1. 油氣行業(yè)甲烷減排勢在必行
國際能源署（IEA）統(tǒng)計，2023年全球甲烷排放量為3.49×108 t，能源部門占比為36.8%，其中油氣行業(yè)占能源部門排放總量的62%，達到0.80×108 t。根據(jù)IEA評估，油氣行業(yè)有75%的甲烷減排可通過現(xiàn)有技術(shù)和最佳實踐措施來實現(xiàn)，其中40%的減排可通過零成本管理實現(xiàn)。因此，油氣行業(yè)甲烷減排潛力極大，且易于實現(xiàn)。
國際上，歐美針對油氣行業(yè)甲烷減排正陸續(xù)出臺更加具體且日益嚴格的監(jiān)管要求。在美國，2021年11月美國政府出臺指導(dǎo)性文件《美國甲烷減排行動計劃》，2022年8月美國總統(tǒng)簽署的《通脹削減法案》中首次提出將對石油和天然氣行業(yè)甲烷排放進行收費，2024年3月美國環(huán)保署（EPA）發(fā)布《新的、重建和改造的排放源的性能標準以及現(xiàn)有排放源的排放指南：石油和天然氣行業(yè)氣候?qū)彶椤沸抻單募?024年5月EPA發(fā)布《溫室氣體報告規(guī)則 石油和天然氣系統(tǒng)》修訂文件。在歐洲，2020年10月歐盟委員會出臺指導(dǎo)性文件《歐盟甲烷減排戰(zhàn)略》，2024年6月歐洲議會和理事會正式簽署發(fā)布了歐盟首部旨在遏制歐洲和全球能源部門甲烷排放的法規(guī)《歐洲議會和理事會關(guān)于能源部門甲烷減排和修訂（歐盟）2019/942的法規(guī)》。
在我國，2023年11月生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合11部門發(fā)布國家政策文件《甲烷排放控制行動方案》，該文件提出了“十四五”和“十五五”期間甲烷排放控制目標，并明確指出，在“加強甲烷排放監(jiān)測、核算、報告和核查體系建設(shè)”和“推進能源領(lǐng)域甲烷排放控制”中油氣行業(yè)需要承擔(dān)多項重要任務(wù)。
2. 油氣行業(yè)甲烷減排行動中關(guān)于先進監(jiān)測設(shè)備的市場需求
油氣行業(yè)甲烷排放主要來自勘探、生產(chǎn)、加工和儲運分銷環(huán)節(jié)中的逃逸、放空和火炬不完全燃燒。逃逸性排放是指在各種設(shè)施及部件上無意或意外產(chǎn)生的泄漏。放空和火炬排放是維護安全等原因?qū)е碌挠薪M織排放。油氣行業(yè)甲烷排放呈現(xiàn)以下特點：（1）排放點數(shù)量多：每個生產(chǎn)現(xiàn)場或設(shè)施可能由成千上萬個部件組成，其中可能包含幾個到數(shù)百個排放點。
（2）排放點地理分布廣：每個井場、壓縮站、天燃氣廠和管道段都是潛在排放源，這些設(shè)施經(jīng)常散布在偏遠地區(qū)。
（3）排放率的可變性：受許多因素影響，類似設(shè)備和工藝的排放率可能存在較大差異；此外，一些排放點是間歇性的。
（4）難以感知：甲烷排放經(jīng)常是無色無味的，在不使用專用檢測設(shè)備情況下很難識別和估計排放。
油氣行業(yè)甲烷排放的這些復(fù)雜性特點給甲烷減排行動中的排放監(jiān)測帶來了巨大挑戰(zhàn)。
泄漏檢測和修復(fù)（LDAR）以及測量、報告和驗證（MRV）是油氣行業(yè)甲烷減排行動中的兩種重要系統(tǒng)方法。表1總結(jié)了這兩種系統(tǒng)方法的基本定義、主要作用及相關(guān)甲烷排放監(jiān)測的發(fā)展方向、法規(guī)進展和設(shè)備需求。
表1 LDAR和MRV的基本定義、主要作用及相關(guān)甲烷排放監(jiān)測的發(fā)展方向、法規(guī)進展和設(shè)備需求
| 系統(tǒng)方法 | 泄漏檢測和修復(fù)（LDAR） | 測量、報告和驗證（MRV） | |
| 基本定義 | 一種識別和解決設(shè)備和設(shè)施潛在泄漏的系統(tǒng)方法。 | 一種跟蹤和記錄溫室氣體排放和減排的系統(tǒng)方法。 | |
| 主要作用 | 是油氣生產(chǎn)企業(yè)減少甲烷排放的三項主要技術(shù)方法之一。另外兩項分別為：限制放空和火炬排放；改進基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備。 | 基于完善的MRV體系，油氣生產(chǎn)企業(yè)可通過控制甲烷排放總量來靈活制定甲烷減排策略。 | |
| 甲烷排放監(jiān)測 | 發(fā)展方向 | 傳統(tǒng)LDAR泄漏檢測主要依賴于手持式設(shè)備，費時費力，在油氣行業(yè)中實施的定期檢測時間間隔往往長達數(shù)月甚至一年以上，通常難以發(fā)現(xiàn)間歇性泄漏排放。因此，需要引入先進檢測技術(shù)來提高LDAR泄漏檢測效率。 | 傳統(tǒng)的MRV甲烷排放量報告數(shù)據(jù)主要來自于排放因子核算法，不準確不精確，極其容易低估排放總量。因此，多尺度量化測量已經(jīng)成為改進MRV的必經(jīng)之路。 |
| 法規(guī)進展 | 美國：以傳統(tǒng)檢測方法為基礎(chǔ)，場站級檢測方法可替代傳統(tǒng)檢測方法。 | 美國：源級測量為主，排放因子法為輔 | |
| 歐洲：以傳統(tǒng)檢測方法為基礎(chǔ)，場站級檢測法可部分替代傳統(tǒng)檢測方法 | 歐洲：源級測量與場站級測量相結(jié)合 | ||
| 中國：僅使用傳統(tǒng)檢測方法 | 中國：僅使用排放因子法 | ||
| 設(shè)備需求 | 源級檢測：OGI、FID等手持式泄漏檢測設(shè)備 | 源級測量：甲烷排放大流量采樣器。 | |
| 場站級檢測：基于衛(wèi)星、飛機、無人機和車輛等移動平臺上搭載高精度傳感器的甲烷排放監(jiān)測設(shè)備；基于網(wǎng)格化定點安裝高精度傳感器的甲烷排放連續(xù)監(jiān)測設(shè)備。 | 場站級測量：基于衛(wèi)星、飛機、無人機和車輛等移動平臺上搭載高精度傳感器的甲烷排放監(jiān)測設(shè)備；基于網(wǎng)格化定點安裝高精度傳感器的甲烷排放連續(xù)監(jiān)測設(shè)備。 | ||
在國內(nèi)高度重視甲烷減排的政策背景下，國內(nèi)油氣生產(chǎn)企業(yè)正在積極推動企業(yè)級甲烷減排行動，在LDAR和MRV應(yīng)用中必然需要使用大量先進的場站級和源級甲烷排放監(jiān)測設(shè)備。然而，國內(nèi)高精度甲烷傳感技術(shù)長期落后于國際先進水平，還沒有國內(nèi)設(shè)備制造商能夠系統(tǒng)提供這些先進設(shè)備。在部分油氣企業(yè)的試點和研究項目中，還是主要依賴使用進口設(shè)備。進口設(shè)備不僅存在使用成本過高的問題，也難以響應(yīng)國內(nèi)特定應(yīng)用需求。因此，面對國內(nèi)油氣企業(yè)甲烷減排行動中對先進設(shè)備的廣泛應(yīng)用需求，迫切需要國內(nèi)設(shè)備制造商加快研發(fā)高精度甲烷傳感技術(shù)，并提供具備自主技術(shù)的場站級和源級甲烷排放監(jiān)測設(shè)備。
3. 油氣行業(yè)甲烷排放監(jiān)測的整體解決方案
四方光電（武漢）儀器有限公司（簡稱四方儀器）是專業(yè)研制氣體傳感器及儀器儀表的高科技企業(yè)。四方儀器依托氣體傳感技術(shù)研發(fā)平臺基礎(chǔ)優(yōu)勢，成功研制了高精度TDLAS甲烷傳感器模組，并為油氣行業(yè)甲烷排放監(jiān)測推出了一套整體解決方案，能夠為油氣生產(chǎn)企業(yè)提高LDAR檢測效率、助力溫室氣體核算和構(gòu)建MRV技術(shù)體系提供高精度甲烷排放監(jiān)測及準確的定性與定量分析結(jié)果。
3.1 四方儀器整體解決方案的框架體系
本方案框架分為監(jiān)測感知層、數(shù)據(jù)解析層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層。監(jiān)測感知層主要產(chǎn)品包括：場站級水平的甲烷排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)、車載甲烷排放監(jiān)測系統(tǒng)和無人機甲烷排放監(jiān)測系統(tǒng)；源級水平的便攜式紅外熱像儀和便攜式大流量采樣器。多款監(jiān)測設(shè)備和傳感器組合適用于天然氣生產(chǎn)開采、加工、儲存、運輸?shù)炔煌h(huán)節(jié)，全方位、全流程采集和測量甲烷排放濃度等關(guān)鍵信息。數(shù)據(jù)解析層的軟件平臺基于5G網(wǎng)絡(luò)通訊實時傳輸并顯示測量數(shù)據(jù)，實時計算排放率，并判定排放事件和量化排放。數(shù)據(jù)解析層各軟件平臺分析結(jié)果相互結(jié)合可為業(yè)務(wù)應(yīng)用層的油氣生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用目標提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
圖1 四方儀器整體解決方案的框架體系
3.2 高精度TDLAS甲烷傳感技術(shù)
可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜法（TDLAS）是一種特別適用于高精度探測空氣中甲烷含量的先進光學(xué)技術(shù)。TDLAS基本原理為，使用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器發(fā)射出特定波長激光束穿過被測氣體，通過測量激光穿透氣體后的強度衰減度，可以定量地分析計算獲得被測氣體的體積濃度。
圖2 TDLAS傳感器原理圖
四方儀器研制的高精度TDLAS甲烷傳感器模組具有以下技術(shù)特點：測量精度高，最小檢測限可達ppb級；響應(yīng)快，最高檢測頻率可達10Hz；具有極高的甲烷選擇性，抗干擾能力強；環(huán)境適應(yīng)性強；使用壽命長；模塊化設(shè)計，易于安裝與集成。
圖3 四方儀器TDLAS甲烷傳感器模組
3.3 四方儀器場站級和源級甲烷排放監(jiān)測設(shè)備的核心技術(shù)、主要功能和應(yīng)用范圍
| 設(shè)備名稱 | 核心技術(shù) | 主要功能 | 應(yīng)用范圍 | |
| 場站級 | 甲烷排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng) | TDLAS甲烷傳感技術(shù) | 通過網(wǎng)格化定點安裝，長期連續(xù)測量空氣甲烷濃度、風(fēng)向、風(fēng)速和經(jīng)緯度，并基于模型判定排放事件、定位排放源和計算排放速率。 | LDAR、MRV |
| 車載甲烷排放監(jiān)測系統(tǒng) | TDLAS甲烷傳感技術(shù) | 在道路行駛條件下，快速測量空氣甲烷濃度、風(fēng)向、風(fēng)速和經(jīng)緯度，并基于模型判定排放事件、定位排放源和計算排放速率。 | LDAR、MRV | |
| 無人機甲烷排放監(jiān)測系統(tǒng) | TDLAS甲烷傳感技術(shù) | 在低空飛行條件下，快速測量空氣甲烷濃度、風(fēng)向、風(fēng)速和經(jīng)緯度，并基于模型判定排放事件、定位排放源和計算排放速率。 | LDAR、MRV | |
| 源級 | 便攜式紅外熱像儀 | 紅外熱像傳感技術(shù) | 在10米以上中遠距離范圍內(nèi)利用光學(xué)成像技術(shù)快速自動識別和定位甲烷泄漏點 | LDAR |
| 便攜式大流量采樣器 | TDLAS甲烷傳感技術(shù) | 通過高流量風(fēng)機完全抽取甲烷泄漏點的逸散氣體，精確測量抽入氣體的總流量和甲烷濃度，并快速計算泄漏點的甲烷排放速率。 | MRV | |
| 超聲波流量傳感技術(shù) | ||||
圖4 四方儀器-油氣行業(yè)甲烷排放監(jiān)測整體解決方案的應(yīng)用示意圖
3.4 油田生產(chǎn)區(qū)域的甲烷排放監(jiān)測應(yīng)用設(shè)計
| 設(shè)備名稱 | 產(chǎn)品配置 | 監(jiān)測對象 | 監(jiān)測方法 | 監(jiān)測目的 |
| 甲烷排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng) | 甲烷分析儀主機 | 聯(lián)合站區(qū)域 | 將聯(lián)合站區(qū)域劃分為50 × 50米的網(wǎng)格單元，在聯(lián)合站四周邊界上的所有網(wǎng)格單元中分別布置一個監(jiān)測點； | 基于所有網(wǎng)點監(jiān)測數(shù)據(jù)計算聯(lián)合站每日甲烷排放總量； |
| 超聲波風(fēng)速儀 | 常年24小時連續(xù)測量空氣甲烷濃度及風(fēng)向和風(fēng)速。 | 基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及時發(fā)現(xiàn)聯(lián)合站內(nèi)部甲烷排放事件并計算排放速率。 | ||
| 太陽能電池 | ||||
| 氣體采樣裝置 | ||||
| 設(shè)備安裝桿 | 油井區(qū)域 | 將油井區(qū)域劃分為50 × 50米的網(wǎng)格單元，根據(jù)當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)向在每個油井所占方格下風(fēng)向緊鄰空白方格中布置一個監(jiān)測點； | 基于所有網(wǎng)點監(jiān)測數(shù)據(jù)計算油井區(qū)域每日甲烷排放總量； | |
| 常年24小時連續(xù)測量空氣甲烷濃度及風(fēng)向和風(fēng)速。 | 基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及時發(fā)現(xiàn)油井區(qū)域甲烷排放事件并計算排放速率。 | |||
| 車載甲烷排放監(jiān)測系統(tǒng) | 甲烷分析儀主機 | 油田生產(chǎn)區(qū)域（聯(lián)合站+油井+集輸管道） | 根據(jù)公路地圖設(shè)計可覆蓋油田生產(chǎn)區(qū)域的車載走航行駛路線，使用機動車搭載系統(tǒng)設(shè)備按照既定路線以正常車速行駛，同時連續(xù)測量空氣甲烷濃度、風(fēng)向、風(fēng)速和經(jīng)緯度。 | 基于實時連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)快速篩查發(fā)現(xiàn)油田生產(chǎn)區(qū)域的排放事件并計算排放速率。 |
| 超聲波風(fēng)速儀 | ||||
| 北斗定位系統(tǒng) | ||||
| 氣體采樣裝置 | ||||
| 供電單元 | ||||
| 無人機甲烷排放監(jiān)測系統(tǒng) | 甲烷分析儀主機 | 油田生產(chǎn)區(qū)域中車載走航無法覆蓋的設(shè)施區(qū) | 設(shè)計圍繞設(shè)施區(qū)的飛行路線，使用無人機搭載系統(tǒng)設(shè)備按照既定路線勻速飛行，同時連續(xù)測量空氣甲烷濃度、風(fēng)向、風(fēng)速和經(jīng)緯度。 | 基于實時連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)快速篩查發(fā)現(xiàn)油田生產(chǎn)區(qū)域的排放事件并計算排放速率。 |
| 超聲波風(fēng)速儀 | ||||
| 北斗定位系統(tǒng) | ||||
| 氣體采樣裝置 | ||||
| 供電單元 | ||||
| 無人機 | ||||
| 便攜式紅外熱像儀+便攜式大流量采樣器 | 便攜式紅外熱像儀 | 聯(lián)合站內(nèi)部所有設(shè)施和部件 | 針對聯(lián)合站中泵、壓縮機、攪拌器、閥門、安全閥、取樣連接系統(tǒng)、開口閥、法蘭和連接件等設(shè)施和部件的密封點，先使用OGI進行快速全面掃描，再使用大流量采樣器快速測量泄漏點的排放速率。 | 基于標準方法開展LDAR調(diào)查，發(fā)現(xiàn)泄漏點，并準確快速測量排放速率。排放速率數(shù)據(jù)可用于計算排放總量以及建立組件細分類排放因子。 |
| 便攜式大流量采樣器 |
圖5 聯(lián)合站區(qū)域甲烷排放連續(xù)監(jiān)測的網(wǎng)格化監(jiān)測點位設(shè)計
圖6 油井區(qū)域甲烷排放連續(xù)監(jiān)測的網(wǎng)格化監(jiān)測點位設(shè)計
圖7 油田生產(chǎn)區(qū)域車載甲烷排放監(jiān)測的行駛路線及甲烷濃度示意圖
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