油气田燃料天然气组分特征对实测碳排放因子的影响

廉军豹 付玥 张鑫 袁良庆 刘宏彬 李世熙 谭小红

（大庆油田设计院有限公司）

根据GB/T 32150—2015《工业企业温室气体排放核算和报告通则》[1]和《中国石油天然气生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》[2]（简称行业指南），石油天然气生产企业燃料天然气碳排放核算采用的方法为排放因子计算法，即燃料天然气碳排放量等于燃料天然气燃烧量乘以燃料天然气碳排放因子。燃料天然气碳排放因子可根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）、国家统计局、国家发展改革委应对气候变化司等权威机构发布的文件中的缺省值数据计算获得或者对某个参数进行实测计算获得。目前石油天然气生产企业碳排放核算处于起步阶段，燃料天然气碳排放因子主要采用缺省值数据计算的默认值。ISO14064-1 指出特定场地的数据通常优于非特定场地的数据[3]，相比缺省值，采用实测数据更能准确地反映真实的碳排放情况[4-5]，油气田燃料天然气种类较多，且组分差异较大，有必要探索燃料天然气组分特征对实测碳排放因子的影响，为油气田燃料天然气碳排放核算提供技术支持。

1 碳排放核算方法及要求

根据GB/T 32150—2015 以及行业指南，企业的化石燃料燃烧CO2排放量基于企业边界内各个设施燃烧不同品种的化石燃料燃烧量，乘以相应的燃料含碳量和碳氧化率，再逐层累加汇总得到，公式如下：

式中：ECO2_燃烧为企业的化石燃料燃烧CO2排放量，tCO2；i为化石燃料的种类；j为燃烧设施序号；ADi,j为燃烧设施j内燃烧的化石燃料品种i消费量，气体燃料以气体燃料标准状况下的体积（104Nm3）为单位，非标准状况下的体积需转化成标况下进行计算；CCi,j为设施j内燃烧的化石燃料i的含碳量，对于气体燃料单位为tc/104Nm3；OFi,j为燃烧的化石燃料i的碳氧化率，取值范围为0～1，天然气碳氧化率为0.99；EFi,j为设施j内燃烧的化石燃料i的碳排放因子， 对于天然气单位为tCO2/104Nm3。

式中：n为待测气体的各种气体组分；CCg为待测气体的含碳量，tc/104Nm3；Vn为待测气体每种气体组分n的体积浓度，0～1；CNn为气体组分n化学分子式中碳原子的数目；12 为碳的摩尔质量，kg/kmol；22.4 为标准状况下理想气体摩尔体积，Nm3/kmol。

式中：NCVg为气体燃料低位发热量，GJ/104Nm3；EFg为气体燃料的单位热值含碳量，tc/GJ。

根据燃料天然气含碳量CCg获取方法的不同，天然气燃烧碳排放核算计算过程参数对比见表1。

表1 燃料天然气碳排放核算计算过程参数对比Tab.1 Comparison of process parameters for calculating carbon emissions from fuel natural gas

根据行业指南，燃料天然气实测含碳量依据GB/T 13610《天然气的组成分析气相色谱法》；实测低位发热量依据GB/T 22723《天然气能量的测定》或GB/T 13610《天然气的组成分析气相色谱法》、GB/T 11062—2020《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》，后者比较常用[6-8]。

2 实测碳排放因子的影响分析

2.1 天然气组分特征对实测含碳量碳排放因子的影响

根据公式（1）、（2），燃料天然气实测含碳量碳排放因子计算公式如下：

由公式（4）可知，燃料天然气实测含碳量碳排放因子实际上是一种加权平均，含碳原子数量较多的组分含量越多，实测含碳量碳排放因子越大，含碳原子数量较少的组分或H2、O2、N2、He 不含碳的组分含量越多，实测含碳量碳排放因子越小。天然气组分构成见表2。

表2 天然气组分构成Tab.2 Composition of natural gas components

2.2 天然气组分特征对实测低位发热量碳排放因子的影响

根据公式（1）、（3），燃料天然气实测含碳量碳排放因子计算公式如下：

根据GB/T 11062—2020[8]：

由公式（5）（6）分析可知，天然气实测低位发热量碳排放因子本质上也是一种加权平均值，是各组分理想气体摩尔低位发热量的加权平均。根据GB/T 11062—2020，计算各组分在标况下理想气体摩尔低位发热量：CO2、O2、He、N2为0 kJ/mol，H2为241.768 kJ/mol，C1(甲烷)为802.606 kJ/mol，C2(乙烷)为1 428.754 kJ/mol，C3(丙烷)为2 043.242 kJ/mol，C4(异丁烷、正丁烷)为2 648.28 和2 657.47 kJ/mol，C5(新戊烷、异戊烷、 正戊烷) 为3 250.688 ～3 271.838 kJ/mol，C6(己烷)及更重组分≥3 887.046 kJ/mol，可见，有机组分分子式含碳原子数量越多，理想气体摩尔低位发热量越大。燃料天然气含碳原子数量较多的有机组分含量越多，低位发热量越大，相应的实测低位发热量碳排放因子越大；含碳原子数量较少的组分或H2、O2、N2、He 不含碳的组分含量越多，低位发热量越小，相应的实测低位发热量碳排放因子越小。

2.3 两种实测碳排放因子之间差异原因分析

实测低位发热量碳排放因子与实测含碳量碳排放因子之间差异主要来自两方面：

1）不同的获取含碳量方法之间存在系统性差异。前者通过实测低位发热量×单位热值含碳量缺省值获取，后者通过检验方法直接获取，两种方法之间存在系统性差异。

2）贡献热值及提供碳原子的天然气组分存在差异。贡献热值的组分包括非CO2的含碳组分及H2，提供碳原子的组分包括含CO2在内的含碳组分。

2.4 实例分析

油气田燃料天然气种类主要有：①采油系统使用的伴生湿气和返输干气；②油气加工系统使用的深冷、浅冷轻烃回收装置外输气；③采气系统及部分采油系统使用的气田气。通过集气技术、轻回收、燃烧利用提高伴生湿气的回收利用，有利于节能减排及提质增效[9-10]。为探索燃料天然气组分特征对实测碳排放因子的影响，可通过油气田各生产系统使用各类燃料天然气的典型实例进行对比分析：伴生湿气与返输干气；深冷与浅冷轻烃回收装置外输气；气田气。

实例1：伴生湿气与返输干气。以某集气间伴生湿气及返输干气为例进行说明。天然气实测数据见表3。返输干气中C1(甲烷、CO2)组分明显比伴生湿气中多，C2(乙烷)、C3(丙烷)、C4(异丁烷、正丁烷)、C5(新戊烷、异戊烷、正戊烷)、C6(己烷)及更重组分明显比伴生湿气少，返输干气的实测含碳量碳排放因子及实测低位发热量碳排放因子明显小于伴生湿气。天然气组分中不含H2，但含有4.18%～5.62%的CO2，实测低位发热量碳排放因子明显小于实测含碳量碳排放因子。

表3 某集气间外输伴生湿气及返输干气实测数据Tab.3 Measurement data of external associated moisture and returned dry gas from a gas gathering room

实例2：深冷与浅冷轻烃回收装置外输气。以各有若干组的深冷、浅冷轻烃回收装置外输气为例进行进行对比分析，深冷、浅冷轻烃回收装置外输气实测数据平均值见表4。

表4 深冷、浅冷轻烃回收装置外输气实测数据Tab.4 Measurement data of external gas transmission from deep-cooled and shallow-cooled light hydrocarbon recovery units

深冷轻烃回收装置工艺相比浅冷轻烃回收装置工艺能压榨更多的天然气中较重的烷烃组分进入轻烃中，也反映在表4 的组分数据中。相比浅冷轻烃回收装置外输气，深冷轻烃回收装置外输气C1(甲烷、CO2)组分明显偏多，C2(乙烷)、C3(丙烷)、C4(异丁烷、正丁烷)、C5(新戊烷、异戊烷、正戊烷)、C6(己烷)及更重组分明显偏少，实测含碳量碳排放因子及实测低位发热量碳排放因子也明显偏小。天然气组分中不含H2，含有一定量的CO2，实测低位发热量碳排放因子明显小于实测含碳量碳排放因子。

实例3：气田气。以3 组典型的气田气为实例进行分析，实测数据见表5。可以看出，各组气田气不含H2；C1(甲烷与CO2合计)、C2(乙烷)、C3(丙烷)、C4(异丁烷、正丁烷)、C5(新戊烷、异戊烷、正戊烷)、C6(己烷)及更重组分以及实测含碳量碳排放因子差异较小； C1组分中甲烷和CO2含量却差异极大（很大可能是因为各组气田气的气层差异很大所致），相应的实测低位发热量及实测低位发热量碳排放因子差异也很大，且CO2含量越大，相应的实测低位发热量及实测低位发热量碳排放因子越小，相应的实测低位发热量碳排放因子与实测含碳量碳排放因子之间差异越大。对于QTQ-1 气田气，由于不含CO2，不同的获取含碳量方法之间存在的系统性差异，是导致实测低位发热量碳排放因子比实测含碳量碳排放因子偏小的主要原因， 偏小0.99 tCO2/104Nm3，偏小比例5.15%。

表5 气田气实测数据Tab.5 Measurement data of gas from gas field

2.5 各类碳排放因子之间的普遍性差异

通过上述实例分析，油气田各类燃料天然气碳排放因子之间存在普遍差异：干气的实测碳排放因子明显比湿气的小；实测低位发热量碳排放因子明显比实测含碳量碳排放因子小。

3 结论

油气田燃料天然气种类较多，组分特征差异较大，组分特征对实测碳排放因子有着显著的规律性影响：

1）返输干气相比伴生湿气，深冷轻烃回收装置外输气相比浅冷轻烃回收装置外输气。含碳原子数量较少的组分C1（甲烷、CO2） 含量明显较多，含碳原子数量较多的组分C2（乙烷）、C3（丙烷）、C4（丁烷）、C5（戊烷）、C6（己烷）及更重组分含量明显较少，实测含碳量碳排放因子及实测低位发热量碳排放因子明显较少；一定含量的CO2以及不同获取含碳量方法之间存在的系统性差异，导致了实测低位发热量碳排放因子明显小于实测含碳量碳排放因子。

2）气田气。C1（甲烷与CO2合计）、C2（乙烷）、C3（丙烷）、C4（丁烷）、C5（戊烷）、C6（己烷）及更重组分差异较小，实测含碳量碳排放因子差异较小；但C1组分中甲烷和CO2含量差异却极大，实测低位发热量碳排放因子差异也很大，且CO2含量越大，实测低位发热量碳排放因子越小，实测低位发热量碳排放因子与实测含碳量碳排放因子之间差异越大，在不含CO2的情况下，不同获取含碳量方法之间存在的系统性差异，导致了实测低位发热量碳排放因子明显比实测含碳量碳排放因子偏小，偏小可达5%左右。