekende volume worden afgedicht rond een diffuse emissie bron. De diffuse emissie wordt berekend op basis van de hoeveelheid tijd die nodig is voor de uitbreiding van de tas, en herleid tot normale omstandigheden.

Indicatorgasconcentraties methoden te kwantificeren een diffuse emissie tarief op basis van de gemeten concentratie tracer gas stroomt door een voortvluchtige bron. Tracer gassen gewoonlijk toegepast zijn helium, argon, stikstof, zwavelhexafluoride, onder anderen. De diffuse emissie wordt bepaald op basis van de verhouding van een bekende afgiftesnelheid van indicatorgas in de buurt van de voortvluchtige bron, metingen van de benedenwinds concentraties van tracer en Fugitieve bron gas, en tegen de wind in de uitgangswaarde ^24. De diffuse emissie tarief is alleen geldig in de veronderstelling identiek dispersie en volledige menging van de twee bronnen ^62. Dit impliceert dat de tracer wordt losgelaten in de buurt van de voortvluchtige bron bij een gelijke snelheid en hoogte, en de wind mee meting van goed gemengd pluimen. Deze werkwijze is tijdrovend en niet in componentniveau granulariteit ^63.

Een in de handel verkrijgbaar hoog volume sampling systeem bestaat uit een draagbare batterij aangedreven instrument verpakt in een rugzak om diffuse emissie tarieven ⁶⁴ kwantificeren. De lucht rond de lek locatie wordt getrokken in de sampler via een 1,5-inch binnendiameter slang bij een voldoende hoog debiet dat kan worden aangenomen dat alle van de lekkende gas wordt opgenomen.

De bemonsteringsstroom wordt berekend met een venturi binnen de eenheid. Voor lage concentraties van methaan, 0,05-5% gas per volume, acatalyst methaan sensor wordt gebruikt om de concentratie te meten. Deze sensor is destructief voor de methaan en andere koolwaterstoffen in het monster. Methaan concentraties 5-100 vol%, wordt een thermische sensor gebruikt. Het systeem gebruikt een afzonderlijke achtergrond sensor en probe die de lek concentratie ten opzichte van de achtergrondconcentratie corrigeert. Nadat de meting is voltooid, wordt het monster uitgeput in de atmosfeer van het bemonsteringsplaats ^64. Deze methode kan worden toegepast op de meeste toegankelijke componenten, met de beperking van meetbare stroomsnelheden maximaal acht standaard kubieke voet per minuut (SCFM). Dit systeem is geschikt voor het testen tot 30 monsters per uur. Recentelijk is dit systeem getoond gevarieerde nauwkeurigheid en problemen met betrekking tot de overgang van de katalytische sensor de thermische sensor ⁶⁵ hebben. Bovendien vereist het systeem gas fractionele analyse correct toepassen van een reactie factor op basis van kwaliteit gas – het is niet methaanspecifiek. Het systeem is op grote schaal gebruikt geweest en kunnen de verschillen tussen top-down en bottom-up methoden zijn toegekend door onder rapportage van de uitstoot van methaan ^65.

Als gevolg van beperkingen van deze methoden en systemen, werd een nieuw kwantificering ontwikkeld. De FFS maakt gebruik van hetzelfde concept als verdunning systemen die worden gebruikt in de auto-uitstoot certificering ^66-68. De FFS bestaat uit een slang die een explosieve-proof blower die het lek en verdunningsluchtmonster uitlaten door een massa luchtstroom sensor (MAF) en sample probe-feeds. De monstersonde is aangesloten op een laser gebaseerde methaan analyzer door een proefbuis. De analysatoren gebruikt holte verbeterde absorptie voor het meten van _CH4, _CO2 en _H2O De analysator kan meten CH ₄ van 0% tot 10 vol% CO ₂ van 0 tot 20.000 ppm, en H ₂ O van 0 tot 70.000 ppm. Herhaalbaarheid / precisie (1-sigma) voor deze configuratie is <0,6 ppb CH _4, <100 ppb CO _2, en <35 ppm H ₂ O ^69. Het monster wordt getrokken uit de stroom op een constante volumetrische snelheid. Het systeem is geïnstrumenteerd met data logging apparatuur. Figuur 2 toont het schema van het FFS. Alvorens het FFS, wordt de aardaansluiting aan de sampler slang aan een oppervlak dat kan het systeem worden geaard bevestigd. Dit is een preventieve maatregel te nemen om statische lading aan het uiteinde van de slang, ten gevolge van de luchtstroom door de slang af te voeren. Data-acquisitie vindt plaats op ofwel een smartphone, tablet of laptop computer. Software is ontwikkeld voor het verzamelen van gegevens, verwerking en rapportage. Figuur 3 geeft een kort overzicht van de gebruikersinterfaces voor de volgende protocollen.

Figuur 2. FFS Schematische en beeld Links -. FFS schema enrechts -. portable FFS tijdens Compressed Natural Gas (CNG) station audit Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3. Detectie en kwantificering Programma-overzicht. Kort overzicht van de stappen en de gebruiker vraagt om kalibraties, herstel tests en lekken kwantificeren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Protocol

Opmerking: De FFS is ontworpen met veiligheid in het achterhoofd te heffen of de mogelijkheid van ontsteking van een methaan of aardgas bron te verminderen. Aardgas is ontvlambaar omgevingsomstandigheden gedurende volumeconcentraties van 5% tot 15%. Het systeem zal worden getest en gedemonstreerd aan de veiligheidseisen voldoen. Wijziging of manipulatie van het systeem kan ernstig letsel veroorzaken. 1. De kalibratie van de MAF Opmerking: De MAF vereist periodieke kalibratie tegen een National Institute of Standards and Technology (NIST) traceerbaar laminaire stroming element (LFE). Gebruik de kalibratie gereedschappen in het programma om een MAF kalibratie te voltooien tegen een bekende LFE. Het programma zal alle gegevens die nodig zijn van de druk transducers, vochtsensor verzamelen, en MAF naar een nieuwe kalibratie te maken. Het wordt aanbevolen om een 11-punts kalibratie worden ingevuld. Als een kalibratie is ouder dan een maand, moet een nieuwe kalibrering worden ingevuld. Oude kalibraties kunnen worden bekeken engebruikt. Kies een juiste maat LFE zodat het debietbereik groter is dan 25% van de onderste stromingsgebied van de LFE. Sluit de MAF een flowbench waarborgen van de inlaat naar de MAF ten minste 10 maal de pijpdiameter na enige beperking of uitbreiding. Sluit een gecombineerde absolute / drukverschil meter naar het drukverschil havens van de stroom bank LFE. Zorg ervoor dat de drukverschilomvormer binnen kalibratie. Sluit de hoge kant poort van de sensor van de upstream-LFE-poort. Sluit de lage kant haven van de sensor naar de downstream-poort van de LFE. Zorg ervoor dat de absolute druksensor van de gecombineerde differentiële / absolute druk meter is binnen kalibratie en sluit via een 'tee' montage op hoge kant haven van het drukverschil sensor. Sluit een K-type thermokoppel aan de data-acquisitie-eenheid (DAQ). Zorg ervoor dat het dauwpunt apparaat zich binnenkalibratie en verbonden met de DAQ en de luchtstroom. Zorg ervoor dat MAF en de stroom bank signalen zijn aanvaardbaar (0-5 volt) en het gebruik van het scherm software kalibraties een MAF kalibratie te beginnen. Stel de stroom bij 11 verschillende debieten over het verwachte bereik van de MAF en binnen het aanvaardbare bereik van het LFE. Verzamel een minimum van 30 sec van gegevens op elke stroming met een minimum van 1 Hz door op de collect kalibratiegegevens knop. Let op: Zorg ervoor dat de MAF kalibratie overspant ten minste 25% van het minimum debiet van het LFE wordt gebruikt voor de kalibratie. Neem niet meer dan de maximale stroomsnelheid van het LFE, als grotere debieten worden gekalibreerd, gebruik dan een groter LFE. Voer de kalibratie-software door te klikken Proces kalibratie gegevens en selecteer de curve fit die minimale totale fout oplevert zonder een enkel punt fout dan ± 2%. 2. De kalibratie van de Greenhouse Gas Analyzer Opmerking: Het broeikasgas analeYzer moet intern worden gekalibreerd op jaarbasis door een derde partij. Gebruikers kunnen de kalibraties tools binnen de software op een externe kalibratie of verificatie te voltooien. De kalibratie gebruikt flessen gassen van bekende concentratie. Het gas wordt gemengd met stikstof door een gasverdeler en uitgangen naar een overstroomde sonde. De analysator intakes het monster op de bekende stroomsnelheid en registreert de waarde. Het wordt aanbevolen om een 11-punts kalibratie over het bereik van belang worden afgerond. Het programma past zich automatisch aan de gasconcentratie en de viscositeit binnen het gas verdeler. Voorafgaand aan het veld-testen, het uitvoeren van een externe verificatie of kalibratie indien nodig (vorige kalibraties ouder dan een maand). De macht van de GHG sensor gedurende 15 minuten voorafgaand aan de verificatie / kalibratie en sluit de verificatie 'tee' passend bij de inlaat poort van de sensor. Selecteer een EPA Protocol of NIST traceerbaar gas te controleren en het gebruik van ultra-hoge zuiverheidsgraad stikstof (UHPN)als het saldo gas. Sluit de verificatie gas (methaan) om de component-poort van een geijkt gasverdeler met goedgekeurde regulatoren (CGA 580 voor UPHN, CGA 350 voor methaan). Sluit de uitlaat van de gasverdeler naar de "T" van stap 2,2. Stel de componentgas, uitlaatdruk tot ongeveer 23 pounds per square inch – gauge (psig) door instelling van de regelknop. Stel de balans gas, outlet druk om ongeveer 19 PSIG. Stel het debiet van de gasverdeler ten minste twee maal de inwendige stroomsnelheid van het monster pomp met de gasverdeler, regelknop (monsteraantal pomp met twee standaard liter per minuut (SLPM) zodat de uitgang van de gasverdeler moet worden vastgesteld op 4 SLPM). Opmerking: Voldoende overspoelen de bemonsteringssonde met het gasmengsel om een goede controle te waarborgen. Gebruik secundaire rotameter indien beschikbaar tot een netto positieve stroom uit de zondvloed probe 'tee' van stap 2.3 te verzekeren. Klik op Start kalibratie en voer de bottle concentratie van de gascomponent (in ppm). Gebruik de gasverdeler naar component gas varieert selecteren van nul tot 100% (11 punten in totaal). Gegevens verzamelen gedurende ten minste 30 sec bij elke instelling van de gasverdeler naar de linearisatie voltooien. Selecteer of een nieuwe externe kalibratie wordt toegepast. Let op: Als de verificatie passeert binnen de onzekerheid van de gasfles concentratie (meestal 1-2%) en vervolgens een nieuwe externe kalibratie hoeft niet te worden gemaakt. Herhaal de voorafgaande stappen voor een of meerpunts controles / kalibraties methaan, kooldioxide of waterdamp. 3. Volledige System Recovery Test Opmerking: Een volledig systeemherstel test is voltooid om ervoor te zorgen dat de FFS herstelt en nauwkeurig meldt een bekend volume van kalibratiegas. Schakel de FFS en zorgen voor de BKG-sensor is op ten minste 15 min. Selecteer een herstel gas te testen – methaan. Sluit de gasfles naar een geschikteregelaar en stel de uitlaatdruk tot ongeveer 20 PSIG. Sluit een toevoerleiding naar de gasfles regulator en de inlaat van een gekalibreerde massastroomregelaar (MFC). Sluit de uitlaat van de machine naar de inlaat van de aanzuigslang. Selecteer het tabblad gas herstel verificatie in het DAQ software en sluit de seriële aansluiting van de MFC aan de DAQ. Klikt start de gaswinning test en de achtergrondgegevens opnemen ten minste 30 seconden, kunnen de bekende stroomsnelheid van gas op dit moment opgenomen. Stel het debiet van herstel gas tot een gemiddelde lekgrootte basis van de verwachte of vorige waarden (20 SLPM of 30 SLPM). Begin stroomt het herstel gas en laat het systeem te stabiliseren gedurende 30 sec. Na stabilisatie, klikt u op record, en laat het programma om het lek verificatie data op te nemen voor 30 sec. Let op: Na voltooiing van de bemonstering van de software zal een rapport met de fout van de tussen de bekende stroomsnelheid en het gewonnen gas stroomsnelheid te creëren. Eenfout van ± 4,4% is aanvaardbaar (relatieve meetonzekerheid van het systeem), maar de beoogde herstel fout ± 2%. Herhaal het gas hersteltest ten minste drie keer en verzekeren dat alle fouten binnen het aanvaardbare bereik. De regeling voor de eventuele gebreken of de fout valt buiten ± 4,4%. Dubbele controle van alle aansluitingen, debieten, te verhelpen fouten, en herhaal de stappen 3,2-3,6. Opmerking: Storingen kunnen onder meer dat de toevoerleiding mogelijk niet in de FFS bemonstering slang geplaatst of verbindingen waren los op sample fittingen. Een nieuwe MAF-sensor kalibratie of verificatie kan nodig zijn als niet eerder (binnen een maand). 4. lekdetectie Audit Opmerking: Voer een site inventaris op elke mogelijke bron van diffuse emissies te identificeren. De inventaris zal het aantal bronnen (kleppen, flenzen, pompen / compressoren, ventilatoren, etc.) die door brongroep gebroken (compressor gebouw, opslag boerderij, onder voertuig tanken rek, etc.) De lekdetectie audit kan in serie of parallel met het lek kwantificeren. Een handheld methaan detector of optische gas-imaging camera kan gebruikt worden om componenten op lekkage onderzoeken. Wanneer lekken worden geïdentificeerd verslag een beschrijving, concentratie, en neem een beeld. Markeer het lek voor later kwantificeren of te kwantificeren het lek op dit moment. Maak een nieuwe inventaris bestand in het programma. Vul de gegevens op de site voor de inventaris en verslaggeving (naam, type site, etc.). Datum, tijd stempel, en GPS-locatie worden automatisch ingevuld. Zero de handheld methaan detector van de omgevingslucht voor gebruik. Maken gebruik van een handheld methaan detector met bemonsteringssonde naar alle potentiële interfaces die toegankelijk zijn voor de aanwezigheid van diffuse emissies te controleren. Plaats de probe monster inlaat loodrecht op het oppervlak verdunning minimaliseren. Opmerking: De gevoeligheid van de handheld apparaat 5 ppm boven de achtergrond wanneer zeroed van de omgevingslucht. Informatie over eventuele ontoegankelijke bronnen of geaggregeerde bronnen. Opmerking: Ontoegankelijk bronnen kunnen zijn vent leidingen die buiten een veilig toegankelijk hoogte zoals bepaald door de exploitant. Geaggregeerde bronnen kunnen meerdere pneumatische kleppen bevestigd aan een spruitstuk of omsloten door een dienst box omvatten. Als de bron of meerdere bronnen als geheel kan worden onderzocht met behulp van een omhulsel, voegen de bronnen. Aggregate meerdere bronnen met behulp van een behuizing met ten minste één ingang en één uitgang. Documenteren alle bronnen binnen de omtrek van de behuizing. Label de bron als een verzamelmonster en ga verder met behulp van kwantificering van hoofdstuk 5. Opmerking: Toepassing van een lekdetector oplossing laat men bronnen een "niet-lekkende" classificeren. Houd de fles rechtop, gelden genoeg lekdetector oplossing om de interface te dekken. Laat 5-10 sec voor bellen te vormen. Plaats de probe inlaat van de detectie-instrument aan het oppervlakvan de component interface. Verplaats de sonde langs het grensvlak periferie met inachtneming van het instrument uitlezing, zorg ervoor dat de vertraagde responstijd van het instrument te overwegen. proeven langzaam de interface waar de lekkage is aangegeven totdat de maximale meterstand wordt verkregen. Laat de sonde inlaat aan dit maximum locatie lectuur voor ongeveer twee keer het instrument responstijd (20 sec). Als de maximale waargenomen meterstand is groter dan 500 delen per miljoen (ppm), record, en meld het resultaat. Klik op de afbeelding pissen voor het melden van doeleinden. U kunt ook gebruik maken van een infrarood imaging apparaat langzaam scan de componenten te onderzoeken op lekken. Deze methode wordt erkend als een alternatief werkpraktijk om lekken uit apparatuur te detecteren onder EPA Method 21 – optische gas beeldvorming. Zet de camera aan en zorgen voor stabilisatie. Verwijder de lensdop en het gebruik van de camera scherm langzaam scan de componenten op lekkage. Opmerking: Optical gas verbeelden's zijn erg duur, maar niet minder tijd nodig is om componenten te scannen op lekken. Gebruik van hoge gevoeligheid modi kunnen nodig zijn voor kleine lekken. Als een lek wordt gedetecteerd met de camera, zowel video-opnamen of een beeld voor het melden van doeleinden. Markeer het lek locaties voor verdere kwantificering van de FFS. 5. Leak Rate kwantificering Opmerking: leksnelheid kwantificering kan volledige tegelijk als lekdetectie of na inventarisatie van lekken is vervuld. Kwantificering gebeurt onder de nieuwe lek knop na het invoeren van het terrein en lekken van gegevens. De gebruiker moet selecteren of er een lokale of globale achtergrond gebruiken. In beide gevallen, zal het systeem de juiste solenoïde kleppen regelen en een periodieke bemonsteringsmethode opnemen. Zodra een achtergrond is genomen, dient de lek driemaal of vanuit drie richtingen worden gekwantificeerd om een goede lekkage stimulatie verzekeren. Het systeem analyseert de drie metingen en het verslag van devariantie. Gebruikers kunnen het lek op te slaan (afzonderlijke en gemiddelde), herhaal de capture of classificeren van de bron als variabele. Meet en noteer methaan achtergrondconcentraties periodiek door de plaats bezoek en bij elke lekkage kwantificering. Opmerking: Het is van groot belang om afzonderlijke achtergronden nemen voor lekken die binnen een vergelijkbare regio en onder omstandigheden als de dilatatie lucht een slipstream van de nabijgelegen lekken kunnen bevatten. 5,15 – Gecombineerde lekken analyse van systemen wordt hieronder besproken. Kwantificeren alle vastgestelde lekkages. Voorafgaand aan het naderen van het lek met het monster slang ervoor te zorgen dat het aardingsbandje in contact met de grond en clip de clip de sampler grond klem om het item in kwestie. Met behulp van de FFS, de positie van de bemonstering slang op meerdere punten in de omgeving van het lek bron tot drie opeenvolgende lekkage kwantificering te krijgen voor die bron dat de continu opgenomen sample flow en sample concentratie inbegrepen. <li> Stel de volledige stroomsnelheid te verhogen volumestroom door het openen of sluiten van de iris leiding aan de inlaatzijde van de ventilator. Stel de buisklep dat de maximale methaan concentratie binnen 10% van de hoogste ijkwaarde of die minimale methaanconcentratie ten minste 2 ppm hoger is dan de achtergrondconcentratie. In het programma, drukt u op de knop lek kwantificeren. Een optie om een globale of lokale achtergrond te gebruiken wordt de gebruiker gevraagd. Bij twijfel van besmetting van andere lekken, altijd een lokale achtergrond. Met de slang in het lek kwantificering positie, klikt u op te nemen lokale achtergrond. Zodra dit is afgerond zal het programma de gebruiker vragen om het lek te kwantificeren. Opmerking: Het programma de bemonstering plaats van de uitlaat van de FFS automatisch een poort achter de inlaat van de aanzuigslang een lokale achtergrond. De aanzuigslang moet in dezelfde meetpositie als wordt gebruikt voor de kwantificering monster. Herhaal de Record lekken snel drie keer, vooral in het geval van hoge omgevings- wind of in complexe geometrieën. Wanneer de variantie van de extra kwantificering is dan 10%, te onderzoeken om te bepalen of de afwijking het gevolg is van storingen van instrumenten of variabiliteit van lekkage. Als de bron van variabiliteit in lekkage is het gevolg van instrument storing te verhelpen de bron van de storing en opnieuw gekwantificeerd. Anders classificeren het lek als "variabele" en de vermoedelijke oorzaak opnemen. In het geval van meerdere bronnen in de nabijheid of een enkele bron omsloten door een bedekking, behandel de bron (nen) betrokken als partner voor lekkage kwantificering middels een behuizing. Gebruik het tabblad behuizing om dit soort kwantificering uit te voeren. Fabriceren een behuizing geheel uit kunststof in vellen of opgenomen ofwel flexibel, niet-doorlatend materiaal, of vertrouwen op een permanente behuizing zoals een compressor behuizing. Opmerking: De enclosure maakt de kwantificering apparaat aan natuurlijke gas dat lekt uit componenten binnen haar grenzen en zorgt voor verdunning van de gevangen aardgas via doelbewust geplaatste gaten in de behuizing of uit bestaande vent locaties op permanente behuizingen vast te leggen. Laat eventuele aardgas wordt verdund moeten worden getrokken uit de behuizing en een stabiele lezing van de BKG-sensor bereiken. De duur van kwantificering bemonstering uitgevoerd met een behuizing afhankelijk van de grootte van de behuizing. Situeren de punten waarop de kwantificering steekproef getrokken uit de behuizing, zodat de verwatering lucht stroomt over de mogelijke lek bron (nen) om de duur van de bemonstering waardoor gestage concentratie metingen te verminderen Als een zak verkregen moet, plaatst een geëvacueerde monsterzakje van de zakken vak aan de uitlaat van de BKG sensor. Gebruik de software aan zak sample, identificatienummer en on-screen timer opnemen op een volle zak monster voor te zorgenoff-site analyse is genomen.

Representative Results

Meerdere FFS ontwikkeld en gebruikt om een verscheidenheid van methaan emissiebronnen kwantificeren. Twee belangrijke studies omvatten de Environmental Defense Fund's Heavy-Duty Natural Gas Vehicles Pump naar Wheels (PTW) studie en de Barnett Gecoördineerde Campaign (BCC). De PTW studie concentreerde zich op de kwantificering van de methaanuitstoot van zware aardgas brandstof voor voertuigen, de motor carters, gecomprimeerd aardgas tanks, vloeibaar aardgas tanks, tankstation apparatuur, sproeiers, en andere lekken. Meerdere FFS systemen werden gebruikt tijdens de BCC, die vooraanstaande deskundigen uit de academische en onderzoeksinstellingen bij elkaar gebracht uit het hele land om de uitstoot van methaan gegevens over de levering van aardgas (productie, verzameling en verwerking, het transport en de opslag en de lokale distributie) via een verzamel combinatie van vliegtuigen, voertuigen, en op de grond metingen. Wij hebben directe bron kwantificering van de uitstoot van methaan bij natuurlijkegas compressorstations en opslagfaciliteiten met behulp van de ontwikkelde methodologie en FFS-systeem. Een deel van de resultaten uit de Barnett Shale studie met betrekking tot de metingen verkregen door middel van de inzet van de FFS is gepresenteerd en gepubliceerd in peer-reviewed congressen en wetenschappelijke tijdschriften 70-72. Voor zowel de PTW en BCC, werkzaam we methaan lekdetectie-apparatuur aan de site onderdelen enquête waaronder afsluiters, buizen / leidingen en andere componenten die worden uitgevoerd of in het bezit aardgas. Een lek werd gedetecteerd met een draagbare methaan detector. Deze draagbare detector geholpen bij het identificeren van het lek plaats door het identificeren van een verhoogde methaanconcentratie boven de achtergrond. Zodra een lek locatie werd geconstateerd dat de concentratie drempel overschreden, onderzoekers gebruikten de FFS om de lekkage te kwantificeren. De FFS lek monster werd verzameld via een slang aan de inlaatzijde van een ventilator. Het monster door een gecertificeerd explosie proof blower waar het werd uitgeput door een leidingsysteem dat een MAF en methaan sensor bevatte. Het FFS systeem kon bemonsteren stroomsnelheden van 40 tot 1500 SCFM afhankelijk van de systeemconfiguratie. Met behulp van de gemeten bemonsteringsstroom en methaan concentratie, de lekkage in SCFM of g / uur werd berekend. Calibration gegevens Voor de kalibratie, werd een constante stroom ingesteld door het systeem. De drukval over het LFE werd verkregen door het meten van het drukverschil tussen de hoge drukaansluiting en de lagedruk poort van de LFE. De absolute druk werd geregistreerd van de hoge-druk-poort van het differentieel meting lijn. Calibration drukken werden gemeten en geregistreerd met een gecombineerde differentiaal / absolute druk meter. De handheld apparaat gebruikt twee modules, een absolute druk en een drukverschil. De absolute druk module was een geschikt voor het meten 0-30 PSI absoluTE met een onzekerheid van 0,025%. Het drukverschil module was kan meten 0 tot 10 inches water met een onzekerheid van 0,06%. De temperatuur van het gasmonster werd gemeten vóór de LFE met een K-type thermokoppel met een onzekerheid van ± 1,1 ° C of 0,4%. De spanning output van de MAF werd opgenomen via een analoge data-acquisitie kaart. Het debiet werd gevarieerd met een variabele restrictor klep aan de inlaat van de ventilator. Kalibraties uitgevoerd op de MAF voor verschillende stroomsnelheden, oplopend tot 1500 SCFM. Als een constante stroomsnelheid van de lucht doorgegeven via zowel het LFE en MAF, het drukverschil, monster temperatuur, absolute druk en spanning MAF werden tegelijkertijd opgenomen. Het drukverschil over het LFE, monstertemperatuur en absolute druk gebruikt om de werkelijke volumetrische stroomsnelheid door de LFE behulp coëfficiënten geleverd door de fabrikant berekenen. De werkelijke volumetrische stroomsnelheid wasomgezet naar standaard volumestroom. De standaard volumetrische stroomsnelheid door de LFE was gerelateerd aan de spanning verkregen uit de MAF, zie figuur 4. Figuur 4. MAF uitgangssignaal Calibration. Multipoint kalibratie van de MAF met een NIST traceerbaar LFE (zie de punten 1 tot 1.7). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Een kleinste kwadraten regressie werd uitgevoerd op de ingesteld op de optimale coëfficiënten van de vergelijking te bepalen en regressiestatistieken van de vergelijking, R 2, berekent de correlatie tussen de gegevenssets te onderzoeken data. Zodra de vergelijking werd ontwikkeld om de MAF spanning naar de stroomsnelheid betrekking tot de LFE, werd een vergelijking gemaakt tussen de werkelijke debiet en de gemeten stroomsnelheid van de MAF. Dit is weergegeven in figuur 5. Figuur 5. MAF Flow Rate Correlatie. MAF gemeten debiet uitgezet tegen de LFE werkelijke volumestroom (zie paragraaf 1.8). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. De kalibratie van de sensor met een methaan-24.730 ppm methaan gascilinder is getoond in figuur 6. De gemiddelde afwijking van de werkelijke methaanconcentratie na de externe correctie toegepast was 0,7%. De grootste afwijking van de werkelijke methaanconcentratie na de externe correctie toegepast was 1,9%. /54179/54179fig6.jpg "/> Figuur 6. Methaan Sensorkalibratie / verificatie. Externe verificatie van het methaan sensor met behulp van een geijkte gas verdeeld en NIST traceerbaar gebotteld methaan (zie paragraaf 2). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Na de kalibratiekromme waren verkregen en toegepast, controle van het gehele systeem werd uitgevoerd door het invullen van een gas recovery. Waarbij een bekende massa methaan werd geïnjecteerd in het systeem met een methaan geijkt MFC en een vergelijking tussen de door het systeem om de werkelijke massa ingespoten massa. Deze procedure werd op basis van de gangbare praktijk van propaan injecties vereist door de Code of Federal Regulations voor het waarborgen van de vangst en de meting vermogen van volledige stroomverdunningssysteem tunnels waar een bekend volume van koolwaterstofemissie worden geïnjecteerd in de measurement systeem met een onafhankelijk gekalibreerd apparaat en het herstel vermogen van het systeem wordt gecontroleerd. De controlerende MFC werd gekalibreerd op methaan. Het MFC werd vastgesteld op twee debieten van 20 en 30 SLPM van 99,9% zuiver methaan. De resultaten worden in Tabel 1 voor een stelsel debiet van 140 SCFM. Er werd aangetoond dat in beide gevallen de FFS systeem gemeten waarden lagen binnen de verwachte 4,4%. De gemiddelde fout in de twee metingen was + 2,2%. MFC Setpoint FFS Recovery Error Recovery SLPM SLPM % 20 20.3 1,70% 30 30.8 2.7 Gemiddelde 2,20% Tabel 1. FFS Recovery resultaten. Methaan recovery tests bij twee verschillende gesimuleerde lek tarieven. In Field Data Collection Continu Leak Source Figuur 6 illustreert een voorbeeld van een continue bronnen van lekkage. Figuur 7 kan worden onderverdeeld in 4 afzonderlijke gebieden, ad. Deze omvatten de volgende delen: achtergrond, het naderen van het lek bron lek vast te leggen, en zich terugtrekken uit het lek bron. Lek kwantificering optreedt tijdens onderdeel c. Bij evaluatie, de tweede herhaalde metingen van hetzelfde lek na sectie d Figuur 8 toont het lek als vanuit infraroodcamera -. Links geeft de methaan pluim dispergeren nature – rechts geeft de FFS verzamelt alle lekkage plus extra verdunning lucht. <br/> Figuur 7. Conventioneel Continu Leak Continue lek bron tijd traceren met de verschillende metingen secties (a: achtergrond, b: het naderen van het lek, c: gemiddelde lekkage, d: terugtrekken uit lek) (zie paragraaf 5-5,6).. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 8. Infrarood Beeld van Leak Left -. Lekkende montage en rechts -. Gevangen / gekwantificeerd lekken uit dezelfde fitting (zie paragraaf 4.6) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Intermitterende Leak Source De totale massa verbonden aan een bepaalde gebeurtenis werd verkregen uit de concentratie-time profiel door de toepassing van numerieke integratie. Om enkele van de inefficiënties in verband met de trapeziumregel omzeilen, werd een adaptieve samengestelde Simpson regel toegepast. Dit adaptieve soort kwadratuur methode maakt het mogelijk voor de automatische stapgrootte aanpassingen in gebieden met sterke variaties 73. De noodzaak van numerieke integratie van de verzamelde gegevens van toepassing was voor intermitterend evenementen, zoals figuur 9 toont een voorbeeld van een intermitterende Methaan. Dit voorbeeld is voor een voertuig-tanken event. Achtergrond wordt getoond 150-240 sec en 425 sec tot het einde. Deze bijzondere gebeurtenis was voor het tanken van een enkel vloeibaar aardgas (LNG) tank. De lekkage werd geïntegreerd om de totale massa uitgestoten (9,5 g) te bepalen. figuur 9. Intermitterende Leak. Intermitterende 'lek' bron van een auto-tanken event (concentratie [ppm], verdunning debiet [scfm], de mate van lekkage [g / h]) (zie hoofdstuk 5). Klik hier om een grotere versie te bekijken dit figuur. geaggregeerde Source Door meerdere bronnen zijn in nauwe nabijheid en omsloten door een bedekking, werd de compressoreenheid samengevoegd en behandeld als een enkele bron voor lekkage kwantificering. Figuur 10 toont een voorbeeld van het meten van de uitstoot van methaan geaggregeerd bron. Deze gegevens werden verzameld uit een time-fill CNG compressor behuizing. Het compressorhuis werd continu gemeten gedurende ongeveer 119 minuten. De compressoreenheid ondervonden hebben vertonen een kleine hoeveelheid variabiliteit. Variaties in lekkage en methaan concentratie waren te wijten aan drukschommelingen en variabele lekt uitcompressor afdichtingen. Voor geaggregeerde bronnen werden gegevens verzameld voor langere periodes en de gemiddelde lek werd berekend. Figuur 10. Aggregate voorbeeld. Leak tarief, flow, en de concentratie van gegevens uit een samengevoegde tijd te vullen CNG compressor behuizing (compressoren en ventilatoren uit) (zie paragraaf 5.7). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

Om de nauwkeurigheid te verbeteren en het overwinnen van de huidige industriële beperkingen, hebben we de volledige Flow Sampling System (FFS) voor methaan kwantificering. Onderzoekers gebruikten het systeem in verschillende vormen in verschillende locaties in Noord-Amerika. Het gebruik van spectroscopie elimineert significante interferentie van C2 + verbindingen en de niet-destructieve bemonstering natuur zorgt voor zak bemonstering van het lek voor alternatieve analyse offsite. In combinatie met alternatieve wind blokkeert het systeem met succes en nauwkeurig gekwantificeerd methaanemissie uit de volgende items: CNG brandstofsystemen, LNG brandstofsystemen, interne verbrandingsmotor carters, leidingen, buizen, verbindingsstukken, flenzen, compressor openingen, goed hoofd componenten, water / olieafscheider tanks, kleppen, pneumatische aandrijvingen aangedreven door aardgas, goed omhulsels, en tal van andere aardgas gerelateerde componenten. Systeemplatforms opgenomen draagbare karren, on-road en off-road voertuigen. Stroomverbruik vereist het gebruik vaneen generator of huis macht door middel van standaard 120 VAC-aansluitingen. Echter, door dit gebruik van "raster" power het systeem bemonsteren hogere stroomsnelheden toch worden gebruikt in combinatie met verlengsnoeren en lange bemonstering Te draagbaarheid een bepaalde plaats van belang. Huidige batterij aangedreven systemen zijn prestaties gedaald als functie van de batterij laadtoestand dat wordt verwijderd met behulp van het elektriciteitsnet.

Periodieke kalibraties protocollen ontwikkeld en geïntegreerd in de gebruikersinterface. Protocollen 1-3 moeten voor elke nieuwe site audit of op zijn minst op een maandelijkse basis worden ingevuld. Als gebruikers niet ijverig volgen van de protocollen, kan het systeem onder of over-rapport uitstoot tarieven, die kan een negatieve invloed hebben op de uitstoot van de rapportage. Het primaire doel van de protocollen is om een nauwkeurige systeem om de totale website emissies te schatten met component granulariteit te garanderen. Als statistische analyses worden gebruikt om nieuwe emissiefactoren te maken, dan is elke niet-leakoning component moet ook worden opgenomen.

De lekdetectie proces kan tijdrovend zijn met het gebruik van handheld-eenheden. Het gebruik van een optisch gas-beeldcamera aanzienlijk minder tijd nodig is voor lekkages te signaleren. De camera moet in staat zijn de meting van vluchtige organische stoffen zoals methaan. Op dit moment beschikbare commerciële units hebben gevoeligheden op detecteerbare lekken tarieven van ongeveer 0,8 gram per uur (g / hr) en zijn afhankelijk van de wind. Beeldvormende apparaten zijn ook temperatuurgevoelig. Zorg ervoor dat de temperatuur schalen aan te passen als dat nodig is. Extreem koude dampen (cryogeen aardgas) of oververhitte dampen (stoom in uitlaten en anderen) kunnen verschijnen als buitensporig lekken. Latere kwantificering moet volgen om nauwkeurig te bepalen van de werkelijke lekkage van elke afgebeeld lek. Het gebruik van infraroodcamera's aanzienlijk kan verminderen lekdetectie voorraden, maar zijn gevoelig voor wind. Kleinere lekkages onder hoge wind kon diffuse sneller en niet worden gespot. Bij twijfel, altijd dubbel te controleren met een hand gehouden methaan detector.

Een gebruiksvriendelijke interface zorgt voor een gemakkelijke en het juiste gebruik van de FFS. Geïntegreerde gebruiker vraagt de gebruiker te helpen langs het protocol en vermindering van post-processing inspanningen. Bijvoorbeeld, een keer een lek kwantificering is voltooid (hoofdstuk 5), de gemiddelde lek tarief op basis van berekeningen met ten minste 30 sec van voortdurende concentratie en stroomsnelheid opnames zullen worden gerapporteerd. Gebruiker prompts automatisch gebruik maken van globale of lokale achtergrondconcentraties. Eenvoudige selectie op het scherm zorgt ervoor dat elektromagneten te bedienen en monster voor de juiste locaties. Gebruikers moeten volg alle aanwijzingen op het scherm om nauwkeurige kwantificering van het lek te waarborgen. Het programma zal automatisch de juiste voor het volgende: globale of lokale achtergrond; temperatuur; massastromingshoeveelheid (veronderstelde lucht met kooldioxide en methaan correcties); vochtigheid (gemeten vanaf de BKG-sensor); temperatuur (thermocouple – redundant cheque voor omgevingsvoorwaarden)

De relatieve onzekerheid van de gemeten prijzen methaanuitstoot is ± 4,4%, behalve in omstandigheden waarin het lek is inconsequent als de concentratie gemeten benaderd achtergrondconcentratie. Een voorbeeld van component onzekerheden is opgenomen in tabel 2.

</tr>

Bron	Onzekerheid (%)
methaan Sensor	1
Methaan sensor kalibratie correlatie	0.73
Methaan gasfles	1
Zero lucht gasfles	0.1
LFE	0.7
MAF	4
Drukverschil module	0,025
Absolute druk module	0.06
thermoelement	0.4
MAF kalibratie correlatie	0.09
gasverdeler	0.5

Tabel 2. Component Onzekerheid. Independent component onzekerheden gebruikt om het systeem de onzekerheid te kwantificeren.

Over het geheel genomen hebben het systeem en de methoden nuttig gebleken bij de inspanningen om nauwkeurig te kwantificeren van de uitstoot van methaan uit verschillende bronnen. Het systeem is schaalbaar en gebruiksvriendelijk. Het ontworpen systeem heeft een onzekerheid van ± 4,4% in vergelijking met huidige commerciële systemen met een onzekerheid van ± 10% ^74. Met de juiste ijking kan dit systeem eenvoudig te kwantificeren lekkagepercentages tot 140 SCFM vergelijking met de huidige commerciële systemen die in staat kwantificeren lekken tot 8 SCFM vol batterijlasten ^64,74 zijn. Terwijl het systeem verbinding naar het huis van de macht nodig heeft, biedt dit voordelen van conconsistente sample rates en sample rates veel hoger dan de huidige systemen. De minimale detectielimiet van het huidige systeem is 0,24 g / uur of 3.0×10 ^-3 SCFM. De gebruikersinterface vermindert post-processing eisen en vermindert rapportage inspanningen. Bovendien, de laser gebaseerde sensoren zijn niet-destructief voor de lek monster, die zorgt voor directe meting van het monster met meerdere analysatoren ^65. Laser gebaseerde metingen ook geen afzonderlijke sensoren voor ambient, klein en groot lek concentraties of sensor overgangen, die bijdragen aan de extra bronnen van onnauwkeurigheid vereisen. Toekomstige studies richten zich op voortdurende optimalisatie van het FFS en de user interface. Aanvullend onderzoek wordt uitgevoerd waarbij experimentele dynamiek onderzoeksgegevens en berekening vloeistof combineert om bijkomende best practices te ontwikkelen om ervoor te zorgen consistente en optimale meettechnieken.

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

Materials

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

References

Hansen, J. Climate impact of increasing atmospheric carbon dioxide. Science. 213 (4511), 957-966 (1981).
Ramanathan, V., Feng, Y. Air pollution, greenhouse gases and climate change: Global and regional perspectives. Atmos. Environ. 43 (1), 37-50 (2009).
Sims, R. Renewable energy: a response to climate change. Sol. Ener. 76 (1), 9-17 (2004).
Rasmussen, R., Khalil, M. Atmospheric methane in the recent and ancient atmospheres: concentrations, trends, and interhemispheric gradient. J. Geophys. Res. 89 (7), 11599-11605 (1984).
Rasmussen, R., Khalil, M. Atmospheric methane (CH4): Trends and seasonal cycles. J.Geophys.Res. 86 (C10), 9826-9832 (1981).
Etheridge, D., Steele, L., Francey, R., Langenfelds, R. Atmospheric methane between 1000 AD and present: Evidence of anthropogenic emissions and climatic variability. J. Geophys. Res. 103 (D13), 15979-15993 (1998).
Mosier, A. Soil processes and global change. Biol. Fert. Soils. 27 (3), 221-229 (1998).
Shine, K. P., Fuglestvedt, J. S., Hailemariam, K., Stuber, N. Alternatives to the global warming potential for comparing climate impacts of emissions of greenhouse gases. Clim. Chang. 68 (3), 281-302 (2005).
Kruger, D., Franklin, P. The Methane to Markets Partnership: Opportunities for coal mine methane utilization. , 3-8 (2006).
Alvarez, R. A., Pacala, S. W., Winebrake, J. J., Chameides, W. L., Hamburg, S. P. Greater focus needed on methane leakage from natural gas infrastructure. Proc. Natl. Acad. Sci. 109 (17), 6435-6440 (2012).
Pétron, G., et al. A new look at methane and nonmethane hydrocarbon emissions from oil and natural gas operations in the Colorado Denver-Julesburg Basin. J. Geophys. Res. 119 (11), 6836-6852 (2014).
Marano, J. J., Ciferno, J. P. Life-cycle greenhouse-gas emissions inventory for Fischer-Tropsch fuels. Energy and Environmental Solution, LLC. , (2001).
Venkatesh, A., Jaramillo, P., Griffin, W. M., Matthews, H. S. Uncertainty in life cycle greenhouse gas emissions from United States natural gas end-uses and its effects on policy. Environ. Sci. Technol. 45 (19), 8182-8189 (2011).
Hostage, B., Perry, G. Federal notification requirements for releases of oil and hazardous substances. (1), 631-634 (1993).
Inventory of US Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990-2012. U.S. Environmental Protection Agency Available from: https://www3.epa.gov/climatechange/Downloads/ghgemissions/US-GHG-Inventory-2014-Main-Text.pdf (2014)
Brandt, A. R., et al. Energy and environment. Methane leaks from North American natural gas systems. Science. 343 (6172), 733-735 (2014).
Allen, D. T., et al. Measurements of methane emissions at natural gas production sites in the United States. Proc. Natl. Acad. Sci. 110 (44), 17768-17773 (2013).
Shorter, J. H., et al. Collection of leakage statistics in the natural gas system by tracer methods. Environ. Sci. Technol. 31 (7), 2012-2019 (1997).
Alvarez, R. A., Pacala, S. W., Winebrake, J. J., Chameides, W. L., Hamburg, S. P. Greater focus needed on methane leakage from natural gas infrastructure. Proc. Natl. Acad. Sci. 109 (17), 6435-6440 (2012).
Kirchgessner, D. A., Lott, R. A., Michael Cowgill, R., Harrison, M. R., Shires, T. M. Estimate of methane emissions from the U.S. natural gas industry. Chemosphere. 35, 1365-1390 (1997).
Howarth, R. W., Santoro, R., Ingraffea, A. Methane and the greenhouse-gas footprint of natural gas from shale formations. Clim. Chang. 106 (4), 679-690 (2011).
Mix, P. E. . Introduction to nondestructive testing: a training guide. , (2005).
Murvay, P., Silea, I. A survey on gas leak detection and localization techniques. J. Loss. Prev Process. Ind. 25 (6), 966-973 (2012).
Epperson, D., Barbour, W., Zarate, M., Beauregard, D. Preferred and Alternative Methods for Estimating Fugitive Emissions from Equipment Leaks. Point Sources Committee, Emission Inventory Improvement Program. , (1996).
Shorter, J. H. . Results of tracer measurements of methane emissions from natural gas system facilities. , (1995).
Folga, S. M. . Natural gas pipeline technology overview. , (2007).
Bousquet, P., et al. Contribution of anthropogenic and natural sources to atmospheric methane variability. Nature. 443 (7110), 439-443 (2006).
Howarth, R. W., Santoro, R., Ingraffea, A. Methane and the greenhouse-gas footprint of natural gas from shale formations. Clim. Chang. 106 (4), 679-690 (2011).
Kirchgessner, D. A., Lott, R. A., Michael Cowgill, R., Harrison, M. R., Shires, T. M. Estimate of methane emissions from the U.S. natural gas industry. Chemosphere. 35, 1365-1390 (1997).
Brandt, A., et al. Methane leaks from North American natural gas systems. Science. 343 (6172), 733-735 (2014).
Wigley, T. M. Coal to gas: the influence of methane leakage. Clim. Chang. 108 (3), 601-608 (2011).
Weber, C. L., Clavin, C. Life cycle carbon footprint of shale gas: Review of evidence and implications. Environ. Sci. Technol. 46 (11), 5688-5695 (2012).
Lelieveld, J. Greenhouse gases: Low methane leakage from gas pipelines. Nature. 434 (7035), 841-842 (2005).
Percival, P. Update on “lost and unaccounted for” natural gas in Texas. Basin Oil and Gas. 32, (2010).
Hayhoe, K., Kheshgi, H. S., Jain, A. K., Wuebbles, D. J. Substitution of natural gas for coal: climatic effects of utility sector emissions. Clim. Chang. 54 (1-2), 107-139 (2002).
Karion, A., et al. Methane emissions estimate from airborne measurements over a western United States natural gas field. Geophys. Res. Lett. 40 (16), 4393-4397 (2013).
Peischl, J., et al. Quantifying sources of methane using light alkanes in the Los Angeles basin, California. J. Geophys. Res. 118 (10), 4974-4990 (2013).
Mitchell, C., Sweet, J., Jackson, T. A study of leakage from the UK natural gas distribution system. Energy Policy. 18 (9), 809-818 (1990).
Stephenson, T., Valle, J. E., Riera-Palou, X. Modeling the relative GHG emissions of conventional and shale gas production. Environ. Sci. Technol. 45 (24), 10757-10764 (2011).
O’Sullivan, F., Paltsev, S. Shale gas production: potential versus actual greenhouse gas emissions. Environ. Res. Let. 7 (4), 044030 (2012).
Cathles, L. M., Brown, L., Taam, M., Hunter, A. A commentary on “The greenhouse-gas footprint of natural gas in shale formations” by RW Howarth, R. Santoro, and Anthony Ingraffea. Clim Chang. 113 (2), 525-535 (2012).
Burnham, A., Han, J., Clark, C. E., Wang, M., Dunn, J. B., Palou-Rivera, I. Life-cycle greenhouse gas emissions of shale gas, natural gas, coal, and petroleum. Environ. Sci. Technol. 46 (2), 619-627 (2011).
Jiang, M., Griffin, W. M., Hendrickson, C., Jaramillo, P., VanBriesen, J., Venkatesh, A. Life cycle greenhouse gas emissions of Marcellus shale gas. Environ. Res. Lett. 6 (>3), 034014 (2011).
Hultman, N., Rebois, D., Scholten, M., Ramig, C. The greenhouse impact of unconventional gas for electricity generation. Environ. Res. Lett. 6 (4), 044008 (2011).
Miller, S. M., et al. Anthropogenic emissions of methane in the United States. Proc. Natl. Acad. Sci. 110 (50), 20018-20022 (2013).
Tollefson, J. Methane leaks erode green credentials of natural gas. Nature. 493 (7430), 12 (2013).
Inventory of US Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990-2009. U.S. Environmental Protection Agency Available from: https://www3.epa.gov/climatechange/Downloads/ghgemissions/US-GHG-Inventory-2011-Complete_Report.pdf (2011)
Inventory of US Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990-2010 (EPA 430-R-12-001). US EPA Available from: https://www3.epa.gov/climatechange/Downloads/ghgemissions/US-GHG-Inventory-2012-Main-Text.pdf (2012)
Inventory of US Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990-2012. U.S. Environmental Protection Agency Available from: https://www3.epa.gov/climatechange/Downloads/ghgemissions/US-GHG-Inventory-2014-Main-Text.pdf (2014)
Pétron, G., et al. Hydrocarbon emissions characterization in the Colorado Front Range: A pilot study. J. Geophys. Res (1984-2012). 117 (D4), (2012).
U.S. Environmental Protection Agency Natural Gas STAR Program. Lessons Learned – Directed Inspection and Maintenance at Gate Stations and Surface Facilities, EPA430-B-03-007. U.S. Environmental Protection Agency Available from: https://www3.epa.gov/gasstar/documents/ll_dimgatestat.pdf (2003)
. Handbook For Estimating Methane Emissions From Canadian Natural Gas Systems Available from: https://www.researchgate.net/publication/265656519_HANDBOOK_FOR_ESTIMATING_METHANE_EMISSIONS_FROM_CANADIAN_NATURAL_GAS_SYSTEMS (1998)
Johnson, K., Huyler, M., Westberg, H., Lamb, B., Zimmerman, P. Measurement of methane emissions from ruminant livestock using a sulfur hexafluoride tracer technique. Environ.Sci.Technol. 282, 359-362 (1994).
Shorter, J. H., et al. . Results of tracer measurements of methane emissions from natural gas system facilities. , (1995).
Howard, H. M. High flow rate sampler for measuring emissions at process components. US Patent. , (1996).
Howard, T., Ferrara, T. W., Townsend-Small, A. Sensor transition failure in the high flow sampler: Implications for methane emission inventories of natural gas infrastructure. J.Air Waste Manage.Assoc. 67, 852-862 (2015).
Clark, N. N., Gajendran, P., Kern, J. M. A predictive tool for emissions from heavy-duty diesel vehicles. Environ. Sci. Technol. 37 (1), 7-15 (2003).
Johnson, D., Covington, A., Clark, N. Environmental and Economic Assessment of Leak and Loss Audits at Natural Gas Compressor and Storage Facilities. Energy Technology. 2 (12), 1027-1032 (2014).
Johnson, D., Covington, A., Clark, N. Methane Emissions from Leak and Loss Audits of Natural Gas Compressor Stations and Storage Facilities. Environ. Sci. Technol. 49 (13), 8132-8138 (2015).
Davis, J. . Methods of numerical integration. , (2007).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Citer Cet Article

Johnson, D. R., Covington, A. N., Clark, N. N. Design and Use of a Full Flow Sampling System (FFS) for the Quantification of Methane Emissions. J. Vis. Exp. (112), e54179, doi:10.3791/54179 (2016).