مدل‌سازی تغییرپذیری زمانی در بیان سطح بالای نشت متان: مدل ESCAPE

[khodaieehsan78@gmail.com]

چکیده
نشت در شبکه های توزیع گاز طبیعی اغلب در ابتدا توسط بو تشخیص داده می شود و سپس در طی بررسی های پیاده روی اپراتورها محلی سازی می شود. اندازه بهبود شناسایی شده و نزدیکی نشتی به زیرساخت برای تعیین شدت نشت نشتی و سرعت تعمیر آن استفاده می شود. افزایش متان (CH4) در سطح بالای نشت با شرایط جوی تغییر می کند، اما در حال حاضر ارزیابی شدت نشت بدون در نظر گرفتن شرایط محیطی انجام می شود و می تواند منجر به تشخیص اشتباه نشت شود. این مطالعه مدل "ESCAPE" را توسعه داده است، ابزاری که می تواند برای تخمین بهبود CH4 در سطح بالای یک نشت با استفاده از داده های هواشناسی و نشت به عنوان ورودی استفاده شود. غلظت سطحی CH4 محاسبه شده با استفاده از مدل ESCAPE به خوبی با اندازه گیری های انجام شده در طول آزمایش های کنترل شده مطابقت دارد (m = 0.95 و R2 = 0.95). این مطالعه تأثیر ریز هواشناسی را بر انتقال گاز از سطح به اتمسفر نشان می‌دهد، جایی که سطح و شرایط جوی بیشترین تأثیر را بر شار دارند. در اینجا، توصیه هایی برای بهبود بهترین شیوه های صنعت، از جمله ثبت شرایط هواشناسی در زمان تشخیص نشت، پرهیز از بررسی های پیاده روی در روزهایی که بادهای شدید یا تابش شدید خورشیدی وجود دارد و اینکه مکان های نشت شناخته شده باید دوباره بازدید و اندازه گیری شوند، ارائه می شود. شرایط کاهش انتشار CH4 از شبکه توزیع گاز یک هدف مقرون به صرفه و از نظر اقتصادی واقعی است. اپراتورهای توزیع را می توان با خروجی مدل ESCAPE هدایت کرد تا بزرگترین نشت های توزیع را به درستی شناسایی و تعمیر کنند و می توانند انتشار سالانه CH4 را تا 0.69 Tg کاهش دهند، این ممکن است تا حدودی به کاهش انتشار بخش انرژی مطابق با توافق نامه پاریس کمک کند.
 معرفی
 حمل و نقل گاز طبیعی به طور کلی به سه بخش تقسیم می شود. خطوط لوله جمع آوری گاز را از چاه های تولیدی و پدهای چاه جمع آوری می کند و گاز را به کارخانه های فرآوری و سیستم های انتقال انتقال می دهد. خطوط لوله انتقال گازها را با فشار بالا (3500 تا 9600 کیلو پاسکال) در فواصل قاره ای و همچنین یکپارچه سازی ذخیره سازی گاز، نیروگاه های برق و تاسیسات صنعتی حمل می کنند. در نهایت، خطوط لوله توزیع، گاز را از سیستم‌های انتقال به کاربران نهایی مسکونی و تجاری منتقل می‌کنند که معمولاً در فشارهای متوسط و پایین (1.5 تا 2000 کیلو پاسکال) کار می‌کنند. شبکه توزیع در مناطق مسکونی معمولاً کمتر از 400 کیلو پاسکال کار می کند. گاز منتقل شده در سیستم های انتقال و توزیع دارای ترکیبی استاندارد شده است که عمدتاً متان با اتان 0 تا 10 درصد و غلظت کم سایر هیدروکربن ها تشکیل شده است. در مقابل، سیستم‌های جمع‌آوری طیف گسترده‌ای از ترکیبات گازی با متان را حمل می‌کنند
در برخی از سیستم ها غلظت آن به 50 درصد می رسد. فقط سیستم‌های توزیع گاز مرکاپتان را در غلظت‌های کمتر از 10 ppm و معمولاً بین 3 تا 4 ppm استشمام می‌کنند (Rosmarie Halchuk، XCEL Energy، pers.comm.)، اگرچه گاز سیستم جمع‌آوری ممکن است حاوی ترکیبات معطر طبیعی باشد.
خطوط لوله گاز ممکن است به دلیل خوردگی، عوامل استرس زای خارجی یا عوامل دیگر نشت کنند. خرابی خطوط لوله فشار بالا معمولاً منجر به خرابی های آبشاری می شود که به سرعت شناسایی، کنترل و تعمیر می شوند. در مقابل، شناسایی نشت‌های کوچکتر از شبکه‌های توزیع دشوارتر است و ممکن است بدون بررسی‌های هدفمند شناسایی نشت مورد توجه قرار نگیرد. در حالی که این نشت‌ها گاز کمتری نسبت به خطوط لوله فشار قوی آزاد می‌کنند، نزدیکی به سازه‌ها ممکن است هنگام مهاجرت گاز به فضاهای بسته مانند زه‌کشی طوفان، زیرزمین، پایه‌ها یا مجرای تاسیسات، شرایط به همان اندازه خطرناک ایجاد کند. متان در غلظت‌های بین 4 تا 17 درصد، سبک‌تر از هوا است، و حتی نشت‌های کوچک CH4 می‌توانند در فضاهایی که حرکت عمودی گاز مسدود شده است به غلظت‌های انفجاری برسد. نشت گاز به طور متوسط سالانه منجر به 155 انفجار یا آتش سوزی در سال در ایالات متحده شده است (PHMSA, 2021). تخمین زده می شود که در پاریس 56 درصد از انتشارات قابل تشخیص از زمین ناشی از انتشارات شبکه توزیع گاز طبیعی با مجموع انتشار ~1 Gg در سال است (Defratyka et al., 2021). در سال 2020، حدود 630000 نشت در شبکه های توزیع ایالات متحده وجود داشت که منجر به انتشار متان 0.69 Tg در سال شد (ولر و همکاران، 2020). نشت از شبکه توزیع گاز به افزایش رشد CH4 جوی از 1775ppb در سال 2006 به 1850ppb در سال 2017 کمک می کند (Nisbet et al., 2019)، یک منبع فرار CH4 است که می تواند با یک رویکرد هدفمند برای شناسایی و تعمیر کاهش یابد. بزرگترین نشت ها (معزاللهی و همکاران، 2020؛ ولر و همکاران، 2020)، و به عنوان یک هدف خوب برای کاهش انتشار CH4 از سوخت های فسیلی در صورت تحقق توافق نامه پاریس شناسایی شده اند (Nisbet et al., 2019). ).

در حالی که بسیاری از نشتی ها در شبکه توزیع توسط مردم گزارش یک بو شناسایی می شوند، بررسی های پیاده روی معمولا توسط شرکت های توزیع برای تعیین محل نشتی استفاده می شود. مرکاپتان را می‌توان با غلظت‌های کمتر از 1ppb توسط بینی انسان تشخیص داد و به جای ابزار دقیق، ممکن است در بسیاری از زمینه‌ها هنگامی که غلظت گاز طبیعی بالاتر از 100 ppm باشد، نشت توسط ماده بویایی به تنهایی تشخیص داده شود. با این حال، این یک مشاهده حضور/غیاب است و نقشه برداران از حسگرهای گاز برای اندازه گیری کمی افزایش غلظت هیدروکربن در سطح استفاده می کنند و به نوبه خود، شدت نشت را ارزیابی می کنند. شدت با در نظر گرفتن اندازه و غلظت تخمینی نشت و نزدیکی آن به سازه ها تعیین می شود. یکی از مشکلات بالقوه بررسی های پیاده روی این است که جمع آوری گاز در سطح یک فرآیند پویا است و تغییرات در شرایط زیرسطحی و جوی می تواند غلظت سطح را به طور قابل توجهی تغییر دهد (چو و همکاران، 2020؛ اولریچ و همکاران، 2019). یک مطالعه اخیر از یک بررسی پیاده روی برای تشخیص افزایش متان تا 100ppb در Oktoberfest مونیخ در سال 2018 استفاده کرد (چن و همکاران، 2020). فناوری‌های مختلفی وجود دارد که می‌توان از آنها برای تشخیص نشت نفت، گاز، آب تولید شده و میعانات گازی از منابع زیرزمینی استفاده کرد. راه حل ها شامل سیستم های حسگر ثابت است که در داخل یا خارج لوله نصب می شوند و همچنین ابزارهای متحرک داخلی که پس از نصب خط لوله مستقر می شوند. تجزیه و تحلیل جامعی از چنین فناوری های تشخیصی توسط شاو و همکاران ارائه شده است. (2012)، هنری و همکاران. (2016) و زیمرل و همکاران. (2017). به ویژه برای تشخیص نشت برای خطوط توزیع، روش های تشخیص نشت گاز بالای زمین در درجه اول استفاده می شود. بررسی های پیاده روی روش اصلی مورد استفاده برای تشخیص نشت است. برخی از شرکت‌ها با استفاده از آنالایزرهای گاز ردیابی، بررسی‌های رانندگی را آزمایش می‌کنند. بررسی‌های هوایی یا رانندگی معمولاً برای تشخیص نشت در شبکه‌های انتقال گاز استفاده می‌شوند، جایی که حق تقدم طولانی این روش‌ها را کاربردی‌تر می‌کند. آزمایش‌های گذرا، مانند آزمایش‌هایی که در شبکه‌های آب استفاده می‌شوند، معمولاً در خطوط لوله گاز که در آن جریان قابل تراکم است، اعمال نمی‌شوند. برای درک بهتر تغییرپذیری در غلظت CH4 سطح، می توان از قیاس قانون اهم برای پیش بینی اندازه انتشار گاز از سطح استفاده کرد (Neirynck و همکاران، 2007؛ Nemitz و همکاران، 2000؛ Riddick و همکاران، 2017؛ ساتون و همکاران. همکاران، 1998؛ ژانگ و همکاران، 2002). جریان گاز از نشتی به اتمسفر (Q) را می توان از تفاوت در نسبت اختلاط گاز بین نشت (Xl) و جو (Xat) و مقاومت ترکیبی در برابر جریان گاز در خاک (Rs) و جو (موش) . در اینجا، ما تصدیق می کنیم که خاک نه تنها در برابر جریان CH4 مقاوم است، بلکه یک فرورفتگی نیز دارد زیرا باکتری های متانوتروف می توانند گاز را هنگام عبور از خاک، با توجه به زمان ماندگاری کافی، مصرف کنند.

2. روش ها

 2.1. مدل سازی غلظت سطح

 2.1.1. پایین تر از نرخ جریان گاز سطحی

 برای نشت های کوچکی که در اینجا در نظر گرفته شده است، جریان گاز در زیر زمین با انتشار محدود می شود - انتقال انتقالی تنها بر ناحیه کوچکی در منبع نشت تأثیر می گذارد - جایی که سرعت انتشار یک گاز در یک خاک متخلخل تابعی از گرادیان غلظت گاز است. (ژوری و همکاران، 1991؛ وانگ و همکاران، 2014) و جذب متانوتروفیک میکروبی CH4. جریان انتشاری را می توان با استفاده از قانون فیک محاسبه کرد (معادله (2))، که در آن شار انتشار در فاصله x از نشتی (fdx، gm- 2 s- 1) حاصل ضرب گرادیان غلظت در x از نشت است (▽ Cx، gm-4) و ضریب انتشار (Dp، m2 s-1) و جریان گاز از نشت به سطح را می توان با شبیه سازی های عددی پیچیده محاسبه کرد (Buet al., 2021؛ Hou and Yuan, 2021؛ Wang et al. .، 2021)

2.1.2. مقاومت بالای سطح

مقاومت کل اتمسفر (Rat, ms-1) مجموع مقاومت لایه مرزی (Rb, ms-1) و مقاومت آیرودینامیکی (Ra, ms-1) است. مقاومت لایه مرزی (Rb، m s-1) چگونگی انتشار گاز را در زیر لایه شبه لایه‌ای پوشش گیاهی در سطح توصیف می‌کند .این حاصل ضرب سرعت اصطکاک (u*, ms-1) و لایه مرزی شماره استانتون (B) است (Nemitz و همکاران، 2000؛ ساتون و همکاران، 1993).

 

2.1.3. مدل سازی نسبت های اختلاط سطحی

 با استفاده از قیاس قانون اهم (معادله (8)) سپس نسبت اختلاط سطحی (Xx، ppm) را از Fx و Rat محاسبه می کنیم و نسبت اختلاط CH4 جوی پس زمینه (Xat) را 1.88 ppm در نظر می گیریم (Dlugokencky، 2020). از این پس از این مدل به عنوان مدل ESCAPE (تخمین غلظت سطح بالای انتشارات خط لوله) یاد می شود.
2.2. اعتبارسنجی مدل ESCAPE
 2.2.1. داده های ورودی به مدل ECSAPE
 مدل ESCAPE به ورودی‌های داده‌های متغیر زمان سرعت باد و کلاس پایداری پاسکیل گیفورد (PGSC) نیاز دارد، که در آن PGSC تابعی از سرعت باد و تابش خورشیدی است (Seinfeld and Pandis, 2016). سرعت باد، طول ناهمواری و طول Monin-Obukhov در محل با استفاده از بادسنج مدل 81000 (R. M. Young، Traverse City، USA) اندازه‌گیری شد. نرخ نشتی با تنظیم فشار بالادست یک روزنه دقیق در مرکز ارزیابی فناوری انتشار متان (METEC) در دانشگاه ایالتی کلرادو در فورت کالینز، ایالات متحده آمریکا (به (بل و همکاران، 2020) برای یک سیستم کنترل از قبل تعیین و کنترل شد. شرح). نشتی ها با استفاده از لوله های فولادی ضد زنگ 0.25 اینچی نصب شده در 1 متر زیر خاک در METEC 12 ماه قبل شبیه سازی شدند (Mitton, 2018).
2.2.2. اندازه گیری پیشرفت های سطحی
 برای اعتبارسنجی خروجی مدل ESCAPE، اندازه‌گیری‌های نسبت اختلاط CH4 مطابق با تخمین‌های مدل‌سازی شده روی سطح در مجاورت محل نشت، در دو مرحله انجام شد. ابتدا، یک روور گازی Bascom-Turner (Bascom Turner Instruments VGI-201، دقت 2% خواندن ± 20 ppm در 1 هرتز) برای یافتن بالاترین غلظت استفاده شد. این موقعیت به عنوان نقطه مرجع برای بقیه اندازه گیری ها در نظر گرفته شد و از این پس به عنوان "تمرکز" نامیده می شود. سپس یک شبکه شعاعی، که با استفاده از قطب نما با 45 درجه از هم جدا شده بود، با استفاده از فوکوس به عنوان مرکز با نقاط اندازه گیری مشخص شده در هر نیم متر، قرار گرفت. حداقل، 24 اندازه گیری سطح برای هر آزمایش انجام شد. دوم، اندازه‌گیری‌های سطح با فشار ملایم فنجان لاستیکی کاوشگر گازی روی سطح در هر موقعیت شعاعی به مدت 2 دقیقه انجام شد. برای کاهش تعصب به عنوان سنسورها به تعادل، مخلوط کردن
نسبت اندازه گیری های مورد استفاده برای این مطالعه به عنوان میانگین دقیقه آخر هر اندازه گیری در نظر گرفته شد. علاوه بر داده‌های نسبت اختلاط CH4 در سطح مشترک زمین/هوا، سرعت باد، جهت باد، دمای هوا، دمای سطح، فشار اتمسفر، طول ناهمواری و طول Monin-Obukhov همگی در محل، 1.5 متر بالاتر از سطح زمین اندازه‌گیری شدند. AGL). اندازه‌گیری نسبت اختلاط سطحی برای 24 نشتی، در محدوده 4 تا 270 گرم در ساعت، پس از انتشار حالت پایدار (حداقل 24 ساعت پس از شروع نشت) انجام شد. علاوه بر این، برای بررسی عملکرد مدل ESCAPE آزمایش‌هایی در شرایط مختلف هواشناسی انجام شد. از آنجایی که این آزمایش ها با استفاده از یک بستر آزمایش خاک زیرزمینی انجام شد، اثرات نوع خاک بررسی نشد. برای مقایسه مستقیم با نسبت‌های اختلاط سطحی CH4 مدل‌سازی‌شده، از میانگین هشت نسبت اختلاط شعاعی در همان فاصله استفاده شد. گرادیان خط بهترین تناسب بین نسبت‌های اختلاط مدل‌سازی‌شده و اندازه‌گیری‌شده، ضریب تعیین (R2) و p-value به‌عنوان معیار برای تعیین اینکه مدل ESCAPE چقدر نسبت‌های اختلاط سطح CH4 را در فواصل از کانون پیش‌بینی می‌کند، استفاده شد.
2.3. آزمایش افراط در افزایش سطح
برای بررسی امکان سیگنال‌دهی نادرست در طول بررسی‌های پیاده‌روی، از مدل ESCAPE برای پیش‌بینی چگونگی تغییر نسبت‌های اختلاط سطحی در شرایط آب و هوایی در محدوده‌های شدید ورودی مدل‌سازی استفاده کردیم. دو سناریوی انتشار مورد استفاده عبارت بودند از: یک نشت بزرگتر از متوسط 80 gh-1 و یک نشت کوچک gh-1 4. سرعت باد از 0.5 تا 7.5 ms-1 متغیر بود، PGSC از A تا G، طول مونین-اوبوخوف از - 11 تا 5 متر و طول زبری از 0.0001 متر (برف) تا 0.1 متر (مزارع گندم) (Seinfeld and Pandis, 2016).

منبع : journal homepage: www.elsevier.com/locate/jngse