Verwendung von optischer Gasdetektion zur Einhaltung der OOOOa-Vorschriften: Eine Fallstudie

Erdgasverdichterstationen müssen die neuen EPA-Vorschriften für Inspektionen, bekannt als Quad OA, erfüllen. Die optische Gasdetektion bietet eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit, um diese Anforderungen zu erfüllen.

Im Juni 2017 traten neue Vorschriften der Umweltschutzbehörde
zur Überwachung von Erdgasverdichterstationen in Kraft. Die Vorschriften verlangen vierteljährliche Kontrollen auf Methanlecks an allen Verdichterstationen, die seit September 2015 neu gebaut oder umgebaut wurden. Während das Hauptanliegen der EPA darin besteht, die Emissionen von Methan, einem starken Treibhausgas, zu reduzieren, zeigen Erfahrungen, dass regelmäßige Tests mit Infrarotkameras (Infrared, IR) Unternehmen Geld sparen und die Sicherheit der Mitarbeiter verbessern können.

Die neue Vorschrift heißt „Öl- und Erdgassektor: Emissionsstandards für neue, umgebaute und modifizierte Quellen“ und wird von der EPA als Unterabschnitt OOOOa zu 40 CFR Teil 60 bezeichnet. Sie ist weithin als Quad OA bekannt. Gemäß der Verordnung haben Verdichterstationen verschiedene Möglichkeiten, die erforderliche Überwachung durchzuführen.
Eine Möglichkeit ist Methode 21, eine ältere Technologie, bei der ein „Schnüffler“ eingesetzt wird, um das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffgasen zu erkennen und in Teilen pro Million zu melden. Die modernere Option, die von der EPA als „bestes System zur Emissionsreduzierung“ bezeichnet wird, ist die optische Gasbildgebung, bei der eine Infrarotkamera eingesetzt wird, um Gasfahnen zu erkennen,
die aus Rohren und Geräten austreten. Bei der optischen Gasbildgebung werden Spektralfilter eingesetzt, um die vom Gas absorbierten Infrarotwellenlängen zu erfassen, sodass der Benutzer ansonsten unsichtbare Gase visuell darstellen kann.

Eine Erdgasverdichterstation hat viele Nähte und Verbindungen, die zu Gaslecks führen können

Eine bessere Technik

Die optische Gasdetektion hat gegenüber der Methode 21 einige Vorteile. Die wahrscheinlich wichtigsten besteht darin, dass die Inspektoren tatsächlich sehen können, woher das Gas kommt, und das Leck lokalisieren können, beispielsweise an einem Ventil oder einer Rohrverbindung, wodurch es einfacher zu finden und zu reparieren ist. Methode 21 gibt nur die Methankonzentration in der Luft an dem Ort an, an dem der Test durchgeführt wird, kann jedoch keine Informationen über die Geschwindigkeit oder Richtung des Gasflusses liefern, was die Suche nach der Quelle des Lecks erschwert.

Ein weiterer Vorteil der optischen Gasdetektion besteht darin, dass der Prüfer aufgrund der visuellen Methode einen gesamten Schauplatz von einem bestimmten Aussichtspunkt aus untersuchen kann. Methode 21 erfordert physischen Kontakt mit jeder potenziellen Quelle des Lecks, jeder Rohrnaht und -verbindung und jedem Ventil. Einige davon sind nicht leicht zugänglich, und es ist zeitaufwendig, jedes einzelne Gerät zu berühren. Wenn der Prüfer gründlich arbeitet, kann er an einem Tag vielleicht 500 Komponenten überprüfen. Wenn eine Verdichteranlage beispielsweise 6.000 Komponenten hat, würde ein einzelner Techniker 12 Tage brauchen, um sie alle zu testen. Eine optische Gasdetektionskamera, die an verschiedenen Stellen in der Anlage anhält, um einen großen Bereich zu untersuchen, könnte die Aufgabe in weniger als einem Tag erledigen.

Die Kamera liefert keine quantitative Messung des Lecks, obwohl die Größe einer Gasfahne eine Vorstellung vom Gasvolumen vermittelt. Ein erfahrener Kameramann kann eine qualitative Bewertung der Leckgröße (klein, mittel, groß, sehr groß) oder sogar eine geschätzte Leckrate vornehmen und so zusätzliche Informationen zur Priorisierung von Leckreparaturen bereitstellen. Wenn ein Stationsbetreiber jedoch eine Zahl nennen möchte, kann er den Schnüffler an der von der Kamera identifizierten Leckstelle verwenden und so eine Messung in Teilen pro Million erhalten, ohne viel Zeit mit der Suche nach Lecks zu verbringen. Nach Abschluss der Reparaturarbeiten können die Anlagenbetreiber diese
durch eine weitere Kamerainspektion bestätigen oder einen Blasentest durchführen, bei dem ein Tensid auf die undichte Stelle aufgetragen wird, um zu sehen, ob Gas austritt, das Blasen in der Lösung verursacht.

Eine Fallstudie

Um die Auswirkungen der Umsetzung dieser neuen Vorschriften zu messen, sammelte Target Emission Services, ein Auftragnehmer, der Inspektionen zur Lecksuche und -reparatur in Verdichteranlagen durchführt, Daten aus mehreren Inspektionen. Die Ergebnisse der optischen Gasbildgebung zeigten, dass die Unternehmen nicht nur die EPA-Vorschriften einhalten konnten, sondern auch wirtschaftliche Vorteile für die Unternehmen ergaben. In den vier Quartalen des Jahres 2017 und im ersten Quartal 2018 führte Target insgesamt 224 Inspektionen in 104 Einrichtungen in neun verschiedenen Bundesstaaten durch, die fünf Verdichterunternehmen gehörten. Es gab durchschnittlich 2,4 Verdichter pro Anlage. Jedes Überwachungsereignis wurde von einem Techniker durchgeführt, der mindestens 1.000 Stunden Erfahrung in der optischen Gasdetektion vorweisen konnte. Sie verwendeten eine FLIR GF320-Kamera mit einem spektral gefilterten Indiumantimonid-Detektor und einer Auflösung von 320 × 240 Pixeln. Die Kamera wurde im Hochempfindlichkeitsmodus zur verbesserten Leckerkennung eingesetzt.

Lecks von klein bis groß

Die Schwere eines Lecks wird durch die Gasdurchflussrate charakterisiert. Der Gasdurchfluss wird nicht
von der Kamera gemessen, sondern von einem Hi-Flow-Probenehmer. Ein Wert von weniger als 0,0028 m³/min
gilt als geringer Schweregrad, von 0,0028 bis 0,014 m³/min als mittlerer
und mehr als 0,014 m³/min als hoher Schweregrad. Die Inspektorinnen und Inspektoren entdeckten dabei insgesamt 1.977
Lecks. 65 % bzw. 1.291 Lecks waren von geringem Schweregrad, Weitere 32 Prozent oder 630 waren mittelschwer. 3 % bzw. 56 Lecks waren von hohem Schweregrad. Das kleinste entdeckte Leck maß nur 0,0028 m³/min, während das größte 0,22 m³/min erreichte.

0,03 Kubikmeter pro Minute entweichendes Gas verursacht Kosten von etwa 1.600 US-Dollar pro Jahr. 0,22 m³/min bedeuten also einen Gasverlust im Wert von mehr als 12.500 US-Dollar pro Jahr.

Tabelle 1. Die durchschnittlichen und insgesamt überwachten Lecks in fünf Quartalen der Jahre 2017 und 2018.

Quelle: Target Emission Services.

Während Zahlen wie diese darauf hindeuten, dass die größte Rendite durch das Auffinden und
Reparieren der größten Lecks erzielt wird, ist es wichtig zu beachten, dass die große Anzahl
kleiner Lecks in etwa der geringeren Anzahl großer Lecks entsprach, die jeweils
etwa 27 Prozent des Gasverlusts ausmachten, während die mittleren Lecks die anderen 45 Prozent ausmachten.

Bei den Inspektionen wurden durchschnittlich 19 Lecks pro Einrichtung und neun Lecks pro Untersuchung festgestellt. Die durchschnittliche Gesamtleckrate pro Einrichtung betrug 0,86 m³/min.

Beträchtliche Einsparungen

Die wirtschaftlichen Vorteile lagen auf der Hand. Die durchschnittlichen Überwachungskosten pro Umfrage beliefen sich auf
1.220 $ und die Reparaturkosten auf 450 $. Das führt zu einer jährlichen Gaseinsparung von
1.609 $ pro Jahr, und die durchschnittliche Lebensdauer einer Reparatur beträgt zwei Jahre. Die Anwendung des Netto-Gegenwartswerts mit einem Abschlag von 10 Prozent – eine Methode zum Vergleich des Gegenwartswerts der ausgegebenen Gelder mit dem Wert, den sie in Zukunft hätten, wenn sie investiert würden – auf den Wert des eingesparten Gases ergibt einen Nutzen von 1.122 US-Dollar pro Umfrage. (Siehe Tabelle 1.)

In allen Einrichtungen wurde jährlich Gas im Wert von insgesamt mehr als 360.000 US-Dollar eingespart,
was einem Nettogewinn von mehr als 251.000 US-Dollar entspricht. Unternehmen müssten
die regulatorischen Anforderungen erfüllen, unabhängig davon, ob sie Einsparungen erzielen oder nicht,
sodass die Viertelmillion Dollar als Bonus betrachtet werden könnten.

Mehr Sicherheit, weniger Emissionen

Monetäre Erträge sind nicht der einzige Vorteil der Überwachung. Ein weiterer Grund ist die verbesserte Sicherheit. Von allen gefundenen Lecks wurden 22 als potenzielle Sicherheitsrisiken eingestuft. Sieben davon waren hochgefährlich und drei wurden als extrem eingestuft. Lecks gelten als gefährlich, wenn sie zu hohen Gaskonzentrationen führen, die sich der unteren Explosionsgrenze nähern, der Konzentration, bei der das Gas entflammen
kann. Hohe Konzentrationen können eine Brand- oder Explosionsgefahr darstellen, daher ist es äußerst wichtig, solche Lecks zu entdecken, bevor sie zu einem solchen Problem führen.

Die Lecks können auch eine Gefahr für das Personal darstellen. Ungefähr 60 Prozent dieser
Lecks wurden in Bereichen gefunden, in denen Anlagenbetreiber oder Wartungspersonal tätig waren. Die Einrichtungen wussten nichts von diesen Lecks, obwohl sie über Gaswarngeräte in ihren Gebäuden verfügten.

Und schließlich gibt es noch den Vorteil der Emissionsreduzierung. Die EPA möchte Lecks aufdecken, um die Menge des in die Atmosphäre freigesetzten Methans zu reduzieren. Die bei diesen Inspektionen entdeckte Gesamtmenge an Methan entsprach 59.000 Tonnen Kohlendioxid pro Jahr.

Verbesserung im Laufe der Zeit

Wie bei einem neuen Programm zu erwarten war, wurden bei den ersten Inspektionen im Allgemeinen die meisten Lecks gefunden,
während bei den nachfolgenden Untersuchungen weniger Lecks auftraten. Die durchschnittliche Veränderung
der Anzahl der Lecks zwischen den Erhebungen betrug einen Rückgang von 18 Prozent, wobei die Leckrate um durchschnittlich 23 Prozent sank. Das kann jedoch von Einrichtung zu Einrichtung sehr unterschiedlich sein. Der größte Anstieg bei der Zählung zwischen den Umfragen betrug 1.066 Prozent und der größte Anstieg bei der Rate betrug 3.800 Prozent. Am anderen Ende der Skala lag der größte Rückgang bei 90 Prozent und der größte Ratenrückgang bei 96,9 Prozent. Nur 5 Prozent der Lecks traten erneut auf. (Siehe Abbildung 1.)

Abbildung 1. Sowohl die Anzahl als auch die Rate der Lecks nahmen in der Regel von der ersten bis zur vierten Inspektion in den inspizierten Kompressionsanlagen ab. Quelle: Target Emission Services.

Ein Großteil des Anstiegs lässt sich darauf zurückführen, dass einige Anlagen zum Zeitpunkt der Inspektion nicht in Betrieb waren, was häufig darauf zurückzuführen war, dass die Nachfrage nach Erdgas
aufgrund der Jahreszeit geringer war. Bei einer anschließenden Untersuchung,
bei der die Ausrüstung in Betrieb und unter Druck stand, wäre natürlich eine höhere Rate an Lecks zu finden
gewesen. Es könnten auch nach dem Zerlegen und Zusammenbauen der Ausrüstung neue Lecks auftreten. Ohne diese Änderungen des Betriebsstatus stellten die Umfragen im Allgemeinen eine Verringerung der Lecks von einer Inspektion zur nächsten fest. Zum Zeitpunkt der vierten vierteljährlichen Inspektion – bei den Einrichtungen, die viermal inspiziert wurden – war die Leckrate auf ein „stabiles Niveau“ oder ein Wartungsniveau gesunken.

Ein wichtiger Aspekt bei der Überprüfung von Lecks ist die Berichterstattung und Nachverfolgung von Ergebnissen
und Reaktionen. Target stellte fest, dass die überwiegende Mehrheit der entdeckten Lecks innerhalb der in den Vorschriften vorgeschriebenen 30 Tage repariert wurden. Ganze 10 Prozent wurden sofort nach der Entdeckung repariert; oft musste dazu nur eine Verbindung festgezogen werden. Weitere 9 Prozent wurden innerhalb von fünf Tagen repariert, 21 Prozent innerhalb von 15 Tagen und 54 Prozent innerhalb von 16 bis 30 Tagen. Einige besonders knifflige Probleme, die nicht innerhalb eines Monats behoben werden können, können als „Reparaturverzögerung“ (Delay of Repair, DOR) aufgeführt werden. 3 Prozent der Lecks wurden so eingestuft. Nur 3 Prozent waren überfällig, weder abgeschlossen
noch als DOR aufgeführt.

Klare Vorteile

Insgesamt ergab die Fallstudie von Target, dass Unternehmen durch den Einsatz von optischer Gasdetektion zur Erkennung und Reparatur von Lecks erhebliche wirtschaftliche Vorteile erzielen und so die Verschwendung von Gas vermeiden können. Zu den zusätzlichen Vorteilen gehörten eine erhöhte Sicherheit für die Anlage und die Arbeiter sowie eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Target stellte fest, dass die Anlagenbetreiber auf erforderliche Reparaturen reagierten und die Anzahl der wiederkehrenden Lecks vernachlässigbar war. Vierteljährliche Inspektionen erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass jeder Verdichter im vollen Betriebsmodus gefunden wird, wenn die höchste Anzahl
an Lecks zu erwarten wäre. Kurz gesagt, die optische Gasdetektion ermöglicht es Unternehmen, die Verdichter herstellen, nicht nur, die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen, sondern spart ihnen auch Geld und macht ihre Anlagen sicherer.