油气行业甲烷监测、报告与核查技术进展研究*

达虹鞠,许德刚,唐智和,李巨峰,栾 辉,王 晨,史江庆,陈春茂

(1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司石油石化污染物控制与处理国家重点实验室,北京 102206 2.中国石油天然气股份有限公司大港石化分公司,天津 300280 3.中国石油大学(北京)油气污染防治北京市重点实验室,北京 102249)

0 前言

甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体,其全球变暖潜能值(GWP)是二氧化碳的28倍(100年时间跨度内)[1]。国际能源署(IEA)发布的《石油和天然气运营产生的甲烷排放(2022)》表明,油气行业通过放空、逸散及不完全燃烧等排放的甲烷占全球人为甲烷排放的1/4[2]。2021年1月,国家生态环境部发布《关于统筹和加强应对气候变化与生态环境保护相关工作的指导意见》,指出在重点排放点源层面开展石油天然气、煤炭开采等重点行业甲烷排放监测。3月,《第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》首次提出要加大甲烷等其他温室气体控制力度;“十四五”期间将推动出台中国甲烷排放控制行动方案,重点领域甲烷监测、报告和核查体系建设将成为甲烷控排的五大任务之一。

1996年,《联合国气候变化框架公约》(United Nations Framework Convention on Climate Change,UNFCCC)第二次缔约方会议(COP 2)首次提出监测、报告、核查(Monitoring,Reporting and Verification, MRV)[3]。1999年,UNFCCC COP 5通过了最早的指导国家编制、提交温室气体报告并接受年度审查的官方文件——“缔约方温室气体气体清单技术评审指南”[4]。2007年,《巴黎行动计划》首次提出所有发达国家的减排承诺和行动都应符合MRV体系要求。健全可靠的MRV技术体系对油气行业最低成本的甲烷排放量化与减排实施具有重要意义,目前多国政府、企业和研究者们已对油气行业MRV技术体系建设做出努力。

油气行业甲烷排放存在设备组件类型与数量多、分布广、泄漏组件不确定性高、泄漏非连续等特点,对MRV体系技术要求较高[5,6]。研究者们已经开发出了多种甲烷监测设备,针对不同的监测场景及监测对象,对甲烷监测技术进行筛选。目前全球甲烷排放的量化通常采用多种监测方案和核算方法相结合的方式,有必要在监测技术的适用性与监测成本、量化技术与不确定性中进行平衡,以找到最优的MRV实施方案。本文分别从甲烷监测技术、甲烷量化技术进行综述,并结合油气行业不同类型的排放源,梳理企业甲烷MRV实施方案,提出油气行业的甲烷监测与量化技术实施建议。

1 油气行业甲烷监测技术

甲烷监测(M)主要通过“自下而上”和“自上而下”两种方式实现(图1)[7,8],具体的监测与量化分类不是确定的,而是根据技术的使用方式及目的而定。

图1 油气行业甲烷监测与量化技术

1.1 “自下而上”监测技术

1.1.1甲烷浓度监测技术

根据美国环保署(EPA)开发的设备组件泄漏监测与修复(LDAR)技术框架(method 21),使用火焰离子化监测器(FID)、催化氧化、红外吸收或光电离监测器(PID)等对甲烷浓度进行监测[9]。常用的传感器包括有机蒸气分析仪(OVAs)和有毒蒸气分析仪(TVAs)。OVAs通常配备FID,对甲烷和其他碳氢化合物都有响应,监测浓度范围1～10 000 μmol/mol;TVAs通常配备FID和PID,适用于总烃浓度大于10 000 μmol/mol的非甲烷总烃监测。TVAs的探头直接接触泄漏点,适用于管线、连接件、法兰等。LDAR扫描过程中,当分析仪与泄漏点的距离大于1 cm时,将有57%的概率会错过泄漏点[10],并且每次使用前都要进行设备校准,导致LDAR实施过程费时费力,效率较低。

肥皂泡筛查(SBS)是利用肥皂泡的表面张力监测甲烷泄漏,适用于可达组件的小泄漏点监测(10-4cm3/s),当表面温度大于沸点或小于冰点时,SBS是无效的[11]。SBS并不是专门的甲烷泄漏监测技术,常用来简单地验证泄漏修复是否有效。

为提高LDAR效率,1997年美国石油学会提出了Smart-LDAR技术。2008年EPA发布了利用光学气体成像相机(OGI)开展Smart-LDAR的替代工作方法(AWP)[12],其工作效率是传统LDAR效率的4.3倍。OGI适用于小范围组件或设备的泄漏监测及移动监测(如车载、无人机机载),操作简单,可形成直观的泄漏情况报告,适合在有利的成像条件下探测大羽流(排放速率>1 kg/h)[13]。由于OGI对各类碳氢化合物都会产生吸收,需提前识别会产生甲烷排放的管道和设备;当OGI相机与目标组件的距离超过10 m时,监测性能显著降低[14]。同时,OGI仅能提供定性(可视化)的通量估算结果,性能易受风速、环境温度和环境对比度等因素的影响。

激光泄漏监测仪是一种用于油气行业甲烷排放源的定位工具,其中可调谐二极管红外激光器(TDLAS)是一种常用的远程甲烷泄漏监测器(RMLD),其可将激光器调谐至甲烷吸收波长(3.4 μm),激光光束的特异性吸收使RMLD不会对甲烷以外的其他碳氢化合物产生响应。大部分型号的RMLD具有自校准模块,无需在监测前进行校准,监测距离通常不超过30 m[15]。由于RMLD直接显示激光光束平均柱浓度,无法确定气体羽流在激光光路中的出现位置,通常的操作是从不同角度入射光束,以识别单个羽流及其排放源位置。

声波泄漏监测仪(ALD)适用于内部泄漏或带压气体监测,不适用于排放较小的泄漏源(<2 068 kPa)[16,17]。根据采集方式的不同,ALD分为枪式和听诊器式2种:枪式ALD可探测排污阀或泄压阀气体逸散产生的空气传播超声波信号(距离小于30 m);听诊器式ALD可通过阀塞或阀门进行内部泄漏探测。ALD可探测的超声波信号频率范围为20～100 kHz。多数ALD具有频率调谐能力,无需校准,只需将监测仪频率调谐到特定范围即可。

1.1.2甲烷排放量监测技术

标准气袋法(SVB)即操作人员直接使完全充气时具有标准体积的非弹性袋接触排放源,用秒表记录气袋充满时所需时间,并测量气体温度(用于标准体积校正)及气体组分。适用于小时排放量为12～292 kg的泄漏管线等,测量误差不超过±10%。每个标准袋成本约300元,可重复利用约100次。

大流量采样器(HFS)主要由空气抽吸泵和双功能碳氢化合物监测器(催化氧化/热传导)构成。其中,催化氧化传感器测量低浓度甲烷(<5%),热传导传感器测量高浓度甲烷(5%～100%)[18]。HFS适用于排放速率为0.01～13 kg/h的小泄漏排放源,可燃碳氢化合物的浓度范围为0.01%～100%的气流。采样器需要大量的校准和维护工作,监测成本较高,适用于科学研究或定期更新排放因子。

流量计(FM)常用于开口管道和其他气体管线(如火炬管线)中的较大气体流量监测,能够长时间采集流量数据(如24 h),不适用于小的泄漏点监测(如法兰和阀门)。常用的FM包括容积式流量计、热质量流量计、涡轮流量计、超声波流量计,另外科里奥利(Coriolis)流量计、差压流量计(如孔板式流量计)和涡流流量计也用于测量冷排气或火炬管线流速。测量时,可将流量计插在管线口(如热质量流量计)或安装在管线上(如涡轮流量计)。根据不同的原理,FM测量范围较宽(热质量流量计为8 m3/h,超声波流量计为5 000～10 000 m3/h)。FM成本约为1 000～20 000元,测量结果的准确性取决于所采用的技术,但整体高于其他仪表。

叶片式风速计(VA)由叶轮流速传感器和手持装置组成。测量时,手动装置固定在排气管开口或从排气管的一个端口插入,监测点位于管道中心,同时测量气体流速、温度并记录气体的最大速度,根据管道直径计算管道横截面积,从而计算排放量。VA适用于监测较大的泄漏或排气口(流速范围为0.4～80 m/s),需进行常规校准,监测与维护成本较低。

热线风速计(HA)通过插入流动气流中测量加热线的温降来测量气流速度。适用于测量通风孔、开口管线和已知截面面积的封闭管道(如火炬管线),以及含有液滴和粘性夹带颗粒的气流。监测流速范围为0.2～200 m/s,监测点位于开口端中心,需进行常规校准,监测与维护成本较低。

上述设备中SVB、FM、VA、HA仅能够监测甲烷气体流量,对泄漏量的估算需进一步分析样品气体中的甲烷浓度。各类技术对比见表1。

表1 “自下而上”甲烷监测与量化技术比对

1.2 “自上而下”监测技术

针对油气生产设施分布范围广、组件密度大等特点,美国、加拿大、欧洲部署了快速筛选技术来提高甲烷排放监测效率,包括固定式连续监测传感器、地基走航监测、飞机、无人机和卫星等遥感监测技术。快速筛查技术更适于区域泄漏筛查,但不能直接准确地识别组件泄漏位点,需与近距离监测方法(如method 21、AWP)结合,从而准确找到泄漏组件。

固定传感器可用于甲烷浓度的连续和自动化监测,若甲烷浓度超过设定阈值则会触发警报。部署分布式固定传感器网络能够实时识别异常逸散排放,适合具有高组件密度的设施监测(如天然气厂、压缩机站、多井场等)。常见的固定传感器包括基于激光的线积分传感器、固定浓度监测器和红外相机等。其中,基于激光的线积分传感器适合永久安装,但目前商业化的传感器监测距离不超过100 m[22]。为提升监测距离,Alden[23],等开发了能够在监测距离大于1 km的范围内定位和量化甲烷排放的传感器。对于设施组件分布稀疏的上游油气企业,需部署可大范围监测且成本低、可大规模生产的传感器。目前由美国能源部资助的ARPA-E甲烷监测计划项目开发的混合打印智能碳纳米管传感器(灵敏度1 μmol/mol,成本低于2 000元)仍在实验开发阶段,实际应用效果未知。

b) 筛查速度取决于流量计的使用方法,直接安装在管道(实时监测)或便携式(10～20个/h)。

地基走航监测(MGL)将全球定位系统、甲烷传感器搭载于车辆,对行驶路径的气体羽流甲烷浓度分布进行表征,但对每个设施的监测时间较短(小于5 min)。Atherton,等[24]利用MGL在8 000 km范围内调查了1 600多个井场,证明MGL在规模化筛查中的应用潜力,但其无法对室内或难以靠近的泄漏源实施大规模监测。常用的车载甲烷传感器包括光腔衰荡光谱(CRDS)、TDLAS、线性量子传感器、超便携/开路式甲烷分析仪等。羽流监测通常在目标区域下风向,配合使用EPA 33A开发的其他测试方法(OTM)、高斯羽流模型、移动通量平面/统计技术以及示踪剂可视化反演等扩散模型,可对排放源进行定位与量化。MGL车辆可接近目标源(如井场内或附近道路),方法检出限随距离增加而增加(6～2 124 g/h)。

机载遥感监测通常基于质量平衡法计算目标区域的泄漏质量通量,但目前没有开发相应的标准方法对设备组件进行泄漏监测。飞行器可搭载采样装置,对三维空间中的空气进行采样,其检出限比遥感监测方法低一个数量级,但比OCI更具成本效益[25]。但该技术受气象条件、飞行器稳定性、续航能力(UAVs)、载荷重量与能耗、机载传感器性能等影响。卫星监测常利用大气传输模型模拟甲烷扩散路径,结合反演模型(包括拉格朗日粒子弥散模型和欧拉模型等),将测得的大气甲烷平均柱浓度转换为通量。目前全球已发射了22颗甲烷监测卫星[26],其监测能力受云覆盖率、地表反照率、风场及缺失像素的影响。过去几十年中,卫星的甲烷监测分辨率从1 800 km2(60 km×30 km,Envisat)、38.5～49 km2(5.5 km×7 km到7 km×7 km,哨兵-5P)提升到2.5×10-3km2(50 m×50 m,GHGSat),更高的监测分辨率将有效降低云对监测结果的影响。通过调研7个代表性卫星,甲烷最低检出限(MDL)范围为2.5×105～6.8×107g CH4/h。该方法适于大面积的甲烷超级排放源监测、全球甲烷排放估算及国家甲烷排放清单核查。各类技术对比见表2。

表2 “自上而下”甲烷监测技术比对

2 甲烷量化技术

多数甲烷监测设备可得到点或阵列浓度,无法获取排放总量。从浓度数据计算甲烷排放量是排放估算的关键步骤,甲烷MRV技术体系中通常将排放量化技术作为监测技术的补充方法。

2.1 自下而上法

工程计算法可根据设备设计和工艺流程特点,利用各类方法,计算常见工程过程中的甲烷排放[27,28],如利用Aspen HYSYS和Aspen Plus模拟复杂工艺过程计算燃烧效率[29]。工程计算法适用于已知的、特定输入条件下的点源、设施及场站多种类型的排放计算,无法识别新的排放源或量化具有不确定性的排放源(如超级排放源)。甲烷排放估算的准确度很大程度取决于计算或模型的数据输入和假设,保证排放估算方法、输入数据和假设条件的数据质量是提高工程计算法准确性的关键。

排放因子法通过采集排放因子与活动水平(产量、能耗、设备运行时长等)数据来快速计算甲烷排放量。排放因子随组件(泵或阀门类型)、工艺(天然气生产和加工)、设施(天然气加工厂和炼油厂)的不同而不同[30]。与工程计算法类似,排放因子法适用于计算排放因子代表的特定类型排放源,无法计算超级排放源,当采用国际通用排放因子时(IPCC级),其计算不确定性更高。排放因子法最好与直接测量法结合使用,以验证并校准排放因子,提高其代表性及准确性。

2.2 自上而下法

高斯扩散模型能有效描述连续排放点源的甲烷扩散规律如式(1):

(1)

式中:Ci(x,y,z)——甲烷质量浓度;

Qm,i——甲烷排放速率;

H——排放点的有效高度;

σy、σz——y和z方向的扩散系数;

u——平均风速。

扩散系数σy和σz可以由通过Pasquill-Gifford准则确定的空气稳定性参数来确定。由于风速、风向、温度等气象参数不断变化,在模型使用中通常采用气象参数的平均值。该模型的适用性受风速和表面粗糙度的影响。

示踪剂法通过引入标记的参考气体,并找出其与甲烷之间的关系,建立固定检测目标的甲烷排放浓度与泄漏率之间的关系,如式(2):

ΔXCH4=αVrelease

(2)

式中:ΔXCH4——由排放引起的甲烷浓度变化;

Vrelease——甲烷排放速率。

系数α综合了气象条件、地理环境等因素。通过观测已知排放率的参考气体获得α,由ΔXCH4计算甲烷Vrelease。该方法不需要复杂的模拟,但需假设甲烷的α与参考气体的α相同,这一假设对实验设计提出了许多限制,如参考气体的释放点必须足够接近排放源,并且甲烷排放源应相对集中。

质量平衡法的计算如式(3):

q=∬Ak(C(y,z)-C0)u(z)dydz

(3)

式中:q——测量断面之间的甲烷排放率;

k——单位换算系数

C(y,z)-C0——测量值和背景甲烷浓度之间的差;

u(z)——垂直于断面的风速。

质量平衡法量化方案分为2种类型:一是在排放源下风向选择甲烷充分混合的截面,采集不同高度的甲烷浓度与风速数据计算截面通量,该方案对大气稳定性和地形条件有限制(误差范围25%～60%)[31];二是利用箱式飞行法(box-flight)围绕排放源采集数据,保证箱体顶部甲烷羽流的完全捕获,并基于排放率检索算法(TERRA)和SciAv算法计算通量,从而估算甲烷排放量。箱式飞行法本身误差约为2%,但由于安全距离的限制,地表与箱体底部之间间隙的甲烷浓度反推误差较大(30%)[32-34]。

OTM33a方法常用光腔衰荡光谱(CRDS)测量甲烷浓度,利用风速计采集下风向风场数据,通过风向角对浓度数据进行分组,使用点源高斯数据分析法(PSG)量化甲烷排放[35-36]。在OTM33a-PSG中,采样点高度、位置、风速风向、障碍物等因素会影响量化结果(最大误差±70%),通过将测量位置设置在羽流扩散的正下风向并控制甲烷峰浓度在排放源±30°,高斯拟合相关系数R2>0.8等指标设定,有助于提升甲烷采集数据质量[37]。目前,OTM33a是短期测量中的主流量化技术选择。

3 油气行业甲烷MRV实践

3.1 监测(M)

当甲烷监测成本和时间投入有限时,企业需根据测量活动的最终目标选择不同的监测对象。若为开发排放因子,或者基于部分样本采集数据外推整体排放时,监测对象需具有代表性,考虑因素包括设备寿命、运行状态、设备类型、操作与运维情况、规模或负荷及产品组成等,随机多层级采样可有效提升排放因子准确性,但成本较高。

根据现有国际标准,不同排放源常用的甲烷监测与量化技术如表3。企业实际操作时,可选择适当的粒度对排放源进一步分层细化,最大程度降低甲烷监测与量化的不确定性。另外,一些排放源会随着时间的变化而变化,企业应考虑监测时间和长度及是否需要增加测量频率,以更有效地捕捉特定排放源的可变性。

表3 油气行业典型排放源的甲烷监测、量化技术

3.2 报告(R)

报告是企业跟踪、概述甲烷排放水平和排放特征随减排项目推进或时间变化的重要工具。根据强制监管或自愿目的,可分为测量活动报告和排放清单报告。

测量活动报告取决于监测量化活动使用的技术和方法,包括设施名称、位置、类型、设施工艺流程、组件或排放源信息(组件类型/子类型、排放源类型、组件或排放源编号)、减排评估方法及信息(检查日期、维护/修复日期)、测量日期、测量时长、测量结果(浓度、体积等)、排放气体组分、监测与量化方法等。排放清单报告概述了区域或设施的排放源及排放量级。若仅在企业内部报告,可作为监测对象的甲烷减排潜力挖掘工具;若公开排放清单报告,则应根据国内外清单编制要求、数据质量水平与透明度要求、行业或排放单位监管要求及自愿行动进展,编制相关报告。

3.3 核查(V)

核查主要是为了确保监测与报告阶段的一致性、全面性和合规性。如果发现数据不准确,就需要对原始排放数据进行保守估算,当发现MR监测与报告阶段出现违规行为时,可以采取法律手段。

根据欧盟在认证和核查法规中的规定,核查流程主要包括签约、时间分配、运营商提供信息、战略分析、风险分析、编写核查计划、实施核查活动、不符合项识别、得出核查结论、独立审查、保存内部核查文档、提交核查报告等过程。具体核查内容包括认证甲烷监测计划,确保数据是通过正规监测程序收集的,核查企业所持有的排放权足以抵消实际排放量的证据。核查完成后必须形成核查意见,明确指出排放报告中的数据是否存在重大虚假陈述,或是否存在重大违规现象。

4 总结与展望

健全可靠的MRV技术体系是油气行业甲烷排放量化、管控与参与碳市场交易的基础。本文从“自下而上”和“自上而下”两个方面,对多种甲烷监测与量化技术进行分类,归纳总结出不同甲烷监测与量化技术的特点,基于不同类型的排放源梳理了甲烷监测与量化技术的选择方案,并根据国际MRV技术体系运行规则,给出MRV全流程实践方法。油气行业的甲烷MRV技术建设在国内仍处于起步阶段,在以下几个方面还有待深入研究。

a) 甲烷监测技术呈现出智能化、简便化、全面化、法制化和标准化的发展趋势。手工监测在点多面广的油气生产环节大规模应用时耗时费力,结合快速区域筛查技术的组件级和随机性较大的超级排放源甲烷监测设备开发和方案优化是未来的发展方向。同时在快速区域筛查技术中,监测极限、通量估计误差、空间分辨率、成本、对不利气象条件的敏感性、对替代用例的适用性和未来潜力方面存在显著差异,如何理解应用场景及需求,并在多种影响因素中做出权衡,需要进一步研究。

b) 甲烷排放量化方法的一致性、全面性和严谨性仍需进一步提升。《油气甲烷伙伴关系》(Oil and gas methane partnership,OGMP 2.0)框架要求,最高级别的报告需要将场站及排放源之间的排放量进行互相协调验证[39]。《欧盟甲烷战略》已将卫星引用为排放量监测与跟踪的关键技术,但目前基于无人机、飞机和卫星为载体的遥感监测量化方法仍未形成可验证、准确性可控的技术体系,需进一步提升“天空地”一体化甲烷排放监测数据的量化能力建设。

c) 甲烷MRV实践方面,我国油气行业已根据IPCC等国际标准,初步完成了甲烷排放清单梳理,但是未针对甲烷MRV出台完整的政策及技术标准。建议下一步针对不同场景下的甲烷监测量化技术流程出台统一技术指南,对甲烷排放报告、甲烷减排项目报告等发布详细的技术要求,对第三方核查机构申报、资质要求、核查内容、方法和要求等进行详细规范,为油气行业MRV体系建设打下良好基础。