Optical Gas Imaging-instrumenten voor de olie- en gasindustrie

Door koolwatergassen te visualiseren kan uitstoot in de atmosfeer worden voorkomen

Door Craig O’Neill, Strategic Business Development Manager bij FLIR

Warmtebeeldcamera's met infraroodtechnologie (IR) worden al tientallen jaren gebruikt voor allerlei toepassingen in de olie- en gasindustrie, zoals elektrische/mechanische inspecties, tankniveau-inspecties en zelfs onderzoeken van de leidingintegriteit binnen procesapparatuur. De afgelopen jaren hebben we de ontwikkeling gezien van de nieuwe Optical Gas Imaging-technologie (OGI), die koolwatergassen en vluchtige organische stoffen die in de atmosfeer worden uitgestoten of weglekken 'zichtbaar' maakt. OGI kan worden gebruikt om te voldoen aan wettelijke vereisten voor uitstootvermindering, terwijl het tevens helpt productverlies te voorkomen, wat weer een positief investeringsrendement oplevert. OGI-camera's leveren een onvoorstelbare tijdsbesparing op vergeleken met andere inspectietechnologieën en bevorderen bovendien de veiligheid van medewerkers. Grote energiebedrijven gebruiken OGI-camera's zoals de FLIR GF320 om snel duizenden onderdelen te controleren en mogelijke gaslekken in real-time te herkennen.

Technologieën om vluchtige emissies in olie- en gastoepassingen te beperken
De gehele Amerikaanse aardgasgasindustrie stootte in 2015 maar liefst 162,4 miljoen ton aan CO2-equivalent methaan uit.[1] Dit zorgt niet alleen voor problemen met de naleving van wettelijke vereisten, maar betekent ook dat er product verloren gaat. Het is voor de industrie een grote uitdaging om een manier te vinden waarop aardgaslekken en mogelijke ontsnappingspunten zo goed mogelijk kunnen worden opgespoord. Daarbij moet onder andere worden gekeken naar compressorstations, verwerkingsinstallaties, fracking-putten en transportleidingen.
Vóór de ontwikkeling van OGI-camera's maakten de meeste olie- en gasinstallaties gebruik van een Toxic Vapor Analyzer (TVA) – ook wel een 'snuffelaar' genoemd – om gasconcentratieniveaus te analyseren en uitgestoten gas in de atmosfeer te kwantificeren. TVA's zijn betrouwbaar, relatief goedkoop en herkennen de meeste gassen. Het nadeel ten opzichte van een OGI-camera is dat gebruikers precies moeten weten waar zij naar het defect moeten zoeken, en die locatie ook fysiek moeten aanraken. Het gebruik van een snuffelaar komt met andere woorden neer op een spelletje ezeltje-prik. Met OGI-technologie spelen we hetzelfde spelletje, maar dan zonder blinddoek. Het gebruik van een OGI-camera is bovendien aanzienlijk sneller (5-10 keer) dan een snuffelaar.
Verder biedt OGI-technologie diverse veiligheidsvoordelen ten opzichte van een traditionele TVA. Gas dat mogelijk explosief is of gezondheidsproblemen veroorzaakt bij inademing, kan namelijk vanaf een veel grotere afstand worden gedetecteerd. Gebruikers kunnen bij een inspectie met een OGI-camera op een veilige afstand blijven. In plaats van in een gaswolk te moeten staan, kunnen ze met beide benen op de grond blijven, hun instrument richten op een punt op een hoogte van 3 of 6 meter, en bepalen of er gas weglekt in de atmosfeer.
Optical Gas Imaging nader uitgelegd
Een OGI-camera is een zeer specialistische versie van een IR- of warmtebeeldcamera. De camera bestaat uit een lens, een detector, elektronica die het signaal van de detector verwerkt, en een zoeker of scherm waarop de gebruiker het beeld ziet dat de camera produceert.[2]
OGI heeft wel iets weg van kijken via een camcorder: de gebruiker ziet een wegstromende gaspluim die anders volledig onzichtbaar zou zijn voor het blote oog. De gaspluim lijkt haast afkomstig te zijn van een brandend voorwerp, vergelijkbaar met de rook van een sigaret of sigaar.
Om deze gaspluim zichtbaar te maken, maakt een OGI-camera gebruik van een uniek spectrumfilter dat het mogelijk maakt een bepaald gasmengsel te detecteren. Het filter wordt vóór de detector gemonteerd en samen met de detector gekoeld om te voorkomen dat er stralingsuitwisseling plaatsvindt tussen het filter en de detector. Het filter beperkt de stralingsgolflengten die mogen doordringen tot de detector tot een zeer smalle band, de zogenaamde banddoorlaat. Deze techniek noemen we spectrale aanpassing, zie Figuur 1.




OGI-camera's maken gebruik van quantum-detectors die moeten worden gekoeld tot cryogene temperaturen (rond -203°C of 70 K). Middengolf-camera's die koolwatergassen zoals methaan detecteren, werken vaak binnen een bereik van 3-5 micrometer (μm) en maken gebruik van een detector voor indiumantimoniet (InSb). Langegolf-camera's die gassen zoals zwavelhexafluoride detecteren, werken vaak binnen een bereik van 8-12 μm en maken gebruik van een Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP).
OGI-camera's maken gebruik van de absorberende eigenschappen van bepaalde moleculen om ze in hun eigen omgeving te visualiseren. De Focal Plane Arrays (FPA's) en optische systemen van de camera zijn specifiek afgestemd op een zeer smal spectraal bereik (tot op enkele honderden nanometers), en zijn daarom extreem selectief. Alleen gassen die absorberen in het infraroodgebied dat wordt beperkt door een doorlaatfilter met een smalle band, zijn detecteerbaar. Voor de meeste gasmengsels zijn de kenmerken voor infraroodabsorptie afhankelijk van de golflengte.
Het gele gebied in Figuur 2 laat bijvoorbeeld een spectrumfilter zien dat zodanig is ontworpen dat het overeenkomt met het golflengtebereik waarin de meeste infrarode achtergrondenergie wordt geabsorbeerd door methaan.




Als de camera op een locatie zonder gaslek wordt gericht, zullen objecten in het beeldveld infraroodstraling afgeven en weerkaatsen via de lens en het filter van de camera. Als er zich een gaswolk bevindt tussen de objecten en de camera, en dat gas straling absorbeert in het banddoorlaatbereik van het filter, neemt de hoeveelheid straling af die door de wolk heen de detector bereikt. Om de wolk te zien in verhouding tot de achtergrond, moet er sprake zijn van een stralingscontrast tussen de wolk en de achtergrond.
Samengevat zijn de belangrijkste aspecten om de wolk zichtbaar te maken: het gas moet infraroodstraling absorberen in de golflengte die de camera ziet, de gaswolk moet een stralingscontrast met de achtergrond hebben, en de schijnbare temperatuur van de wolk moet afwijken van die van de achtergrond. Verder is de wolk beter te zien als er sprake is van beweging.

Wettelijke normen voor technologieën om gas te detecteren dat in de atmosfeer wordt uitgestoten
Welke technologie er wordt gebruikt om gas te detecteren dat in de atmosfeer wordt uitgestoten, is afhankelijk van diverse wettelijke normen. Onder bepaalde olie- en gasverordeningen blijven snuffelaars verplicht, waarbij OGI-camera's worden ingezet als secundair instrument. Onder meer recente wettelijke normen in de Amerikaanse olie- en gasindustrie wordt OGI als de beste methode beschouwd, waarbij snuffelaars dan weer de secundaire methode zijn.
Onder Method 21 - Determination of Volatile Organic Compound Leaks van de Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA) wordt bijvoorbeeld bepaald dat optische gastechnologie mag worden beschouwd als een alternatieve werkmethode om te voldoen aan Method 21. (Oorspronkelijk werd hier de snuffelaar als methode voorgeschreven; bovendien moet de snuffelaarmethode nog steeds één keer per jaar worden gebruikt.)
In 2016 vaardigde de EPA Quad Oa uit, wat staat voor de Code of Federal Regulations (CFR) 40, deel 60, subdeel OOOOa. Deze wijzigingen aan de New Source Performance Standards (NSPS) van de EPA zijn bepalend voor de emissienormen voor vluchtige organische stoffen en kwantificeren de benodigde emissiereducties. Quad Oa bevat ook verordeningen op het gebied van methaan waaronder upstream olie- en gasinstallaties hun emissies moeten beperken; deze verordeningen zijn voornamelijk van toepassing op platforms en compressiestations. Onder Quad Oa wordt OGI beschouwd als het beste systeem voor emissiereductie.
Verder hebben Environment and Climate Change Canada (ECCC) en Alberta Environment and Parks (AEP) onlangs nieuwe verordeningen uitgevaardigd waaronder inspectie van alle apparatuur met een OGI-camera of snuffelaar vanaf 2019 verplicht is.
De komende jaren zullen andere landen over de hele wereld naar verwachting verordeningen in het leven roepen die vergelijkbaar zijn met deze proactieve Noord-Amerikaanse verordeningen voor emissieregulering en methaanreductie.
 
Nieuwe OGI-technologie is ideaal voor olie- en gastoepassingen
De afgelopen jaren zijn er nieuwe technologieën op de markt verschenen die voorzien in de behoefte aan OGI voor olie- en gastoepassingen. Zo zorgt de FLIR GF320 samen met de Providence Photonics QL320 bijvoorbeeld dat gebruikers hun emissies kunnen verminderen terwijl ze de voordelen kwantificeren in uitgestoten liters per minuut of grammen per uur. Dat is nuttige informatie voor iedereen die op zoek is naar een economische rechtvaardiging voor een OGI-programma. Hiermee is het niet alleen mogelijk om emissies tegen te gaan en de effectiviteit van een lekdetectieprogramma te kwantificeren, maar kunnen ook reparaties worden gekwantificeerd en op prioriteit worden ingedeeld. Aan de hand van ingesloten gps-gegevens kunnen gebruikers de exacte locatie van defecten en lekken vaststellen, zodat reparaties sneller kunnen worden uitgevoerd.




Een andere innovatie van FLIR is de GFx320, een OGI-camera die onafhankelijk is gecertificeerd als zijnde intrinsiek veilig voor Zone 2- en Klasse 1/Div 2-omgevingen. Deze certificering betekent dat inspecteurs vol vertrouwen werkzaamheden kunnen verrichten binnen kritieke veiligheidszones en op gevaarlijke locaties.
Met het OGI-instrument van FLIR kan bovendien de temperatuur worden gemeten als onderdeel van de meer gebruikelijke elektrische/mechanische inspectietaken met een IR-camera. Deze camera's hebben dus in feite een tweeledige functionaliteit.

OGI verlaagt de kosten en verbetert de veiligheid voor grote olie- en gasbedrijven
Inmiddels gebruiken bedrijven OGI om te voldoen aan diverse verordeningen en tegelijkertijd geld te besparen en de veiligheid van hun personeel te vergroten. Neem bijvoorbeeld het in Wyoming gevestigde Jonah Energy, dat in 2005 voor het eerst OGI-technologie ging gebruiken om vluchtige emissies op productielocaties op te sporen.[3] Het bedrijf inspecteert 150 installaties per maand en alle 1700 zijn putten in een jaar. Jonah gebruikt de FLIR GF320-infraroodcamera voor de detectie van methaan en vluchtige organische stoffen, waarbij zelfs lekken van slechts 0,8 gram/uur worden bevestigd.
Het grootse voordeel van de FLIR GF320 is volgens Jonah Energy de mogelijkheid om grote gebieden te scannen en gaspluimen in real-time te visualiseren. Hierdoor kunnen inspecteurs de bron van vluchtige emissies exact bepalen en direct beginnen met het reparatieproces, waardoor OGI-inspecties efficiënter zijn dan onderzoeken volgens Method 21. Tijdens een veldonderzoek voor de City of Fort Worth (Texas) concludeerden inspecteurs zelfs dat scannen met infraroodcamera's minstens negen keer sneller was dan het uitvoeren van Method 21-scans op dezelfde apparatuur.
Door de snelheid van OGI-scans kunnen olie- en gasproducenten makkelijker en vaker hun apparatuur inspecteren. Volgens de EPA kunnen frequentere inspecties en reparaties de hoeveelheid vluchtig methaan en emissies van vluchtige organische stoffen aanzienlijk verminderen. Door elk kwartaal een inspectie uit te voeren kunnen emissies bijvoorbeeld met 80 procent afnemen, terwijl halfjaarlijkse monitoring-onderzoeken en reparaties een emissiedaling van 60 procent kunnen opleveren.

Sinds 2010 zin de vluchtige emissies van Jonah met maar liefst 75 procent afgenomen. Verder daalden de benodigde reparatie-uren van 705 naar 106 uur, de personeelskosten van $ 58.369 naar $ 7.500, en de kosten van verloren gas van $ 348.000 naar $ 20.500. Gemeten in tonnen zijn de emissies afgenomen van 351 tot 31.




Volgens Jonah Energy is het maandelijkse Leak Detection and Repair-programma (LDAR) waarbij het bedrijf gebruik maakt van OGI-technologie, zowel effectief als constant winstgevend gebleken. De cumulatieve gasbesparingen bedroegen voor de afgelopen zes jaar meer dan $ 5 miljoen, wat meer dan dekkend was voor de totale programmakosten.
Een ander voorbeeld is ConocoPhillips, dat op 22 CPC-installaties een pilotonderzoek naar optische lekdetectie en -meting verrichte om de beste beheerpraktijken voor vluchtige emissies te testen. De bevindingen van dit onderzoek zijn gebruikt om voor de Canadese activiteiten van het bedrijf de voordelen van OGI-technologie als onderdeel van een beheerplan voor vluchtige emissies te evalueren.[4]
Uit het onderzoek kwamen 144 lekkende onderdelen naar voren, die gezamenlijk circa $ 358.000 aan verloren product betekenden. Dit verloren product resulteerde in methaanlekken die per jaar meer dan 21.000 ton aan koolstofdioxide-equivalent (CO2e) bijdroegen aan de uitstoot van broeikasgassen. Volgens het onderzoek kon naar schatting 92 procent van de bronnen voordelig worden gerepareerd, wat neerkomt op een netto geactualiseerde besparing van meer dan $ 2 miljoen.[3]
Inspectahire, een toonaangevende internationale leverancier van specialistische technologie en oplossingen voor visuele inspecties op afstand, vertrouwt op de FLIR GF320-OGI-camera voor zowel onderhoudsinspecties als de detectie van koolwaterlekken op koolwaterproductielocaties en voor de inspectie van elk materiaal dat koolwater als brandstof gebruikt. Volgens dit bedrijf kan de GF320-camera niet alleen een breder gebied veel sneller scannen, maar ook gebieden bewaken die met contactmeetinstrumenten lastig te bereiken zijn.




"We gebruiken al langer contactmeetinstrumenten zoals laserdetectors en snuffelaars", aldus Cailean Forrester van Inspectahire. "Het probleem daarbij is echter dat mensen zich fysiek bij het object moeten bevinden, wat niet altijd veilig of zelfs maar mogelijk is. Die aanpak is met andere woorden beperkt en niet erg nauwkeurig. Met een OGI-camera als de GF320 kunnen medewerkers echter op veilige afstand blijven en gaslekken toch zeer precies detecteren."
Ron Lucier, als instructeur werkzaam bij het Infrared Training Center in Nashua (in de Amerikaanse staat New Hampshire), geeft aan hoe belangrijk het is om op een veilige afstand op gaspluimen te kunnen controleren. "Methaan en andere koolwaterstoffen zijn niet alleen ontvlambaar, maar kunnen in hoge concentraties ook leiden tot verstikking", zo legt hij uit. "Met TVA-snuffelaars weet je dat het gas aanwezig is, maar weet je niet om hoeveel gas het gaat. OGI-gebruikers kunnen direct de omvang van de gaspluim zien – wat met een gassnuffelaar onmogelijk is."


Innovatief product herkent en stopt vluchtige gasemissies
In april 2018 ontving FLIR voor zijn GF320-camera de Technology Innovation Award tijdens de Oil and Gas Methane Leadership Awards, georganiseerd door het Global Methane Forum in de Canadese stad Toronto.[5] De prijs werd uitgereikt door het Center for Clean Air Policy, Clean Air Task Force, Environmental Defence Canada, Environmental Defense Fund en het Pembina Institute.
In de woorden van het Pembina Institute "werd FLIR gekozen vanwege innovatieve detectieoplossingen zoals betaalbare handheld camera's die door de industrie kunnen worden gebruikt om vluchtige emissies te herkennen en stoppen, en zodoende het milieu te beschermen én geld te besparen." Verder stond in het juryrapport dat organisaties "deze technologie hebben gebruikt om de bron en omvang van emissies vast te stellen en beleidsvormers te informeren."

Referenties
1. Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks, - https://www.epa.gov/sites/production/files/2018-01/documents/2018_complete_report.pdf, verkregen op 14-6-'18, p. 191 (Energy 3-77)
2. The Science Behind Optical Gas Imaging - http://www.flirmedia.com/MMC/THG/Brochures/OGI_012/OGI_012_US.pdf, verkregen op 11-6-'18.
3. Optical Gas Imaging Saves Money and Resources for Jonah Energy, http://www.flirmedia.com/MMC/THG/Brochures/OGI_014/OGI_014_US.pdf, verkregen op 11-6-'18.
4. T. Trefiak, ConocoPhillips, OGI Pilot Study: Leak Detection & Measurement, 2006, http://docplayer.net/17797465-Pilot-study-optical-leak-detection-measurement-report-completed-by-terence-trefiak.html
5. Global methane reduction leaders honoured in Canada, https://www.pembina.org/media-release/global-methane-reduction-leaders-honoured-canada, verkregen op 11-6-'18.

  Meer weten…