利用光学气体成像以符合OOOOa法规：案例分析

天然气压缩机站必须遵从环境保护署新检测法规（被称作Quad OA）。光学气体成像提供一种满足这些要求的经济有效的方式。

环境保护署推出的关于天然气压缩机站监控的
新法规于2017年6月生效。这些法规要求对2015年9月以来新建或改建的压缩机站进行甲烷泄漏检测。虽然环境保护署关心的主要问题是减少甲烷（一种烈性温室气体）排放，经验开始表明利用红外相机执行的常规测试能节约公司金钱以及提升员工安全性。

新法规是《石油和天然气领域：新建、重建和改建设施的排放标准》，被环境保护署称为40 CFR Part 60的OOOOa子部分，泛称为Quad OA。根据该法规，可为压缩机站选择执行所需监控的方式。
其中一个选择是Method 21，一种利用“嗅探器”检测是否存在烃气并以百万分率表示的过时技术。一种更现代的选择是由环境保护署指定的“先进减排技术”，即光学气体成像，该项技术利用红外相机检测来自管道和设备的
烟缕状泄漏气体。光学气体成像利用光谱滤波技术瞄向由气体吸收的红外波长，使用户能可视化采用其它技术不可见的的气体。

天然气压缩机站有许多可成为气体泄漏源的接缝和接头

更优秀的技术

光学气体成像与Method 21相比具有一些优势。最重要的是，它使检测人员能够真切地看到气体的源头，准确找出泄漏的部位（比方说阀门或管道接头），让检测和维修起来更加轻松。Method 21仅能报出某个检测位置空气中的甲烷浓度，但是无法提供关于气体流动速率或方向的任何信息，使得检测泄漏源困难重重。

光学气体成像的另一优势是它是一种可视化方法，使检测人员能从适当位置探查整个现场。Method 21要求直接接触每一个潜在泄漏源，每一处管道接缝、接头和阀门。其中一些部位不易接近，并且接触每一个设备耗费时间。如果检测人员做一次彻查，他/她可能需要在一天内检查500个组件。比如，一个压缩机房有6,000个部件，一名技术人员需要花费12天才能完成检测。光学气体相机可停在压缩机房的多个位置以检测大片区域，不到1天时间便能完成工作。

相机无法对泄漏进行定量测量，尽管烟羽大小能提供一些关于气体泄漏量的大致信息。一名经验丰富的相机操作员能定性评估泄漏规模（少量、中等、大量、超大量），甚至估算泄漏速率，为确定泄漏维修优先级提供一层额外信息。但是，如果压缩机站操作人员需要测得准确数值，他们可以在由相机识别的泄漏源处使用嗅探器，在不必花费大量时间查找泄漏的情况下获取百万分率读数。一旦维修完毕，压缩机房操作人员
可通过另一次相机检测或执行一次气泡试验——在泄漏区域铺设表面活性剂观察是否有任何引起溶液起泡的逃逸气体，确认维修成果。

案例分析

为了衡量实施这些新法规的效果，在压缩机房执行泄漏探测及维修的承包商Target Emission Services收集了数次检测的数据。基于发现的结果，光学气体成像检测不仅使公司能够遵从EPA法规，而且能为公司带来经济效益。在2017年四个季度和2018年第一季度期间，Target对5家压缩机企业位于9个州的104处设施共执行了224次检测。每处设施平均有2.4台压缩机。每次检测事件由一名拥有至少1,000小时光学气体成像经验的技术人员执行。他们使用了一台搭载波段滤除锑化铟探测器的FLIR Gf320相机，分辨率为320×240像素。相机在高热灵敏度模式下可增强泄漏探测能力。

从少量到大量泄漏

泄漏的严重程度由气体流速表示。气流由
Hi-flow Sampler而非相机测得。气体流速小于0.1立方
英尺/分钟（cfm）被视为轻度泄漏，0.1至0.5 cfm被视为中度泄漏，
大于0.5 cfm被视为重度泄漏。检测人员共发现1,977处
泄漏。其中65%，或者说1,291处泄漏，为轻度泄漏。其中32%，或者说630处泄漏，为中度泄漏。另外3%，或者说56处泄漏，为重度泄漏。发现的最小泄漏仅为0.01 cfm，而最大泄漏达7.85 cfm。

每cfm逃逸气体相当于大约每年损失1,600美元，因此7.85 cfm意味着每年损失超过12,500美元。

表1. 在2017年和2018年的5个季度期间监测到的平均泄漏数和总泄漏数。

来源：Target Emission Services。

虽然这些数据表明最大的回报来自检测和
修复最大泄漏，但是值得注意的是，按体积计算，大量的
小型泄漏大致相当于较小数量的大型泄漏，两者各自占
气体损失的大约27%，而中型泄漏占45%。

检测发现每处设施平均有19处泄漏，每次检查平均发现9次泄漏。每处设施的平均总泄漏率为2.4 cfm。

显著节约

经济效益是显而易见的。每次检查的平均监测成本为
1,220美元，维修成本为450美元。那将带来每年价值
1,609美元的气体节约，并且平均维修周期延长至两年。为节约气体价值的净现值打10%折扣（一种比较花费金钱现值与投资后未来价值的方法）得出每次检查将产生1,122美元收益。（见表1.）

就所有设施而言，每年节约气体的总价值超过360,000美元，
净现值超过251,000美元。公司无论是否
实现节约，都必须遵从法规要求，
因此这大约25万美元可认为是额外收益。

更高安全性、更低排放量

金钱回报不是监测的唯一益处。另一项益处是更高的安全性。在所有发现的泄漏中，有22处被认定为具有潜在安全危险。在这22处泄漏中，其中7处具有高风险，3处被视作具有极高风险。如果泄漏引起的高浓度气体开始接近爆炸下限（即气体会燃烧的浓度）时，那么该泄漏被认为具有
危险性。高浓度构成火灾或爆炸危险，因此，在造成问题之前发现这类泄漏极其重要。

而且泄漏也会威胁到人员安全。接近60%的
泄漏在设施操作人员或维护人员正在工作的区域被发现。尽管厂方为其设施配备了气体探测设备，但是却并未意识到这些泄漏。

最后，检测到这些泄漏有利于减排。环境保护署希望能发现泄漏，以便减少释放到大气中的甲烷量。在这些检测中发现的甲烷总量相当于每年排放59,000公吨二氧化碳。

随时间推移而改善

正如所预料的那样，凭借新项目，最早的检测通常发现
最多泄漏，在随后的检测中出现的泄漏更少。前后两次
检测发现的泄漏数平均下降18%，泄漏率平均下降23%。但是，不同设施之间可能存在显著差异。两次检测之间最大的泄漏次数增长百分比为1,066%，最大的泄漏率增长百分比为3,800%。而在另一种极端情况下，两次检测之间最大的泄漏次数减少百分比为90%，最大的泄漏率降低百分比为96.9%。仅有5%的泄漏重复发生。（见图1.）

图 1. 被检测压缩设施处的泄漏次数和泄漏率从第一次检测到第四次检测通常会减少。来源：Target Emission Services。

大多数增长可归因于某些设施在检测之时未运营的事实，这通常发生在
一年当中天然气需求较低的时节。在设备运行和加压
情况下进行的后续检测自然会发现更高的
泄漏率。此外，在设备被拆开或重新组装之后，也可能出现新的泄漏。如果没有这些运行状态变化，先后两次检测发现的泄漏数通常会下降。到第4次季度检查的时候，对于那些被检查4次的设施，泄漏率已降至“稳定状态”或维护级别。

泄漏检测的一个重要方面是报告与追踪结果和
响应。Target发现检测到的大部分泄漏均已按法规要求在30天之内被修复。整整10%的泄漏在检测到之后立即得到修复；那通常仅需要上紧连接处。另外9%在5天之内得到修复，21%在15天之内得到修复，54%在16至30天之间得到修复。某些无法在1个月内解决的特别棘手的问题会被列为“修复延误”（DOR），3%的泄漏属于此类问题。仅有3%的问题为逾期，这些问题既未得到解决也未被
列为DOR。

优势明显

总的来说，Target的案例分析发现，使用光学气体成像技术查找和修复泄漏能消除气体浪费问题，因而能为公司带来显著的经济效益。附带效益包括增强工厂和员工的安全性，减少温室气体排放。Target发现设施操作人员对所需修复的问题反应积极，重复发生的泄漏数可忽略不计。季度检查增加了检测每台处于全工况运行模式的压缩机的概率，可以预见，在全工况运行模式下，检测到的
泄漏数最多。简言之，光学气体成像技术不仅使压缩机公司能满足法规要求，而且能节省公司资金并让设施更安全。