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如何减少石油和天然气应用中的逸散性排放

OGI技术

可视化碳氢化合物气体有助于防止向大气排放

作者:FLIR战略业务发展经理Craig O'Neill

红外(IR)红外热像仪已经使用了数十年,用于各种石油和天然气应用,包括电气/机械检查,油箱液位检查,甚至是工艺设备内管道完整性的检查。 近年来,已经开发出新的光学气体成像(OGI)技术,其可以“看到”排出或泄漏到大气中的烃类气体和挥发性有机化合物(VOC)。 OGI可用于满足监管减排要求,同时也有助于减少产品损失,从而提供积极的投资回报。 与其他检测技术相比,OGI相机可节省大量时间,并为操作员提供安全优势。 大型能源公司正在使用像FLIR GF320这样的OGI相机来快速检查数千个组件并实时识别潜在的气体泄漏。

减少石油和天然气应用中逸散性排放的技术

美国整个天然气行业在162.4中排放了相当于甲烷的2百万吨CO2015。[1]除了监管合规问题外,这相当于运营商的产品损失。 该行业面临着如何最好地发现和修复潜在逃逸点的天然气泄漏,包括压缩机站,加工厂,水力压裂井和运输线。

在开发OGI相机之前,大多数石油和天然气设施使用有毒蒸汽分析仪(TVA),也称为“嗅探器”,来分析气体浓度水平并量化排放到大气中的气体。 TVA是可靠的,成本相对较低,并且可以识别大多数气体。 与OGI相机相比的缺点是操作员必须确切地知道去哪里寻找故障 - 并且物理接触它。 换句话说,嗅探器就像在驴尾上玩耍,而光学气体成像是同一个游戏 - 但没有蒙眼。 此外,OGI比嗅探器快(5-10倍)。

与传统的TVA相比,光学气体成像还具有多种安全优势。 它可以远程检测可能会爆炸或导致气体呼吸的健康问题的气体。 OGI摄像机使操作员在检查期间能够保持安全距离。 它们可以留在地面上,指向10或20高的点,而不是站在一团气体中,并确定它是否正在向大气中泄漏气体。

更深入地研究光学气体成像

光学气体成像相机是IR或热成像相机的高度专业化版本。 它包括一个镜头,一个探测器,处理来自探测器信号的电子设备,以及一个取景器或屏幕,供用户查看摄像机产生的图像。 [2]

光学气体成像核心

图1。 光学气体成像核心的内部设计。

光学气体成像可以比作通过摄像机观察 - 操作员看到一团气体吹出,否则肉眼将完全看不见。 气体羽状物看起来好像是从燃烧的物体散发出来的,几乎就像香烟或雪茄烟。

为了观察这种气体,OGI相机采用独特的光谱过滤方法,可以检测特定的气体化合物。 过滤器安装在检测器前面并与其一起冷却,以防止过滤器和检测器之间的任何辐射交换。 滤光器将允许通过检测器的辐射波长限制在称为带通的非常窄的带。 这种技术称为光谱适应。 看到 图1。

OGI相机使用量子探测器,需要冷却到低温(大约70K或-203°C)。 检测甲烷等碳氢化合物气体的中波相机通常在3-5千分尺(μm)范围内工作,并使用锑化铟(InSb)探测器。 检测六氟化硫等气体的长波相机倾向于在8-12μm范围内工作,并使用量子阱红外光电探测器(QWIP)。

OGI相机利用某些分子的吸收特性在其原生环境中对其进行可视化。 相机焦平面阵列(FPA)和光学系统专门调整到非常窄的光谱范围,大约几百纳米,因此是超选择性的。 只能检测由窄带通滤波器限定的红外区域中的吸收性气体。 对于大多数气体化合物,红外吸收特性与波长有关。

例如,黄色区域 图2 图中显示了一个光谱滤波器,设计用于对应于大部分背景红外能量被甲烷吸收的波长范围。

甲烷

如果摄像机指向没有气体泄漏的场景,则视场中的物体将通过镜头和摄像机的滤光器发射并反射红外辐射。 如果在物体和相机之间存在气体云并且该气体吸收滤光器的带通范围内的辐射,则通过云到检测器的辐射量将减少。 要查看与背景相关的云,云与背景之间必须存在辐射对比。

总结使云可见的关键 - 气体必须吸收相机看到的波段中的红外辐射; 气云必须与背景形成鲜明的对比; 云的表观温度必须与背景不同。 此外,运动使云更容易看到。

法规标准指导用于检测排放到大气中的气体的技术

若干监管标准影响使用哪种技术来检测排放到大气中的气体。 嗅探器仍然是一些石油和天然气法规所必需的方法,OGI相机是次要工具。 对于美国石油和天然气行业的新监管标准,OGI被认为是最好的方法,嗅探器是次要方法。

环境保护局的方法21 - 挥发性有机化合物泄漏的测定,规定光学气体技术可被视为符合方法21的替代工作实践(AWP)。 (嗅探器是最初指定的方法,操作员每年仍必须使用一次嗅探器方法。)

在2016中,EPA发布了Quad Oa,简称联邦法规(CFR)40,第60部分,子部分OOOOa。 EPA新源性能标准(NSPS)的这些修订定义了挥发性有机化合物(VOC)的排放标准,并量化了必要的减排量。 Quad Oa包括甲烷法规,要求上游石油和天然气设施限制排放; 该规定主要适用于井场和压缩站。 对于Quad Oa,光学气体成像被认为是最佳的减排系统(BSER)。

此外,加拿大环境与气候变化委员会(ECCC)和艾伯塔省环境与公园(AEP)最近推出了新法规,要求使用光学气体摄像机或2019的嗅探器检查所有设备。

世界其他国家可能会在未来几年实施类似于这些主动的北美排放控制和甲烷减排法规。

新的OGI技术是石油和天然气应用的理想选择

天意光子学近年来,市场上出现了新技术,以满足OGI对石油和天然气应用的需求。 例如,FLIR GF320与Providence Photonics QL320配合使用,使用户能够减少排放,同时按照每分钟升数或每小时克数计算效益 - 这对于那些寻求光学气体成像经济合理性的人来说是有用的信息程序。 它不仅可以用于阻止排放并量化泄漏检测程序的有效性,还可以用于量化和优先维修。 嵌入式GPS数据可帮助操作员识别故障和泄漏的精确位置,从而加快维修速度。

FLIR的另一项创新技术是GFx320,这是一款OGI相机,已经独立认证为2区和1级的本质安全型; Div 2环境。 这种本质安全标识意味着测量员可以在关键安全区域和危险位置内自信地工作。

此外,FLIR光学气体成像仪还可用于测量温度,作为更典型的红外热像仪电气/机械检测任务的一部分,因此相机实际上提供了双重功能。

光学气体成像降低了成本并提高了主要石油和天然气公司的安全性

光学气体成像已被用于遵守法规,同时节省资金并提高操作员的安全性。 一个例子是位于怀俄明州的Jonah Energy,该公司开始在2005中使用光学气体成像技术在其生产设施中发现逸散性排放。[3]该公司每月检查150设施,并在一年内检查1,700井。 Jonah使用FLIR GF320红外热像仪进行甲烷和VOC检测,可以直观地确认泄漏量小至0.8克/小时。

Jonah Energy发现FLIR GF320的主要优势在于它能够实时扫描大面积区域并可视化气体羽流。 这有助于检查人员查明逃逸排放源并立即开始修复过程,使OGI检查比方法21调查更有效。 实际上,在为德克萨斯州沃思堡市进行的实地研究中,测量员确定用红外摄像机扫描至少比在相同现场设备上执行方法21扫描快9倍。

OGI扫描的速度使石油和天然气生产商更容易更频繁地勘测设备。 美国环保署指出,更频繁的检查和维修可以显着减少逸散性甲烷和VOC排放。 例如,季度调查可以减少80百分比的排放量,而半年度监测调查和维修可以减少60百分比的排放量。

自2010以来,Jonah已将逸散性排放量降低了75%。 它还将修复时间从705小时缩短到106,将人工成本从58,369减少到7,500,并将其气体损失从348,000降至$ 20,500。 吨的排放量从351到31。

Jonah Energy表示,他们使用OGI技术的月度泄漏检测和维修(LDAR)计划既有效又持续盈利。 在过去六年中,他们的累计天然气节省超过了5百万美元,这超过了整体计划成本。

另一个例子是康菲石油公司,该公司在22 CPC工厂进行了光学泄漏检测和测量试验研究,以测试逃逸排放管理的最佳管理实践。 该研究结果用于评估使用OGI技术作为该公司加拿大业务的逃逸排放管理计划的一部分的好处。[4]

该研究确定了144泄漏组件,这些组件总共损失了大约$ 358,000的产品。 丢失的产品导致甲烷泄漏,每年二氧化碳当量(CO21,000e)对温室气体(GHG)排放的贡献超过2吨。 该研究估计,92源的百分比可以经济地修复,导致净现值节省超过2百万。[3]

Inspectair是专业远程视觉检测技术和解决方案的领先国际供应商,依靠FLIR GF320光学气体成像相机进行碳氢化合物生产工厂的维护检查和碳氢化合物泄漏检测,或检查使用碳氢化合物作为燃料的任何材料。 他们发现GF320相机可以更快速地扫描更广泛的区域,并使用接触式测量工具监控难以触及的区域

气体成像相机

“我们一直在使用某些接触式测量工具,如激光探测器或泄漏嗅探器,”Inspectair的Cailean Forrester说。 “但问题在于你必须直接进入物体,这并不总是安全的,甚至是不可能的。 换句话说,这种方法是有限的,而且不是很精确。 然而,使用像GF320这样的光学气体成像相机,您可以保持安全距离,并且仍可以非常精确地检测气体泄漏。“

新罕布什尔州纳舒厄红外线培训中心的讲师Ron Lucier引用了能够从安全距离检查气体羽流的重要性。 “甲烷和其他碳氢化合物不仅易燃,而且浓度很高,会导致窒息,”Lucier解释道。 “有了TVA气体'嗅探器',你知道气体存在,但你不知道多少。 OGI用户可以立即看到气体羽流的大小 - 气体嗅探器无法做到这一点。“

创新产品可识别并阻止逸散性气体排放

4月2018,FLIR在加拿大多伦多举行的全球甲烷论坛上获得了石油和天然气甲烷领导奖的GF320相机技术创新奖。[5]该奖项由清洁空气政策中心颁发,清洁空中特遣部队,加拿大环境保护局,环境保护基金和彭比纳研究所。

根据Pembina研究所的说法,“FLIR被选中用于其创新的传感解决方案,包括具有成本效益的手持式摄像机,可供业界用于识别和阻止逸散性排放,从而保护环境并节省资金。”他们还表示组织“有利用这项技术确定排放的来源和规模,并为政策制定提供信息。“

参考文献

  1. 美国温室气体排放和汇的清单, 2018完整报告,检索6 / 14 / 18,pg 191(Energy 3-77)
  2. 光学气体成像背后的科学 - www.flirmedia.com/MMC/THG/Brochures/OGI_012/OGI_012_US.pdf,检索6 / 11 / 18。
  3. 光学气体成像为Jonah Energy节省资金和资源, www.flirmedia.com/MMC/THG/Brochures/OGI_014/OGI_014_US.pdf ,检索6 / 11 / 18。
  4. T. Trefiak,ConocoPhillips,OGI试点研究:泄漏检测与测量,2006, www.docplayer.net/17797465-Pilot-study-optical-leak-detection-measurement-report-completed-by-terence-trefiak.html
  5. 全球甲烷减排领导人在加拿大获奖, www.pembina.org/media-release/global-methane-reduction-leaders-honoured-canada,检索6 / 11 / 18。

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