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.
L'utilisation du gaz naturel ne cesse de croître avec l'augmentation découverte et la production de ressources de schiste non conventionnelles. Dans le même temps, l'industrie est confrontée au gaz naturel ont continué l'examen des émissions de méthane à travers la chaîne d'approvisionnement, en raison de potentiel relativement élevé de réchauffement global de méthane (25-84x celui du dioxyde de carbone, selon l'Energy Information Administration). Actuellement, une variété de techniques d'incertitudes variées existe pour mesurer ou estimer les émissions de méthane à partir de composants ou des installations. Actuellement, un seul système commercial est disponible pour la quantification des émissions de niveau des composantes et des rapports récents ont mis en évidence ses faiblesses.
Afin d'améliorer la précision et augmenter la flexibilité de mesure, nous avons conçu, développé et mis en œuvre un système d'échantillonnage à plein débit roman (FFS) pour la quantification des émissions de méthane et de gaz à effet de serre fondés sur des principes de mesure des émissions de transport. Le FFS est un système modulaire qui se compose d'un ventilateur explosif à l'épreuve (s), capteur de débit massique d'air (s) (MAF), thermocouple, sonde de prélèvement, pompe de prélèvement à volume constant, capteur de gaz à effet de serre à base de laser, dispositif d'acquisition de données et des logiciels d'analyse . Dépend de la configuration de la soufflante et le tuyau utilisé, le courant FFS est capable d'atteindre un débit d'écoulement allant de 40 à 1500 pieds cubes standard par minute (SCFM). L'utilisation de capteurs à base de laser atténue les interférences d'hydrocarbures supérieurs (C2) de +. Comesure de vapeur d'eau permet une correction de l'humidité. Le système est portable, avec des configurations multiples pour une variété d'applications allant d'être porté par une personne pour être monté dans un chariot à main tirée sur route plancher du véhicule ou à partir du lit de véhicules tout terrain utilitaire (les UTVs). Le FFS est en mesure de quantifier les taux d'émission de méthane avec une incertitude relative de ± 4,4%. Le FFS a prouvé, le fonctionnement du monde réel pour la quantification des émissions de méthane se produisant dans conventioinstallations internes et distants.
Des rapports récents confirment que le climat change à cause des activités humaines et plus le changement est inévitable 1. Le changement climatique se produit à partir d'une augmentation des GES (GES) concentration de l'atmosphère. Le dioxyde de carbone (CO 2) et le méthane sont les plus grands contributeurs de GES 2. CO 2 et de méthane proviennent à la fois des processus naturels et les activités humaines 3. Les niveaux atmosphériques actuelles de CO 2 et de méthane ont respectivement augmenté de 31% et 151% au cours des deux derniers siècles, avec la concentration en méthane augmente à un taux de 2% par an 4-6. Les répercussions sur le climat de méthane et d' émissions de CO 2 dépendent de la période considérée , comme le méthane a une durée de vie plus courte atmosphérique par rapport au CO 2 7. Durée de vie atmosphérique de méthane est 12-17 ans, après quoi l' oxydation en CO 2 se produit 8. L'impact du méthane est 72 fois plus élevé que le CO <sub> 2 dans une période de 20 ans 9. Sur une base de masse, le méthane est 23 fois plus efficace pour piéger la chaleur dans l'atmosphère que le CO 2 sur une période de 100 ans 10. Le méthane et le CO 2 représentent 10% et 82% du total des États-Unis (US) les émissions de GES 11. Les émissions mondiales de méthane provenant de sources anthropiques sont environ 60% et le reste sont des sources naturelles 8, 10.
En 2009, non-combustion des émissions de méthane entre les puits de production et réseau de distribution local correspondait à 2,4% du brut américain production de gaz naturel (1,9-3,1% à un niveau de confiance de 95%) 12. Les émissions de méthane non brûlés sont non seulement nocifs pour l'environnement, mais représentent aussi un coût énorme pour les entreprises de gaz naturel 13. Les analystes estiment que l'industrie du gaz naturel perd plus de 2 milliards de dollars par an en raison de fuites de méthane et d' aération 14. les émissions non brûlés sont classified comme fugitif ou d' évent 15, 16. Fugitive fait référence au rejet accidentel de gaz à partir de procédés ou d' équipements, tels que les vannes, les brides ou raccords à l' air ambiant 17, 18. Venting fait référence à la libération intentionnelle de gaz de processus d'équipement ou de fonctionnement à l' air ambiant, tels que des vérins pneumatiques 19. A terre les installations de pétrole et de gaz naturel, les émissions fugitives représentent environ 30% des émissions totales de méthane 20. En 2011, l'Environmental Protection Agency des États – Unis (EPA) estime que plus de 6 millions de tonnes de méthane fugitif échappé de systèmes de gaz naturel, qui dépassent le montant des émissions de GES (équivalent CO 2 sur une période de 100 ans), émis par tout le fer et l' acier des États – Unis, du ciment et des installations de fabrication d'aluminium combinés 21.
Un écart important existe dans la détermination de l'impact climatique du gaz naturel en raison de l'absence d'estimations précises et fiables des em associésissions. Cependant, il existe un consensus que les émissions fugitives de méthane se produisent à chaque étape du cycle de vie du gaz naturel et d' autres recherches dans la mesure et la déclaration de ces valeurs avec précision est importante 19. Des études ont rapporté les émissions fugitives des secteurs spécifiques avec des résultats variables pouvant aller jusqu'à douze ordres de grandeur 19, 22-28. L'absence de normes reconnues de l' industrie et un manque de réglementations cohérentes dans le domaine de la détection des fuites et fuites quantification permettent l'utilisation d'une variété de méthodes et de l' équipement d' essai, avec la précision de certaines techniques de mesure aussi élevées que ± 50% 29-35. Par conséquent, une grande incertitude existe sur la quantité de méthane fugitif émis sur le gaz naturel du cycle de vie 19, 28, 33, 36-39. Figure 1 illustre la quantité de variabilité dans la littérature publiée sur les émissions de méthane mesurées et estimées associés à la vie du gaz naturel cycle. Figure 1 </strong> montre les émissions fugitives de méthane de moyenne publié émis comme un pour cent de la production totale de gaz naturel. Si une valeur moyenne n'a pas été donné à la moyenne de la fourchette publiée a été prise. L'écart-type entre les 23 études est de 3,54, avec les valeurs les plus basses et les plus élevées différant de 96,5%.
Figure 1. Les émissions fugitives de méthane. Publié en moyenne les émissions fugitives de méthane émis comme un pour cent de la production totale de gaz naturel 13, 27, 40-59. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Actuellement, le montant total des émissions fugitives est difficile en partie en raison de l'incertitude de mesure et des techniques de mise à l'échelle. Sans des mesures précises des émissions de méthane, les décideurs sont incapables de faire des choix éclairés sur la question.Une revue de la littérature actuelle a identifié trois principales méthodes pour la quantification des émissions fugitives de gaz naturel: ensachage, gaz traceur, et un échantillonneur à haut débit disponible dans le commerce.
La méthode d'ensachage consiste à placer une enceinte sous la forme d'un «sac» ou tente autour d' une source d'émission diffuse 60. Il existe deux variantes du procédé d'ensachage. Dans l'une, un débit connu de gaz propre (généralement inerte) passe à travers l'enceinte pour créer un environnement bien mélangé pour la mesure. Une fois que l'équilibre est atteint, un échantillon de gaz est prélevé du sac et mesurée. Le taux d'émission fugitive est déterminée à partir du débit mesuré de gaz propre à travers l'enceinte et la concentration de méthane à l' état stable dans l'enceinte 61. Selon enceinte et fuite taille, le temps nécessaire pour atteindre les conditions stables nécessaires à la mesure du taux de fuite se situe entre 15 à 20 min 61. La méthode d'ensachagepeut être appliqué sur la plupart des composants accessibles. Cependant, il peut ne pas être approprié pour les composants en forme de façon anormale. Ce type de procédé est capable de mesurer des fuites d'une taille allant de 0,28 mètre cube par minute (m 3 / min) à aussi grande que 6,8 m 3 / min 60 .La autre technique d'ensachage est connu sous ensachage calibrée. Ici, des sacs de volume connu sont scellées autour d'une source d'émissions fugitives. Le taux d'émission fugitive est calculée sur la base de la quantité de temps nécessaire pour l'expansion du sac, et ramené aux conditions normales.
méthodes de gaz de traçage quantifier un taux d'émission fugitive en fonction de la concentration en gaz traceur mesuré circulant à travers une source fugitive. les traceurs gazeux couramment utilisés sont l'hélium, l'argon, l'azote, l'hexafluorure de soufre, parmi d'autres. Le taux d'émission fugitive est déterminée à partir du rapport d'un taux de libération connu de gaz traceur près de la source fugitive, les mesures des concentrations sous le vent de traceur et fugitive gaz source, et en amont de référence 24. Le taux d'émission fugitive est valable uniquement en supposant une dispersion identique et un mélange complet pour les deux sources 62. Cela implique que le traceur est libéré près de la source fugitive à une vitesse et la même hauteur, et la mesure sous le vent est de plumes bien mélangés. Cette méthode est consommatrice de temps et ne prévoit pas de composante niveau granularité 63.
Un système d'échantillonnage élevé de volume disponible dans le commerce est constitué d'un instrument de batterie portable fonctionnant emballé dans un sac à dos pour quantifier les taux d'émissions fugitives 64. L'air entourant l'emplacement de la fuite est aspiré dans l'échantillonneur à travers un diamètre intérieur flexible de 1,5 pouces à un débit suffisamment élevé pour que l'on peut supposer que la totalité du gaz qui fuit est capturée.
Le débit de l'échantillon est calculée avec un venturi à l'intérieur de l'appareil. Pour de faibles concentrations de méthane, gaz 0,05-5 de% en volume, acatalyst capteur de méthane est utilisé pour mesurer la concentration. Ce capteur est destructive pour le méthane et d'autres hydrocarbures à l'intérieur de l'échantillon. Pour les concentrations de méthane à partir de 5-100% en volume, un capteur thermique est utilisé. Le système utilise un capteur de fond séparé et d'une sonde qui corrige la concentration de fuite par rapport à la concentration de fond. Après la mesure est terminée, l'échantillon est épuisé dans l'atmosphère loin de la zone d'échantillonnage 64. Cette méthode peut être appliquée sur la plupart des composants accessibles, avec la limitation des débits mesurables jusqu'à huit pieds cubes standard par minute (SCFM). Ce système est capable de tester jusqu'à 30 échantillons par heure. Récemment, ce système a été montré que la précision variées et des problèmes en ce qui concerne le passage du détecteur catalytique vers le capteur thermique 65. En outre, le système nécessite une analyse fractionnelle de gaz à appliquer correctement un facteur de réponse basé sur la qualité du gaz – il est pas de méthanespécifique. Le système a été largement utilisé et peut – être attribué à des divergences entre top-down et bottom-up méthodes par la sous déclaration des émissions de méthane 65.
En raison des limites de ces méthodes et systèmes, un nouveau système de quantification a été développé. Le FFS utilise le même concept que les systèmes de dilution utilisés dans la certification des émissions automobiles 66-68. Le FFS est constitué d'un tuyau qui alimente un ventilateur explosif à l'épreuve qui épuise l'échantillon d'air de fuite et de dilution à travers un capteur de débit d'air massique (MAF) et sonde de prélèvement. La sonde de prélèvement est relié à un laser à base de méthane, l'analyseur à travers un tube d'échantillonnage. Les analyseurs utilise cavité absorption accrue pour la mesure de CH 4, CO 2 et H 2 O. L'analyseur est capable de mesurer CH 4 de 0% à 10% en volume de CO 2 de 0 à 20 000 ppm, et H 2 O de 0 à 70 000 ppm. Répétabilité / précision (1-sigma) pour cette configuration is <0,6 ppb de CH 4 <100 ppb de CO 2 et <35 ppm de H 2 O 69. L'échantillon est tiré du courant à un débit volumétrique constant. Le système est instrumenté avec un équipement d'enregistrement de données. La figure 2 illustre le schéma de la FFS. Avant de faire fonctionner le FFS, la connexion de mise à la terre sur le tuyau d'échantillonnage est fixée à une surface qui permet au système d'être mis à la terre. Ceci est une action préventive pour dissiper toute charge statique sur l'extrémité du tuyau, ce qui pourrait résulter de l'écoulement d'air à travers le tuyau. L'acquisition des données se produit soit sur un téléphone, tablette ou ordinateur portable à puce. Le logiciel a été développé pour la collecte des données, le traitement et le reporting. La figure 3 donne un bref aperçu des interfaces utilisateur pour les protocoles suivants.
Figure 2. Schéma FFS et de l' image gauche -. FFS schématique etdroit -. FFS portables au cours du gaz naturel comprimé (GNC) vérification de la station S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3. Détection et programme Quantification Aperçu. Bref aperçu des étapes et des invites utilisateur pour les étalonnages, tests de récupération et de fuite quantification. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Afin d'améliorer la précision et surmonter les limites actuelles de l'industrie, nous avons créé le système d'échantillonnage de flux complet (FFS) pour le méthane quantification. Les chercheurs ont utilisé le système dans une variété de formes dans de nombreux endroits à travers l'Amérique du Nord. L'utilisation de la spectroscopie élimine l'interférence significative de C2 + composés et la nature de l'échantillonnage non destructif permet des sacs de prélèvement de la fuite pour l'analyse de remplacement hors site. Lorsqu'il est combiné avec des blocs de vent alternatifs le système a réussi et avec précision quantifiées des émissions de méthane à partir des éléments suivants: les systèmes de carburant GNC, les systèmes de carburant de GNL, carters de moteurs à combustion interne, de la tuyauterie, des tubes, des connecteurs, des brides, des évents de compression, ainsi composants de la tête, l'eau / réservoirs de séparation d'huile, soupapes, actionneurs pneumatiques entraînés par le gaz naturel, ainsi carters, et de nombreux autres composants liés au gaz naturel. plates-formes de système inclus chariots portables, sur la route et les véhicules hors route. Consommation d'énergie nécessite l'utilisation deune puissance de générateur ou de la maison par le biais standards 120 connexions ACC. Cependant, grâce à cette utilisation du pouvoir »de la grille du système peut échantillonner à des débits plus élevés encore encore être utilisés en conjonction avec des rallonges et des maisons d'échantillonnage longues pour la portabilité autour d'un site d'intérêt donné. Les systèmes à piles actuelles ont une baisse des performances en fonction de l'état de charge de la batterie qui est éliminé en utilisant la puissance de la grille.
protocoles étalonnages périodiques ont été développés et intégrés dans l'interface utilisateur. Protocoles 1-3 devraient être achevées avant toute nouvelle vérification du site ou au minimum sur une base mensuelle. Si les utilisateurs ne suivent pas assidûment les protocoles, le système peut sous ou sur-rapport des taux d'émissions, ce qui pourrait avoir une incidence négative sur la déclaration des GES. Le principal objectif des protocoles est d'assurer un système précis pour estimer les émissions totales du site avec une granularité composante. Si l'analyse statistique sont utilisés pour créer de nouveaux facteurs d'émission, chaque non-leacomposant roi doit également être enregistré.
Le processus de détection de fuite peut prendre beaucoup de temps avec l'utilisation d'appareils portatifs. L'utilisation d'une caméra optique gaz-imagerie peut réduire considérablement le temps nécessaire pour détecter la fuite. L'appareil doit être capable de mesurer les composés organiques volatils, y compris le méthane. Actuellement les unités commerciales disponibles ont des sensibilités sur les taux de fuites détectables d'environ 0,8 grammes par heure (g / h) et dépendent des conditions de vent. les dispositifs d'imagerie sont également sensibles à la température. Assurez-vous d'ajuster les échelles de température nécessaire. Extrêmement vapeurs froides (gaz naturel cryogénique) ou vapeurs surchauffées (vapeur d'eau dans les échappements et autres) peuvent apparaître comme des fuites excessives. quantification ultérieure doit suivre pour déterminer avec précision le taux de fuite réel de toute fuite imagée. L'utilisation de caméras infrarouges peut réduire de manière significative les stocks de détection de fuites, mais sont sensibles aux conditions de vent. Les petites fuites dans des conditions de vent élevées pourraient Diffuse plus rapidement et ne pas être repéré. En cas de doute, vérifiez toujours avec une main tenue détecteur de méthane.
Une interface conviviale permet une utilisation facile et correcte de la FFS. utilisateur intégré invite aider l'utilisateur le long du Protocole et de réduire les efforts de post-traitement. Par exemple, une fois une quantification de fuite est terminée (article 5), le taux de fuite moyenne basée sur des calculs en utilisant au moins 30 secondes de la concentration continue et de débit des enregistrements de taux sera signalé. invites de l'utilisateur utilisera automatiquement les concentrations globales ou locales fond. Sélection simple sur l'écran provoquera solénoïdes de fonctionner et de l'échantillon pour les emplacements corrects. Les utilisateurs doivent suivre toutes les instructions à l'écran pour assurer une quantification précise de la fuite. Le programme sera automatiquement correct pour ce qui suit: fond global ou local; température; débit massique (air supposé avec le dioxyde de carbone et de méthane corrections); l'humidité (mesurée par le capteur de GES); température (thermocouple – contrôle redondant pour les conditions ambiantes)
L'incertitude relative de mesure des taux d'émissions de méthane est de ± 4,4%, sauf dans les cas où la fuite est sans conséquence que la concentration mesurée la concentration de fond approché. Un exemple d'incertitudes composant est fourni dans le tableau 2.
La source | Incertitude (%) |
Capteur de méthane | 1 |
Méthane calibration du capteur de corrélation | 0,73 |
bouteille de gaz de méthane | 1 |
bouteille de gaz zéro de l'air | 0,1 |
LFE | 0,7 |
MAF | 4 |
Module de pression différentielle | 0,025 |
module de pression absolue | 0,06 | </tr>
Thermocouple | 0,4 |
MAF calibration corrélation | 0,09 |
diviseur de gaz | 0,5 |
Tableau 2. L' incertitude des composants. Des incertitudes de composants indépendants utilisés pour quantifier l' incertitude du système.
Dans l'ensemble, le système et ses méthodes se sont avérées bénéfiques dans les efforts visant à quantifier avec précision les émissions de méthane provenant de diverses sources. Le système est évolutif et convivial. Le système développé a une incertitude de ± 4,4% par rapport aux systèmes commerciaux actuels avec une incertitude de ± 10% 74. Avec étalonnages appropriés, ce système peut facilement quantifier les taux jusqu'à 140 SCFM de fuite par rapport aux systèmes commerciaux actuels qui sont capables de quantifier les fuites jusqu'à 8 SCFM avec des charges de batterie complet 64,74. Bien que le système nécessite une connexion à l'alimentation de la maison, ce qui offre des avantages de contaux d'échantillonnage de cohérents et des taux beaucoup plus élevés que les systèmes actuels de l'échantillon. La limite de détection minimale du système actuel est de 0,24 g / h ou 3.0×10 -3 SCFM. L'interface utilisateur permet de réduire les exigences de post-traitement et réduit les efforts d'établissement de rapports. En outre, les capteurs à laser sont non-destructive pour l'échantillon de fuite, ce qui permet une mesure directe de l'échantillon avec plusieurs analyseurs 65. Les mesures de laser à base ne nécessitent pas des capteurs séparés pour les concentrations ambiantes, petites et grandes fuites ou des transitions de capteurs, qui contribuent à d'autres sources d'inexactitude. Les études futures se concentrent sur l'optimisation continue de la FFS et son interface utilisateur. Des recherches complémentaires sont en cours qui combine les données de recherche et des fluides de calcul dynamique expérimentales pour développer les meilleures pratiques supplémentaires afin d'assurer des techniques de mesure cohérentes et optimales.
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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