Metody wykrywania i pomiaru wielkości niezorganizowanej emisji metanu z elementów infrastruktury przesyłowej – wyniki projektu GERG Detection and Measurement of Fugitive Emissions of Natural Gas from the Transmission Systems

W artykule przedstawiono wyniki projektu zrealizowanego przez GAZ-SYSTEM wspólnie z pięcioma innymi europejskimi operatorami systemów przesyłowych gazu – Enagás, Fluxys, Gasunie, Snam, GRTgaz. Celem projektu było zbadanie i wskazanie najbardziej przydatnych urządzeń do wykrywania i pomiaru wielkości emisji metanu z elementów infrastruktury typowych dla systemów przesyłowych. Analiza rynku pokazała, że dostępne są urządzenia do wykrywania emisji metanu wykorzystujące różne zasady działania, znacznie mniej jest natomiast urządzeń do pomiaru wielkości emisji. Do badań wybrano pięć urządzeń: trzy wyłącznie do detekcji, oparte na zasadzie działania D-1 (sensor półprzewodnikowy), D-2 (optyczny system na podczerwień), D-3 (technologia laserowa), oraz dwa urządzenia umożliwiające również pomiar emisji – P-1 (obrazowanie ultradźwiękowe) i P-2 (ilościowy system optycznego obrazowania gazu). Badania laboratoryjne przeprowadzono w marcu 2020 r. na stanowisku Enagás’ Metrological & Innovation Center (M&I) w Saragossie; zgodnie z przyjętym programem generowane były uchodzenia metanu z rozszczelnionych celowo zaworów, połączeń kołnierzowych, skręcanych oraz z przewodu otwartego do atmosfery. Badania polowe urządzeń w przypadku nieznanych nieszczelności wykonano na stacji pomiarowej przy M&I. Celem badań była weryfikacja dokładności wytypowanych przyrządów pomiarowych; została ona przeprowadzona przy różnych strumieniach objętości i różnych stężeniach metanu w gazie uchodzącym z nieszczelności. Podczas badań oceniana była także m.in. łatwość stosowania urządzeń, szybkość wykrywania metanu i odległość urządzenia od miejsca uchodzenia gazu. Wyniki badań pokazały zarówno zalety, jak i ograniczenia poszczególnych urządzeń, wskazały ponadto jednoznacznie, że do oceny wielkości emisji metanu z elementów infrastruktury przesyłowej konieczne jest zastosowanie co najmniej dwóch różnych urządzeń. Uzyskane wyniki wskazują, że urządzenia typu sniffer, charakteryzujące się tym, że sonda musi się znaleźć w pobliżu miejsca uchodzenia, dają wyniki podobne do detektora FID, najczęściej stosowanego w programach LDAR (ang. leak detection and repair), ale mogą być stosowane w szerszym zakresie stężeń metanu. Urządzenie D-3 ma szybki czas odpowiedzi oraz szeroki zakres pomiarowy, jednak ze względu na jednostkę odczytu, tj. ppm-m, nie można przeliczyć wyników na stężenie metanu bez dodatkowego pomiaru odległości. P-1 oraz P-2 pozwalają na ocenę wielkości emisji metanu w czasie rzeczywistym – błędy pomiaru wielkości emisji dla obu urządzeń są porównywalne i wynoszą około 70% do 100%.

The article presents the results of the project carried out by GAZ-SYSTEM in cooperation with 5 other European gas Transmission System Operators (TSO) – ENAGAS, Fluxys, Gasunie, Snam and GRTgaz. The objective of the project was to investigate and identify the most useful devices for detecting and measuring methane emissions from infrastructure components typical for the TSO. The market analysis showed that methane detectors utilizing different principles of operation are available, but there are much fewer devices for measuring emission rates. 5 devices were selected for tests: 3 exclusively for detection based on the D-1 (semiconductor sensor), D-2 (infrared optical gas detection system), D-3(laser technology) principle of operation, and 2 devices that also enable emissions measurement – P-1 (ultrasound imaging) and P-2 (quantitative optical gas imaging). Laboratory tests were carried out in March 2020 at the Enagás’ Metrological & Innovation Center (M&I); according to the approved program, methane leaks were generated from deliberately unsealed valves, flanges, threaded and open-ended pipe connections. Field tests were carried out at the measuring gas station near the M&I. The main purpose of the research was to verify the accuracy of the selected measuring instruments. It was carried out at different flowrate and various methane concentrations in the gas escaping from the components. Ease of use of the devices, their speed and range of operation were assessed. The results showed both the advantages and limitations of each device, and they clearly indicated that the assessment of methane emissions from gas transmission infrastructure components requires the use of at least two different devices. The results indicate that sniffer devices, characterized by the fact that the probe must be placed in the vicinity of the source of emission, give results similar to the FID Detector, most commonly used in Leak Detection and Repair (LDAR) programs, but can be used in a wider range of methane concentrations. D-3 has a fast response time and a wide measuring range, but their unit of measurement i.e. ppm-m prevents the conversion of the results into methane concentration without additional measurements of the distance between the leak and the device. The P-1 and P-2 allow to measure the emissions in real time, while the measurement errors for both devices are comparable, ranging from about 70% to 100%.