Необходимость обнаружения выбросов метана на производствах

Метан — это простейший и самый распространенный органический газ на нефтегазовых и рудных месторождениях.

В зависимости от типа месторождения меняется содержание метана в составе газовой смеси. Так, например, на газовом месторождении объемная доля метана составляет около 94 %, нефтяном — 62 %, газонефтяном — 88 %, нефтегазоконденсатном — 92 %. [1]

В современном мире необходимость своевременного и точного обнаружения метана вызвана следующими причинами: 

1. Безопасность

Всего около 4,5 – 15 % [4] концентрации метана в воздухе достаточно для образования взрывоопасной смеси. Чтобы избежать взрыва, максимальный порог обнаружения концентрации метана в воздухе должен быть гораздо меньше. Чем раньше мы обнаружим утечку, тем больше у нас будет времени на организацию эвакуации людей из опасной зоны.

2. Экологические последствия

По заявлениям Международного энергетического агентства (МЭА, англ. International Energy Agency, IEA), выбросы метана в настоящее время являются второй по значимости причиной глобального потепления, и снижение уровня выбросов метана будет иметь решающее значение для предотвращения изменения климата.

На ископаемое топливо приходится более трети всех выбросов метана в результате деятельности человека. Эти выбросы можно сократить на 16%, путем внедрения систем, позволяющих обнаруживать утечки метана и, следовательно, своевременно проводить ремонтные мероприятия (Рисунок 1) [2].

Рисунок 1 – Потенциал мер по борьбе с выбросами метана

3. Оптимизация расходов на ликвидацию последствий выбросов

Если у нас нет данных о реальных масштабах выбросов, мы «перестраховываемся» и ликвидируем последствия. Это дополнительные расходы, причем огромные. По словам того же Международного энергетического агентства реальные выбросы метана в энергетическом секторе примерно на 70% превышают сумму оценок, предоставляемых национальными правительствами [3], Измерения позволяет также сократить финансовые потери, связанные с бесконтрольным выбросом газа в атмосферу. Следовательно, абсолютный экономический эффект от сокращения потерь в результате внедрения систем контроля за выбросами метана будет еще выше.

Чтобы контролировать выбросы метана и эффективно решать вышеописанные проблемы, выбросы нужно фиксировать, локализовывать и точно измерять концентрацию.

Как зафиксировать наличие метана в воздухе.

Поскольку метан не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха, органолептически обнаружить его наличие в воздухе невозможно, без применения специального оборудования не обойтись. 

Очень удобными в деле локализации утечки будут камеры оптической визуализации газа производства OG-Tech: стационарные GV-F-3234, GV-F-714 и портативные GV-P 3234-GEN3 и GVP-P-714. 

Тем не менее работа даже с портативными камерами требует определенной сноровки. Поэтому мы рекомендуем использовать их совместно с селективными лазерными детекторами метана: стационарным LROA01 и портативными JJ10(A) , Laser Methane Mini, LMRD-30, LROD 01-30. Лазерные селективные детекторы быстро локализуют источник утечки за счет быстрой скорости сигнала и большой дальности обнаружения, достигающей 100 м.

Продлить срок службы приборов и использовать его рационально невозможно без понимания физических основ его работы и понимания границ его применения. Чтобы помочь вам в этом, мы публикуем понятные и доступные материалы о физических принципах, лежащих в основе передовых технологий неразрушающего контроля. Например, статья о научных основах оптической визуализации газов, которая приоткрывает завесу тайны распознавания камерами различных газов.

Принцип работы лазерных датчиков обнаружения метана

В основе работы таких детекторов лежит технология лазерной абсорбционной спектроскопии (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLS, TLS, TLAS TDLAS).

Оптическое обнаружение газа с помощью абсорбционной спектроскопии основано на законе Бугера–Ламберта–Бера:

где: I — интенсивность света, прошедшего через среду с газом; I0 — интенсивность света, падающего на среду; C — концентрация газа; α — коэффициенты поглощения; L — длина оптического пути; λ — длина волны.

Простым языком можно сформулировать закон следующим образом: чем больше концентрация вещества (C), и чем больше путь (L) в веществе, через которые проходит излучение (I0) некоторой длины волны λ, тем меньше излучения (I) попадет на детектор в виду поглощения исходного излучения (I0) определяемым веществом. 

Как мы знаем, по предыдущей статье, каждое вещество поглощает излучение определенных длин волн, причем одни длины волн в большей степени, другие — в меньшей. Поэтому в формуле присутствует коэффициент поглощения α, характерный для определенной длины волны и для конкретного поглощающего излучение вещества.

Рисунок 2 – Демонстрация закона Бугера–Ламберта–Бера

Принцип работы прибора для обнаружения метана методом TDLS следующий. Устройство испускает луч ИК-лазера с длиной волны, установленной на одной из длин волн поглощения метана. Этот лазерный луч проходит через облако газа, достигает отражающей поверхности и возвращается на детектор. Если в области газа, через которую прошел лазер, имеется целевой газ, подлежащий обнаружению, лазер будет поглощен газом. Чем больше толщина и концентрация обнаруживаемого целевого газа, тем больше будет степень поглощения. Лазерный детектор отслеживает изменения интенсивности лазера посредством связи с однокристальной схемой управления для обработки, и, наконец, сообщает приблизительное значение концентрации метана, распределенное между стороной устройства и точкой прицеливания.

Чтобы разобраться, почему определению метана не мешают другие газы, рассмотрим спектры поглощения метана и этана — ближайшего гомолога метана в ряду насыщенных углеводородов. Ограничимся диапазоном 1 – 4 мкм.

Рисунок 3 – Спектры поглощения метана

Видим, что метан имеет окна поглощения в узких диапазонах длин волн 1 – 2 мкм, 2 – 4 мкм.

Рисунок 4 – Спектры поглощения этана

У этана окна поглощения находятся в диапазоне 0,75–1,0 мкм, 1,250–1,625 мкм, 2,7–3,1 мкм. Забегая вперед, отметим, что этан не поглощает излучение на длине волны 1650 нм, в отличие от метана.

Аналогичные картины поглощения мы увидим у пропана, бутана и многих других газов.

Основная идея для селективного определения метана в газовых смесях состоит в том, чтобы найти такие линии поглощения метана, которые не пересекаются с линиями поглощения сопутствующих газов (метан, пропан и т. д.), а также обязательно присутствующих в атмосфере углекислого газа и воды. И без того нетривиальная задача усложняется еще тем, что инженеру необходимо также согласовать условия обнаружения метана с рядом неочевидных обстоятельств, как, например, то, что из существующих на сегодняшний день детекторов излучения без охлаждения могут работать лишь те, что воспринимают длину волны излучения, лежащую в диапазоне 0,8 – 2,5 мкм [4, 5]; или то, что лучшую чувствительность присутствующие на рынке фотоприемники имеют в некотором узком диапазоне длин волн, поэтому, если мы хотим обнаруживать как можно меньшие количества газа, мы должны работать в диапазоне максимальной чувствительности фотоприемника [6]. Проиллюстрируем второе обстоятельство спектральной характеристикой фотодиода Hamamatsu серии G8370:

Рисунок 5 – Спектральный отклик фотодиода Hamamatsu  InGaAs серии G8370

Из рисунка видно, что максимальная чувствительность рассматриваемого фотодиода достигается в диапазоне 1,5 – 1,7 мкм. Кроме того, нельзя забывать и про то, что массово производимые источники излучения (лазеры) также излучают на фиксированных длинах волн.

У метана линии поглощения, соответствующие совокупно обозначенным выше требованиям, присутствуют в диапазоне 1,63–1,69 мкм. Этим также объясняется, почему в качестве источника излучения датчиков метана применяется ИК-лазер, излучающий на длине волны 1,650 мкм.