CC BY
23
УДК 622.691.24
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОРГАНИЗОВАННЫХ ВЫБРОСОВ ПРИРОДНОГО ГАЗА В АТМОСФЕРУ
Байков Игорь Равильевич1,
pte@rusoil.net
Китаев Сергей Владимирович1,
svkitaev@mail.ru
Шаммазов Айрат Мингазович21,
info@rusoil.net
Зубаилов Гаджиахмед Исмаилович3,
adk_gadzi@niigaz.ru
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, Россия, 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.
2 Академия наук Республики Башкортостан, Россия, 450008, г. Уфа, ул. Кирова, 15
3 Научно-Технический центр «Оценка соответствия» АО «Гипрониигаз», Россия, 410012, г. Саратов, пр. Кирова, 54.
Актуальность. Природный газ в настоящее время является безальтернативным углеводородным ресурсом, используемым преимущественного как топливо. Основным компонентом природного газа является метан, его содержание в газе превышает 95 %. При транспортировании природного газа по трубопроводам неизбежно появляются неорганизованные выбросы через разъемные соединения. Метан относится к парниковым газам и приводит к потеплению климата. Парижское соглашение, ратифицированное Россией, предполагает сокращение выбросов парниковых газов для снижения нагрузки на окружающую среду. Результаты, рассмотренные в статье, являются актуальными, т. к. приведенные рекомендации позволят повысить эффективность контроля за неорганизованными выбросами метана в окружающую среду.
Цель: разработка методики определения объема утечек природного газа в атмосферу через разъемные негерметичные соединения на газопроводах с помощью лазерного детектора метана, регистрирующего величину утечки. Методика предполагает разработку аналитических моделей для пересчета линейной концентрации метана в области утечки в объемные значения.
Объекты: экспериментальная установка, предназначенная для моделирования утечек природного газа в атмосферу. Стенд позволяет моделировать утечки различной интенсивности с помощью специальных сменных заглушек, имеющих отверстия различного диаметра.
Методы. Для обоснования предлагаемых положений использовались методы наименьших квадратов, асимптотических координат, порядковых статистик.
Результаты. Представлена методика количественного определения эмиссии метана через разъемные соединения газотранспортной системы. Для разработки методики был специально спроектирован и изготовлен лабораторный стенд, с помощью которого были получены эмпирические данные для аналитических моделей пересчета линейной концентрации метана в области утечки в объемную концентрацию.
Ключевые слова:
Трубопроводный транспорт газа, утечки природного газа, эмиссия метана, лазерный детектор, мониторинг утечек.
Введение
Парниковые газы оказывают существенное влияние на климат Земли. Значительные выбросы парниковых газов в период промышленного развития привели к нагреву атмосферы, и эти изменения уже ощущаются во всех сферах человеческой деятельности.
Цели по сокращению выбросов определены в Парижском соглашении по климату [1], Постановлении РФ о ратификации Парижского соглашения [2], Стратегии РФ по сокращению выбросов парниковых газов на период до 2050 года [3].
Значительный вклад в парниковый эффект вносят предприятия, добывающие и транспортирующие природный газ. При эксплуатации объектов газовой про-
мышленности неизбежно появляются неорганизованные утечки природного газа в атмосферу. Природный газ содержит в своем составе парниковый газ - метан (более 95 %). Причиной возникновения утечек является ухудшение технического состояния, разгерметизация газопроводов и технологического оборудования вследствие продолжительного срока их эксплуатации.
Места появления утечек могут быть различными -как правило, это разъемные фланцевые или резьбовые соединения. С большой долей вероятности утечки появляются по штоку в месте сальникового уплотнения запорно-регулирующей арматуры. Утечки также могут появиться при повреждении оборудования из-за коррозии. Коррозионные повреждения становятся источником утечки при появлении сквозного отвер-
DOI 10.18799/24131830/2022/2/3561
71
стия. Трещины на сварных швах также могут стать источником утечек.
Для обнаружения и измерения эмиссии метана применяются различные средства: измерители концентрации метана, термоанемометры, приборы для измерения концентрации метана и расхода газового потока, дистанционный лазерный детектор метана, приборы для измерения концентрации метана и объема утечки - инфракрасные камеры [4-6].
В последнее время опубликованы научные работы, в которых рассматриваются способы обнаружения и мониторинга утечек метана на объектах, использующих в своих технологических сетях метан [7-9]. Значительный вклад в выбросы метана в атмосферу вносят объекты газотранспортной системы единой системы газоснабжения РФ. ПАО «Газпром» непрерывно ведется работа по выявлению и устранению утечек природного газа в соответствии с нормативно-техническими документами [10, 11].
В зарубежных источниках [12-17] приведены результаты исследований по обнаружению и контролю за утечками метана.
В научных работах [18, 20] приводятся научно обоснованные технологические решения по сокращению эмиссии метана в атмосферу на объектах газовой промышленности.
Проведенные исследования показывают, что актуальной является задача количественного определения объема утечек природного газа в атмосферу через негерметичные узлы для повышения эффективности работ по снижению эмиссии парникового газа - метана - в окружающую среду.
В статье приведены результаты разработки методики учета эмиссии метана с применением дистанционного лазерного детектора метана.
Положительной функцией лазерного детектора метана является измерение линейной концентрации метана в области утечки (ppm-м), т. е. концентрации метана на толщину облака утечки. Это и даст возможность перевести линейную концентрацию метана в количественную величину объема утечки с приемлемой точностью по специально разработанным аналитическим зависимостям. В работе применялся портативный лазерный детектор метана Laser methan mini.
Для разработки математических моделей выбран «прямой» метод с применением счетчиков расхода газа в качестве эталонного метода. Для проведения исследований по моделированию объемов утечек различной интенсивности, характеризующих вид утечки, была разработана и изготовлена экспериментальная установка (рис. 1).
На рис. 2 приведен фотоснимок, иллюстрирующий общий вид экспериментальной установки, собранной для моделирования утечек и измерения их объема струйным счетчиком расхода газа.
На рис. 3 приведен фотоснимок экспериментальной установки для моделирования утечек газа и измерения линейной концентрации метана в области утечки лазерным детектором метана.
На рис. 4 приведен фотоснимок области экспериментальной установки со сменной заглушкой с отверстием для моделирования утечек различной интенсивности. Стрелкой указано направление измерительного луча детектора метана при проведении измерений линейной концентрации метана в области утечки.
III
Природный сжатый газ
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - баллон со сжатым газом Р=25,0 МПа; 2 - вентиль Р=25,0 МПа; 3 - редуктор газовый Рвх=25,0 МПа, Рвых=0-0,1 МПа; 4 - манометр образцовый; 5 - имитация участка газопровода (DN100, L=2,0 м; Р=10,0 МПа); 6 - бобышка со сменной пробкой; 7 - вентиль Р=10,0 МПа; 8 -армированный резиновый шланг Р=0,1 МПа, L=2,0 м; 9 - трубка 1/2", L=0,15 м, Р=10,0 МПа; 10 - наружная бобышка 4". I - узел моделирования утечек газа; II - кожух для подачи газа на счетчик; III - штуцер для сброса остаточного давления газа в стенде Fig. 1. Scheme of the experimental setup: 1 - compressed gas cylinders, P=25,0 МРа; 2 - valve P=25,0 МРа; 3 - reducer gas Pin=25,0 МРа, Pout=0-0,1 МРа; 4 - gauge exemplary; 5 - simulation of a gas pipeline (DN100, L=2,0 m; P=10,0 МPа); 6 - boss with interchangeable plug; 7 - valve P=10,0 МPа; 8 - reinforced rubber hose P=0,1 МPа, L=2,0 m; 9 - 1/2" tube, L=0,15 m, P=10,0 МPа; 10 - 4" outer boss. I - gas leak simulation unit; II - casing for gas supply to the meter; III - fitting for relieving the residual gas pressure in the stand
1
Рис. 2. Экспериментальная установка для моделирования утечек и измерения их объема струйным счетчиком расхода газа Fig. 2. Experimental setup for modeling leaks and measuring their volume with a jet gas flow meter
Рис. 3. Экспериментальная установка для моделирования утечек и измерения линейной концентрации метана в области утечки лазерным детектором метана
Fig. 3. Experimental setup for modeling leaks and measuring methane linear concentration in the leakage region by a laser methane detector
Работы по измерению расхода газа с утечкой производились с помощью газового счетчика при различных значениях давления газа в газопроводе и различных площадях источника утечки в следующем порядке:
• подключение имитатора газопровода с источником утечки площадью 51 к баллону с природным газом;
• герметизация и установка изолирующего чехла над источником утечки;
• заполнение газопровода и изолирующего газопровода природным газом;
• настройка заданного давления газа в имитаторе газопровода Р\,
• подготовка газового счетчика к эксплуатации в соответствии с руководством по эксплуатации;
• фиксация показаний термометра и барометрического давления;
• фиксация показаний счетного устройства газового счетчика
• по истечении времени г фиксация показаний счетного устройства газового счетчика Q2;
• определение расхода газа через источник утечки площадью 51 при давлении в газопроводе Pl по формуле: Р^^-ЭО.
Измерение величины расхода газа с утечкой производилось струйными счетчиками типа СГБ-1,8 и СГБ-4,0, которые применялись поочередно в зависимости и расхода газа для обеспечения необходимой точности измерений в диапазоне малых расходов
Массовый расход газа Эт через отверстие, выражаемый в кг/с, определяется из соотношения по формуле (1):
Q = А
(1)
где / - площадь сечения отверстия в негерметичном узле. Скорость истечения определяется по формуле (2):
" k-i '
c = 2k -RT ! ( Piï X
2 k-1 1 1 Pi J
(2)
Подставляя выражение (2) в (1), получим выражение (3):
Qm
Г 2 k+1 I
2 k pi ( P2 ï k 1 — 1 ( P2 ï X — —I
k -1 v 1 Pi J 1 Pi J
(3)
Объемный часовой расход газа определяется по формуле (4):
О = 3600,
Q р ,
(4)
Рис. 4. Фотоснимок области экспериментальной установки со сменной заглушкой с отверстием для моделирования утечек различной интенсивности Fig. 4. Photograph of the experimental installation area with a replaceable plug with a hole for modeling leaks of different intensity
где р - плотность газа.
Из уравнения (4) следует, что массовый секундный расход газа при истечении из трубопровода через отверстие зависит от площади отверстия, свойств газа (к - показатель адиабаты, р1 - давление газа в трубе, у1 - удельный объем газа в трубе) и степени его расширения (т. е. давления газа на выходе р2).
v
2
Массовый расход газа с утечкой по формуле (4) может быть рассчитан для давлений в источнике
утечки до 1 Ьаг, т. е. при значениях от — = в = 0,5
Д
до — = 1,0 теоретические расчеты полностью совпаЛ
дают с экспериментальными данными. Для интервала
значений степени расширения 0 < — < в массовый
Р1
расход газа с утечкой может быть рассчитан по другой формуле. Рассмотрим методику расчета массового расхода газа с утечкой для интервала степени расширения 0 < — < в . Режим истечения газа из отвер-Р1
стий критический.
Массовый расход газа при истечении из отверстия определяется по формуле (5):
Qm = fk
(5)
где Лф - скоростная характеристика расхода газа.
Объемный часовой расход раза с утечкой определяется по формуле (6):
а,
Q 3600, Qp р '
(6)
где р- плотность газа.
На рис. 5 приведены экспериментальная и расчетная зависимости расхода газа с утечкой в зависимости от избыточного давления газа в трубе для диаметра отверстия D=0,35 мм (в качестве примера).
Расчетные данные получены по формуле (4) для Р
случая, когда в= — = 0,5 -1,0. Р1
0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
♦ расчет
• эксперимент
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
Избыточное давление, МПа Рис. 5. Зависимость расхода газа с утечкой от избыточного давления газа в трубе для диаметра отверстия D=0,35 мм Fig. 5. Dependence of the gas flow rate with leakage on the excess gas pressure in the pipe for the hole diameter D=0,35 mm
Аналогичные зависимости получены и для других диаметров отверстий 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0 мм. Сравнительный анализ расчетных данных с экспериментальными показал, что расчетные данные хорошо соотносятся с экспериментальными данными ¿=5 %.
Аналитическое моделирование характеристик
при избыточном давлении в трубе 0<Ри<0,1 МПа
Применяя разработанный стенд, проведены экспериментальные исследования. Давление в источнике утечки поднималось ступенчато, при каждом значении давления фиксировался расход газа с утечкой. Для моделирования утечки использовались съемные заглушки с отверстиями разного диаметра. Полученные зависимости расхода газа от избыточного давления и диаметра отверстий приведены на рис. 6.
4,0
т
m
s 35 х 3,5
>s"
2 3,0
т
а
£ 2,5
и
пз
й 2,0 § 1,5
и п:
1,0
0,5
......
■•*•"" ..-г*""'
9 ........ ......• '.....*
L-+-
..^ж-ж-.....Ж
0
0,02
0,04
0,06
-—Х-— D=0,5 мм — D=1,0 мм —-♦■— D=1,6 мм ........ D=2,0 мм
0,08
0,1
Избыточное давление, МПа
Рис. 6. Характеристики расхода газа с утечкой в зависимости от избыточного давления газа в трубе и диаметра отверстий
Fig. 6. Characteristics of the gas flow rate with leakage depending on the excess gas pressure in the pipe and the diameter of the holes
v
Характеристики (рис. 6) представляют собой серию зависимостей от двух параметров: избыточного давления в трубе (Ри) и диаметра отверстия (В), имитирующего утечку. Для представления характеристики (рис. 6) применялся метод асимптотических координат. В результате получена аналитическая зависимость Эр от Ри и В, формула (7):
= (1,1676£>1,7525 )(13,44(10Ри )5 - 36,881(10^ )4 + +37,29(10Ри)3 - 17,378(10Ри)2 + 45,301Ри). (7)
На рис. 7 проиллюстрирован график зависимостей линейной концентрации метана в области утечки, полученный по экспериментальным данным для топливного газа.
40000
Е о.
35000
га х
С? 30000
О)
S
§ 25000 и
о:
20000
не О)
5Н 15000
0
К 10000
га
1
"J 5000
L*
0
-Ж-Ж--
ж D=0,5 мм
» D=1,0 мм
♦ D=1,6 мм
----•■ D=2,0 мм
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
Избыточное давление, МПа
Рис. 7. Зависимости линейной концентрации метана в области утечки от избыточного давления газа в трубе и диаметра отверстия
Fig. 7. Dependences of the linear methane concentration in the leak area on the excess gas pressure in the pipe and the hole diameter
Произведя моделирование методом асимптотических координат получим аналитическую зависимость Ср от Ри и В, формула (8):
\5 „„.Лпл \4
Ср = (11957jD1'7525)(10,127(10Ри)5 - 28,084(10PH)4 +28,924(10РИ)3 - l4,009(l0P„)2 + 40,438РИ).
+
(8)
Для определения зависимости Qp=fCp,D) выразим D в уравнении (8), получим выражение, формула (9):
Г
У
D =
11957
Г0,127(l0Pu)5 - 28,084(l0Pu)4 + ' +28,924(10PU)3 - 14,009(10PU)2 + +40,438P
(9)
(10)
Подставим (9) в (7), получим: ер= 0,0001С рх
^ 13,44 (10Ри)5 -36,881(10Ри)4+ У
1,4-37,29 (10Ри )3 -17,378(10Ри )2 +45,301Ри)
^ 10,127 (10Ри)5 -28,084(10Ри)4 + V
1ч+28,924(10Ри)3 -14,009(10Ри)2 + 40,438РиУ1
Формула (10) применима в диапазоне значений избыточного давления газа 0<Ри<0,1 МПа, получена для природного газа с содержанием метана (СН4) - 86,5 %.
Расход метана в измеренном с утечкой газе определяется по формуле (11):
Q,
:рШ= 8,7 '10-5Ср х
Г 13,44(10P)5 -36,881(10P)4 +37,29(l0P„)3 -У t-17,378(l0p)2 + 45,301Ри )
Г 10,127(10р)5 -28,084(10Ри)4 +28,924(l0P„)3 -У ' -14,009 (l0P„)2 +40,438P„
(11)
Для определения расхода измеренного газа с утечкой необходим его компонентный состав. Расход по компонентам измеренного с утечкой газа определяется по формуле (12):
QniCH.)Хi
Q = Qр(С»,
QPi у
Лг,
(12)
где Х1 - концентрация /-го компонента газа, %; ХСщ -концентрация метана в составе измеренного с утечкой газа, %.
Аналитическое моделирование характеристик
при избыточном давлении в трубе 0,1<Ри<10,0 МПа
Характеристики расхода метана с утечкой для диапазона давлений 0,1<Ри<10,0 МПа получим расчетным методом по итоговой формуле (6) с учетом того, что расчетные данные хорошо соотносятся с экспериментальными.
На рис. 8 приведены зависимости расхода газа с утечкой в зависимости от избыточного давления и диаметра отверстий.
х
9,0
Ъ 8,0
х
7,0
£ 6,0 и
2 5,0
J? 4,0
sa з,0 2,0 1,0 0,0
Рис. 8. Fig. 8.
° D=0,01 мм О D=0,05 мм
D=0,1 мм X D=0,2 мм О D=0,25 мм Л D=0,35 мм
0 2 4 6 8 10
Избыточное давление, МПа
Характеристики расхода метана с утечкой в зависимости от избыточного давления в трубе и диаметра отверстий
Characteristics of methane flow with leakage depending on the excess pressure in the pipe and the diameter of the holes
Характеристики (рис. 8) представляют собой серию зависимостей от двух параметров: избыточного давления в трубе (Ри) и диаметра отверстия (В), ими-
Q =D2 (6,825,РИ +0,692). (13)
На рис. 9 проиллюстрирован графоаналитический
тирующего утечку. Произведя моделирование, полу- способ определения линейной концентрации метана в чим аналитическую зависимость Qp от Ри и В, форму- области утечки, основанный на экспериментальных
ла (13):
90000
£
а а 80000
со
га 70000
h
<L
%
cc 60000
s
J
ro
d 50000
I
<u
J i 40000
О
X
cc TO 30000
I
>5
<1! I 20000
c;
10000
данных.
—e-9
П D=0,01 мм О D=0,05 мм - D=0,1 мм X D=0,2 мм О D=0,25 мм О D=0,35 мм
0 2 4 6 8 10
Избыточное давление, МПа
Рис. 9. Графоаналитический способ определения линейной концентрации метана в области утечки, основанный на экспериментальных данных
Fig. 9. Graphoanalytical method for determining the linear methane concentration in the leakage area, based on experimental data
Путем моделирования характеристик (рис. 8) получим аналитическую зависимость Ср от Ри и В, формула (14):
Ср =Вг (67813,5РИ +3563,32). (14)
Для определения зависимости Qp=J(Cp, В) выразим В в формуле (14), получим выражение:
Q
с
т(СН4) (67813,5РИ + 3563,32)
(6,825РИ+0,692). (16)
D --
C
|(67813,5Ри + 3563,32)' Подставим формулу (15) в (13), получим:
(15)
Формула (16) применима в диапазоне значений избыточного давления газа 0,1<Ри<10,0 МПа, получена для метана (СН4). Для определения утечки компонентов природного газа используется формула (12).
На основе проведенных исследований аналитическая методика была реализована в виде программы Gas leaks для ПК Microsoft Windows 7, 10 (рабочее окно программы приведено на рис. 10), созданы приложения для смартфонов под Ios и Android.
0
Рис. 10. Рабочее окно программы Gas leaks с примером расчета Fig. 10. Gas leaks working window with calculation example
Разработанная методика применима для газов с любым компонентным составом, главное, чтобы в газе присутствовал метан, т. к. прибор Laser methan mini предназначен только для обнаружения метана в метаносодержащих газах. Программа позволяет пересчитать измеренные значения линейной концентрации метана в области утечки с использованием данных по компонентному составу газа с учетом плотности газа и давления в источнике в суммарный расход газа с утечкой в объемном или массовом выражении. Также выводятся сведения по расходу газа с утечкой раздельно по компонентам газа.
Преимуществом разработанной методики является возможность измерения объема утечки газа, содержащего токсичные компоненты. При измерении утечек газа, содержащего сероводород, данный метод будет безопасным для человека, т. к. измерение производится на удалении от места утечки бесконтактным способом. Измерения могут производиться также через стекло, через которое измерительный луч беспрепятственно проникает, что является еще одним достоинством метода, расширяя возможные области его применения на объектах нефтегазовой отрасли.
Предлагаемая методика может найти широкое применение на объектах, в технологических процессах которых используются углеводородные газы, в том числе с содержанием в своем составе токсичных компонентов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Парижское соглашение по климату. URL: http://docs.cntd.ru/ document/542655698 (дата обращения: 24.10.2020).
2. Постановление «О принятии Парижского соглашения» от 21 сентября 2019 года № 1228. URL: https://www.garant.ru/ products/ipo/prime/doc/72661694/ (дата обращения: 24.10.2020).
3. Стратегия долгосрочного развития российской федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года. URL: https://www.economy.gov.ru/material/file/babacbb75d32 d90e28d3298582d13a75/proekt_strategii.pdf (дата обращения: 24.10.2020).
4. De Oliveira Melo R., Costa M.G.F. Detecting natural gas leaks using digital images and novelty filters Filho C.F.F.C. // Lecture Notes in Computer Science. - 2012. - V. 7326 LNAI. - P. 242-249.
Выводы
1. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд, позволяющий моделировать утечки газа различной интенсивности. На стенде производятся количественные измерения объема утечек счетчиком расхода газа и линейной концентрации метана в области утечки лазерным детектором метана.
2. На экспериментальном стенде получены эмпирические данные по объему утечек и линейной концентрации метана в области утечки в зависимости от площади отверстия, моделирующего утечку различной интенсивности.
3. Разработаны аналитические зависимости расхода газа с утечкой от избыточного давления газа в источнике утечки и линейной концентрации метана в области утечки для двух режимов истечения газа, определяемых давлением газа Ри=0-0,1 МПа и Ри=0,1-10,0 МПа. Установлено, что относительная погрешность моделей не превышает 5 %.
4. Произведено сравнение расчетных данных с экспериментальными, полученным в промышленных условиях. Результаты сравнения расчетных данных с экспериментальными показывают, что различие в результатах не превышает 14 %.
5. Investigation of the spatial distribution of methane sources in the greater toronto area using mobile gas monitoring systems / S. Ars, F. Vogel, C. Arrowsmith, E. Knuckey, J Lavoie., C. Lee, N.M. Pak, J.L. Phillips, D. Wunch, S. Heerah // Environmental Science and Technology. - 2020. - V. 54. - № 24. - P. 15671-15679.
6. Акопова Г.С., Дорохова Е.В., Попов П.В. Оценка объемов потерь метана с утечками от технологического оборудования газотранспортных объектов ОАО «Газпром» // Охрана окружающей среды, энергосбережение и охрана окружающей среды в нефтегазовом комплексе: инновации, технологии, перспективы. - 2013. - № 2. - С. 63-67.
7. Лурье М.В., Мусаилов И.Т., Лысенко Н.О. Эффективный метод расчета утечек газа через сквозные отверстия в стенках газопроводов и сосудов высокого давления // Территория Нефтегаз. - 2020. - № 3-4. - С. 110-116.
8. Математическое моделирование утечки природного газа из трубопровода низкого давления / А.А. Паранук, П.С. Кунина, М.А. Меретуков, Р.Б. Кохужева, Е.В. Рябухин // Перспективы науки. - 2020. - № 11 (134). - С. 215-222.
9. Эминов Р.А., Мурсалов Н.З. Разработка новых методов обнаружения мест утечек углеводородного газа // Контроль. Диагностика. - 2019. - № 5. - С. 60-64.
10. СТО Газпром 027-2006. Типовая программа оценки эмиссии природного газа на объектах ОАО «Газпром». - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2006. - 43 с.
11. СТО Газпром 031-2007. Методика проведения измерений объемов эмиссии метана в атмосферу на объектах ОАО «Газпром». - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 39 с.
12. Natural gas leaks and tree death: a first-look case-control study of urban trees in Chelsea, MA USA / C. Schollaert, E. Polka, M.K. Scammell, R.C. Ackley, A. de Santis // Environmental Pollution. - 2020. - V. 263. - P. 114464.
13. Investigation of the spatial distribution of methane sources in the greater Toronto area using mobile gas monitoring systems / S. Ars, F. Vogel, C. Arrowsmith, E. Knuckey, J. Lavooe, C. Lee, N.M. Pak, J.L. Philips, D. Wunch, S. Heerah // Environmental Science and Technology. - 2020. - V. 54. - № 24. - P. 15671-15679.
14. Hou Q., Zhu W. An ekf-based method and experimental study for small leakage detection and location in natural gas pipelines // Applied Sciences (Switzerland). - 2019. - V. 9. - № 15. - P. 3193.
15. Lukonge A.B., Cao X., Pan Z. Experimental study on leak detection and location for gas pipelines based on acoustic waves
using improved Hilbert-Huang transform // Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice. - 2021. - V. 12. - № 1. -P. 40-45.
16. A review of methane gas detection sensors: recent developments and future perspectives / T. Aldhafeeri, M.-K. Tran, R. Vrolyk, M. Pope, M. Fowler // Inventions. - 2020. - V. 5. - № 3. - P. 1-18.
17. Gas leak detection by diode laser absorption spectrometry / R. Uhl, T. Reinhardt, U. Haas, J. Franzke // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. - 1999. - V. 54. - № 12. - P. 1737-1741.
18. Иванов Э.С., Китаев С.В. Ресурсосберегающая технология отключения участка магистрального газопровода в ремонт с выработкой газа компрессорной станцией на ГПА и потребителя через газораспределительную станцию // Территория Нефте-газ. - 2015. - № 6. - C. 40-46.
19. Гадельшина А.Р., Китаев С.В., Галикеев А.Р. Практическое решение задачи экономии природного газа путем выработки его разнотипными газоперекачивающими агрегатами, работающими по схеме в параллель // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2016. - № 1. -С. 5-8.
20. Ридель И.А., Дудин А.В. Инновационные методы реализации программы оценки объема эмиссии природного газа на объектах дочерней компании // Газовая промышленность. - 2019. -№ 3 (781). - С. 114-119.
Поступила 02.09.2021 г.
Информация об авторах
Байков И.Р., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой промышленной теплоэнергетики Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Китаев С.В., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры транспорта и хранения нефти и газа Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Шаммазов А.М., доктор технических наук, академик академии наук Республики Башкортостан; президент Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Зубаилов Г.И., кандидат технических наук, директор Научно-Технического центра «Оценка соответствия» АО «Гипрониигаз».
UDC 622.691.24
DEVELOPMENT OF A METHOD FOR DETERMINING INORGANIZED EMISSIONS OF NATURAL GAS TO THE ATMOSPHERE
Igor R. Baykov1,
pte@rusoil.net
Sergey V. Kitaev1,
svkitaev@mail.ru
Airat M. Shammazov21,
info@rusoil.net
Gadzhiakhmed I. Zubailov3,
adk_gadzi@niigaz.ru
1 Ufa State Petroleum Technical University,
1, Kosmonavtov street, Ufa, 450062, Russia.
2 Academy of Sciences of the Republic of Bashkortostan, 15, Kirov street, Ufa, 450008, Russia
3 Leading Research and Planning Institute on gas distribution, Giproniigaz PLC, 54, Kirov avenue, Saratov, 410012, Russia.
The relevance of research. Natural gas is currently the uncontested hydrocarbon resource used primarily as a fuel. The main component of natural gas is methane, its content in gas exceeds 95 %. When natural gas is transported through pipelines, fugitive emissions inevitably appear through detachable connections. Methane is a greenhouse gas and leads to climate warming. The Paris Agreement, ratified by Russia, provides for the reduction of greenhouse gas emissions to reduce the burden on the environment. The results discussed in the article are relevant, since these recommendations will improve the efficiency of control over fugitive emissions of methane into the environment.
The purpose of the research was to develop a method for determining the volume of natural gas leaks into the atmosphere through detachable leaky joints on gas pipelines using a laser methane detector that records the amount of leakage. The method involves the development of analytical models for converting the linear methane concentration in the area of the leak into volumetric values. Objects: an experimental setup designed to simulate natural gas leaks into the atmosphere. The stand allows simulating leaks of varying intensity using special replaceable plugs with holes of different diameters.
Methods. To substantiate the proposed provisions, the methods of least squares, asymptotic coordinates, and order statistics were used. Results. A technique for quantitative determination of methane emissions through detachable connections of a gas transmission system is presented. To develop the methodology, a laboratory stand was specially designed and manufactured, with the help of which empirical data were obtained for analytical models for converting the linear concentration of methane in the leakage area into volume concentration.
Key words:
Pipeline gas transportation, natural gas leaks, methane emission, laser detector, leak monitoring.
REFERENCES
Parizhskoe soglashenie po klimatu [The Paris Climate Agreement]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/542655698 (accessed 24 October 2020).
Postanovlenie «O prinyatii Parizhskogo soglasheniya» ot 21 sentyabrya 2019 goda № 1228 [Resolution «On the adoption of the Paris Agreement», September 21, 2019, no. 1228]. Available at: https://www.garant.ru/products/ ipo/prime/doc/72661694/ (accessed 24 October 2020).
Strategiya dolgosrochnogo razvitiya rossiyskoy federatsii s nizkim urovnem vybrosov parnikovykh gazov do 2050 goda [Strategy for the long-term development of the Russian Federation with a low level of greenhouse gas emissions until 2050]. Available at: https://www.economy.gov.ru/material/file/babacbb75d32d90e28d 3298582d13a75/proekt_strategii.pdf (accessed 24 October 2020). De Oliveira Melo R., Costa M.G.F. Detecting natural gas leaks using digital images and novelty filters Filho C.F.F.C. Lecture Notes in Computer Science, 2012, vol. 7326 LNAI, pp. 242-249. Ars S., Vogel F., Arrowsmith C., Knuckey E., Lavoie J., Lee C., Pak N.M., Phillips J.L., Wunch D., Heerah S. Investigation of the spatial distribution of methane sources in the greater toronto area using mobile gas monitoring systems. Environmental Science and Technology, 2020, vol. 54, no. 24, pp. 15671-15679.
6.
10
11
Akopova G.S., Dorokhova E.V., Popov P.V. Estimation of methane losses with leaks from technological equipment of Gazprom gas transportation facilities. Environmental protection, energy saving and environmental protection in the oil and gas complex: innovations, technologies, prospects, 2013, no. 2, pp. 63-67. In Rus. Lurie M.V., Musailov I.T., Lysenko N.O. An effective method for calculating gas leaks through through holes in the walls of gas pipelines and high-pressure vessels. Territory Neftegaz, 2020, no. 3-4, pp. 110-116. In Rus.
Paranuk A.A., Kunina PS, Meretukov M.A., Kokhuzheva R.B., Ryabukhin E.V. Mathematical modeling of natural gas leakage from a low-pressure pipeline. Prospects for science, 2020, no. 11 (134). pp. 215-222. In Rus.
Eminov R.A., Mursalov N.Z. Development of new methods for detecting leaks of hydrocarbon gas. Control. Diagnostics, 2019, no. 5, pp. 60-64. In Rus.
STO Gazprom 027-2006. Tipovaya programma otsenki emissii prirodnogo gaza na obektakh OAO «Gazprom» [STO Gazprom 027-2006. A standard program for assessing natural gas emissions at Gazprom facilities]. Moscow, LLC «IRC Gazprom» Publ., 2006. 43 p.
STO Gazprom 031-2007. Metodika provedeniya izmerenij obemov emissii metana v atmosferu na obektakh OAO «Gazprom» [STO Gazprom 11-2005. Methodological guidelines for the calculation
of gross emissions of hydrocarbons (in total) into the atmosphere in JSC «Gazprom»]. Moscow, LLC «IRC Gazprom» Publ., 2005. 39 p.
12. Schollaert C., Polka E., Scammell M.K., Ackley R.C., DeSantis A. Natural gas leaks and tree death: a first-look case-control study of urban trees in Chelsea, MA USA. Environmental Pollution, 2020, vol. 263, pp. 114464.
13. Ars S., Vogel F., Arrowsmith C., Knuckey E., Lavooe J., Lee C., Pak N.M., Philips J.L., Wunch D., Heerah S. Investigation of the spatial distribution of methane sources in the greater toronto area using mobile gas monitoring systems. Environmental Science and Technology, 2020, vol. 54, no. 24, pp. 15671-15679.
14. Hou Q., Zhu W. An ekf-based method and experimental study for small leakage detection and location in natural gas pipelines. Applied Sciences (Switzerland), 2019, vol. 9, no. 15, pp. 3193.
15. Lukonge A.B., Cao X., Pan Z. Experimental study on leak detection and location for gas pipelines based on acoustic waves using improved Hilbert-Huang transform. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, 2021, vol. 12, no. 1, pp. 40-45.
16. Aldhafeeri T., Tran M.-K., Vrolyk R., Pope M., Fowler M. A review of methane gas detection sensors: recent developments and future perspectives. Inventions, 2020, vol. 5, no 3, pp. 1-18.
17. Uhl R., Reinhardt T., Haas U., Franzke J. Gas leak detection by diode laser absorption spectrometry. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 1999, vol. 54, no. 12, pp. 1737-1741.
18. Ivanov E.S., Kitaev S.V. Resource-saving technology of the main gas pipeline section in repair with the production of gas compressor station on the GPU and consumer through a gas distribution station. Territory Neftegaz, 2015, no. 6, pp. 40-46. In Rus.
19. Gadelshina A. R., Kitaev S. V., Galikeev A. R. Practical solution of the problem of saving natural gas by producing it with different types of gas pumping units operating according to the scheme in parallel. Transportation and storage of petroleum products and hydrocarbon raw materials, 2016, no. 1, pp. 5-8. In Rus.
20. Ridel I.A., Dudin A.V. Innovative methods for implementing the program for assessing the volume of natural gas emissions at the facilities of a subsidiary company. Gas Industry, 2019, no. 3 (781), pp. 114-119. In Rus.
Received: 2 September 2021.
Information about the authors
Igor R. Baykov, Dr. Sc., professor, head of the Industrial Heat Power Engineering Department, Ufa State Petroleum Technical University.
Sergey V. Kitaev, Dr. Sc., professor, Ufa State Petroleum Technical University.
Airat M. Shammazov, Dr. Sc., academician, Academy of Sciences of the Republic of Bashkortostan; president, Ufa State Petroleum Technical University.
Gadzhiakhmed I. Zubailov, Can. Sc., director, Scientific and Technical Center «Conformity Assessment» of JSC «Giproniigaz».
