海上CCS 项目CO2在线监测技术研究*

田文爽 （中国海洋石油集团有限公司节能减排监测中心）

工业革命以来，大气中温室气体浓度显著增加，全球应对气候变化形势日趋严峻，极端气候事件对民众生活的影响越来越大。全球变暖背景下，国际社会迈向碳中和的共识不断增强。但近年来，国际环境错综复杂，能源市场存在明显的不稳定性和不确定性，为全球温升控制目标的实现带来负面影响。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC） 2021 年第六次评估报告，全球温升已达1.1 ℃，导致极端气候发生频率明显升高[1]。随着时间推移，各国越来越需要采取更有力的手段来推动减排。CO2捕集与封存（CCS） 作为实现大规模降碳的技术，普遍被国际作为未来减少碳排放、实现可持续发展的重要手段。中国海油深入贯彻落实国家“双碳”战略部署，于2021 年启动了我国首个海上CO2封存示范工程，全面推进CCS 产业发展。CCS 项目运营的关键是要确保CO2得到长期封存。随着全球范围内越来越多的CCS 项目开发，由于CO2封存泄漏而给环境、人员安全带来的风险逐渐受到关注。因此，从保障海上CCS 项目相关平台人员作业环境安全性的角度出发，开展海上CCS 项目平台环境CO2在线监测技术研究。

1 CO2监测现状

CO2捕集、利用与封存项目全流程都涉及到CO2介质，作为窒息性气体，环境中CO2浓度超过一定限值，将对人体健康产生严重危害。根据童朝阳等[2]的研究，人体吸入的空气中CO2浓度超过2%（体积分数）就会激活呼吸换气的生理反应，对周围其他有害气体的耐受性也将会大幅下降。美国政府工业卫生专家协会（ACGIH）公布的职业接触限值（OELs） 中，CO2的时间加权平均容许浓度为9 000 mg/m3，短时间接触容许浓度为54 000 mg/m3，我国相关标准规定的CO2时间加权平均容许浓度为9 000 mg/m3，在数据上与ACGIH 要求一致，短时间接触容许浓度为18 000 mg/m3，比ACGIH 要求更严格[3]。

虽然大多数CO2封存项目被验证是安全的，但潜在的泄漏风险也不容忽视。2010 年12 月与2011年2 月，美国丹伯里（Denbury）公司位于洛杉矶和德克萨斯州的CO2输送管道因焊接缺陷发生泄漏[4]；2011 年8 月，丹伯里公司在密西西比开展的CO2强化驱油项目中发生井喷，大量CO2、原油和钻井泥浆持续喷出，造成井口附近的鹿等动物窒息[5]；2020 年2 月，丹伯里公司的一条CO2输送管道再次发生故障，导致密西西比州Satartia 附近的49人生命安全受到威胁，约300 名居民被迫撤离[6]。因此，环境中CO2浓度是影响海上CCS 设施及周边平台人员作业环境的重要因素之一，在项目中对CO2进行重点监测是十分必要的。

在已实施的众多项目中，建设方或运营方采取了多种监测技术进行监测实践，以确保CO2封存安全性，主要包括以地震监测、测井技术等为代表的地球物理监测技术，以井流体化学分析、示踪剂技术、土壤气体分析、大气监测等技术为代表的地球化学监测技术以及地下模拟技术等[7]。如神华煤制油深部咸水层CO2地质封存示范项目采用井下温度压力监测和时移VSP 地震监测技术，确认了CO2运移范围。采用浅层地下水监测、原位通量监测、近地表CO2/SF6监测等，从不同角度对CO2泄漏进行了监测[8]。挪威国家石油公司在Sleipner 项目中的地震监测结果显示了CO2层状羽状体在咸水层内的发展和运移状况；加拿大Weyburn 项目中，定期取样对pH 值、Ca2+、Mg2+、溶解固体（TDS）总量等进行分析，监测CO2与储层流体及岩石基质发生的短期化学反应，而注入碳的同位素能监测到CO2向储层的运移[9]。李琦等分析了SECARB、Otway、Lacq、Weyburn、 Gorgon、 Sleipner、 In Salah、 Snøhvit、CO2SINK 等全球几个项目的监测内容，根据分析结果，所参考的各海外油气田在监测对象及监测技术应用中仅有SECARB，Otway，Lacq 对大气CO2浓度进行了监测[10]。

国内外对CCS 项目的监测以地面设备运行状态监测、地面管线完整性监测、CO2注入流量监测、井筒完整性监测、羽流前沿跟踪、封存箱体盖层/断层完整性监测、地面/近地表土壤与水质监测、地面沉降监测等为重点，对大气CO2浓度，特别是对人员活动空间的CO2浓度实时监测重视程度相对较低，研究应用涉及较少。

2 在线监测系统

2.1 监测范围

海上CCS 项目监测范围包含海平面以上、海洋水体及海底地质多个维度，相比陆地项目监测难度及成本更高。注入平台及周边油气田生产设施具有空间紧凑、生产环境复杂、有多种有毒有害气体存在的可能等特点，加之受限空间较多，人员疏散的及时性也难以保障。因此，平台环境CO2监测是海上地质封存监测系统中的核心之一。建设适合海上CCS 项目的在线监测系统，需要结合海上生产设施的特点并兼顾项目的监测需求做好规划。

2.2 系统架构

结合当前海上CCS 项目的环境CO2监测需求，系统架构主要包括数据采集层、数据传输层、系统平台层以及应用展示层。监测系统功能架构见图1。

图1 监测系统功能架构Fig.1 Functional architecture of the monitoring system

监测系统通过上述功能架构，将监测数据流、信息流集成统一的管控展示体系。监测系统工作流程见图2。

图2 监测系统工作流程Fig.2 Workflow of the monitoring system

数据采集层由多个CO2气体浓度监测传感器、气象参数传感器等监测设备组成，根据海上平台监测场景，在注入设施泄漏风险点重点布置，可以对CO2浓度、气象参数进行连续、自动在线监测；同时预留第三方接口，满足系统对海洋环境原位监测、海底地质监测等的可扩充性。数据传输层主要包括数据采集器及传输模块等，接收到来自采集层的实时数据后，通过传输模块把监测数据传送到系统平台层进行进一步存储和处理。系统平台层搭建数据接口，对网络设备、服务器、存储设备等基础设施进行整合，满足数据的存储、管理、计算、交换需求，实现对前端监测设备上传的数据进行数据存储、统计分析、趋势分析、查询比较，进行信息的处理和归集整理，提供给用户实现终端数据展现。应用展示层包括根据系统具体需求实现的应用功能模块，并对数据信息进行可视化，提供丰富的界面展示（浓度云图、GIS、BIM 模型等）和多维数据展示形式（监控图、报表、趋势图、统计图）；直观、形象的实时显示各监测点位和整个区域的CO2浓度情况，并提供异常报警、区域定位等多种服务，以方便管理人员使用。

2.3 系统安全性

系统安全性主要从网络安全和数据安全两方面考虑。在网络安全方面，海上平台生产设施的信息网络相对封闭，因此系统及网络的安全性能够得到有效保障。考虑未来在陆地建立监测中心的需要，规划利用公司已有的云平台进行部署。规划利用公司已有的云平台进行部署，并通过网关确保数据传输的安全性。特别是考虑到生产安全，在DCS 和PMS 系统的数据出口以及平台与陆地通信数据出口分别设置界面防火墙和IT 防火墙，对关键系统实施隔离。

在数据安全方面，监测系统采用严密的身份验证和访问控制机制，从账号管理、口令安全、认证授权、日志配置、IP 协议安全、系统服务及端口、数据执行保护、SNMP 服务管理等多方面考虑，并设计核心数据隔离功能，避免无关人员接触这些数据，从而保障数据安全。

3 监测传感器原理及选择

3.1 常用气体监测传感器原理

环境CO2在线监测工作的开展，最重要的工作内容是监测技术及传感器的选取和应用。在大气环境气体的监测技术中，按照原理主要有化学法和光谱学方法。

1）化学法可以根据气体的化学性质，通过化学反应进行环境气体测量，如以酸碱反应为基础的指示剂滴定法等，受限于检测时间长等难以进行连续监测，常用于实验室检测。化学法更多的应用原理为电化学分析方法，主要包括色谱、质谱分析和色谱-质谱联用技术等。气相色谱法是利用气体在不同物理化学条件下移动速度不同导致分离的分析方法，常用检测设备有火焰电离检测器（FID）与热导检测器（TCD）等；质谱分析是在高真空下将样品离子化，通过测量离子的谱峰强度而实现分析目的，常与气相色谱联用，广泛应用于复杂组分的分离与鉴定，相比气相色谱法灵敏度更高。气相色谱、质谱检测设备对样品预处理要求较高，完成一次检测通常需要几分钟到几十分钟，难以实现实时监测，用于连续监测还受限于成本偏高、设备体积较大；电化学分析是将气体在电极处进行电化学反应，通过电流或电压等信号反映被测气体浓度。常见的传感器有电解式气体传感器、伽伐尼电池式气体传感器、固体电解质气体传感器、半导体式传感器等。电化学传感器监测精度容易受到温度波动及其他干扰气体的影响，通常寿命只有六个月到一年。

2）光谱学方法基于不同气体分子对特定波长光的吸收特性不同，从而实现对气体的准确监测。该方法具有快速、非破坏、高效、动态等优点，适用于现场快速检测以及实时在线分析，广泛应用于环境监测、工业安全等领域。常用于气体在线分析的光谱学方法主要有非分散红外（NDIR）、傅立叶变换红外光谱（FTIR）、 差分吸收激光雷达（DIAL）、差分光学吸收光谱（DOAS）和可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS） 等。NDIR 技术基于气体在红外波段的特定吸收特性进行检测，通过计算光谱强度的变化量可以反演出气体浓度；CO2气体吸收光谱的峰值主要集中在4.3 μm 区域，且在此区域几乎不受其他气体干扰，因此在CO2气体浓度检测领域具有独特的优势。FTIR 技术是使样品路和参考路的光产生干涉，并通过傅立叶变换转换为红外光谱图，具有扫描速度快、光通量大和灵敏度高等技术优势；但价格相对较高，容易受到水蒸气等杂质的干扰。DIAL 技术将两束高能激光引导到大气中，将散射回来的光强信号进行比较分析，得到气体的吸收量；但整套系统非常复杂，运行成本高，占地面积大。DOAS 是在紫外和可见波段对气体分子的特征吸收进行检测分析的技术，具有无需采样、高时间分辨率及低检测限等特点；但一般6个月需要更换一次氙灯，并进行零点校准，运行维护成本较高。TDLAS 技术利用了半导体激光器可调谐和窄线宽的特性，进而避开其他气体吸收谱线，具有高选择性和高灵敏度；但目前设备价格较高，不适用于大规模布置。

3.2 传感器选择与布置

海上平台设施环境具有湿度大、干扰气体成分复杂等特点。在传感器选择上应当注意几个方面：一是灵敏度，灵敏度是保障检测精度的重要依据；二是抗干扰能力及防腐、防爆能力，由于海上环境较为复杂，因此传感器的干扰性以及应对氯离子腐蚀、电气防爆也是保障性能和安全性的重要部分；三是体积与价格，由于海上设施复杂性，往往需要网格化布置传感器，因此便于布置和性价比也是需要综合考虑的重要部分。根据不同类型传感器的优缺点，选取NDIR 传感器作为海上CO2在线监测系统主要传感器，并进行人员活动区域网格化布置，TDLAS 传感器在泄漏高风险点位进行局部布置，同时做好防腐、防爆处理。

对于传感器布置点位的选择，一般在海上设施各个甲板层上布设的传感器越多，监测系统就能够获得越多的数据，但实际的监测中需要考虑功能与成本最优原则。因此，在实际监测环境中，应在满足监测系统功能的前提下，利用有限的传感器获取最有价值的数据。布点的选择遵循下列原则：一是范围覆盖，在人员重点活动区域如生活甲板层和外操活动区域等开展网格化布置；二是重点监测，在CO2压缩机房和管路沿线封闭环境等点位加强监测。

4 数据传输模式

数据传输主要是通过不同通信协议之间的转换，实现系统与监测设备之间的通信。数据传输层接收到来自分布式数据采集设备的实时数据传送到系统平台层进行进一步存储和处理。综合多方面因素考虑，海上平台环境CO2在线监测系统在数据传输部分采用有线传输和无线传输两种形式。

1）有线传输。对于新建平台设施部署监测系统，在设计阶段做好规划，尽量采取有线传输模式。考虑到传输距离，选用RS485 串口通信协议进行数据的有线传输，减少数据传输过程的丢失。监测终端的表头式传感器通过RS485 通信协议将采集到的数据上传至数采仪中，数采仪整合数据后再通过TCP/IP 协议将数据上传至服务器。其他箱体式监测仪如TDLAS 气体传感器、CO2红外线气体分析仪直接采用TCP/IP 协议，将数据上传至服务器，平台分析服务器获取数据并于前端展示。在平台间及平台到陆地的数据传输过程中，可以使用海油海底光缆进行数据传输，并在陆地机房中部署服务器、操作平台。

2）无线传输。无线传输具有不依赖现有基础设施、扩容能力强等优点。因此，既有平台设施增设监测系统时，对海上平台设施无法布线的局部区域，在就近区域的数据采集仪与服务器之间采用无线LoRa（Long Range Radio）传输的形式。LoRa 通过无线射频进行通信，能够将采集数据通过点对点的方式发送到网关节点，并进一步传输到服务器，在同样的功耗下比其他无线方式通信的距离更远，对平台内监测点位的数据传输有较强适用性。对于超远距离传输，可以采用卫星通信的形式，但考虑到卫星通信延时高、带宽低、成本高的缺点，只有未来在远离平台的海床、海洋中的原位传感器采用卫星通信数据传输方式。

5 应用与展示层

监测系统在设计中采用主流B/S 框架结构和面向对象的开发理念，系统规划有平台概览、数据查询、统计分析、报警管理、报表管理、基础配置、系统配置等主要功能模块。监测系统功能界面见图3。

图3 监测系统功能界面Fig.3 Functional interface of the monitoring system

在平台概览展示方面，结合监测系统对空间及点位监测的需求，将BIM+GIS 技术应用于在线监测系统中。该模块能够在界面上显示海上平台分布及实时监测信息，包含设备编号、经纬度、负责人等；通过对海上平台的三维建模和监测数据动态拟合，绘制浓度云图，实现BIM 数据和GIS 数据的融合及三维可视化展示。

数据查询及统计分析模块能够通过自定义搜索选择平台和点位名称，并实时监测设备远程状态，满足用户根据需求进行监测数据筛选；支持以天、月及自定义等方式进行历史数据查询和同比、环比趋势分析，从时间和空间的角度进行多样化监测数据展示和分析对比。

在报警管理中的报警限值模块可以对环境CO2浓度的报警值进行增、改、查、删操作，除了常规超值报警外，监测值短期波动值过大时系统进行预警。报警查询模块可以展示报警信息情况，以列表的形式显示监测数据、报警点位、记录时间等信息，用户能够便捷的对监测指标异常的报警信息进行查看。

报表管理模块能够在历史数据的基础上，显示海上平台各个点位环境CO2浓度监测的信息，可以通过自定义搜索选择平台和点位名称，根据实际需要对查询时间段进行选择，并以列表的形式显示监测数据、时间、气象参数等数据信息，使用户能够以时间、位置、指标为基本统计维度，直观、清楚地查看及导出报表。

基础配置与系统配置模块可以对监测指标、监测点位、用户信息、用户权限等信息进行管理，以列表的形式显示对应信息，并进行增、改、查、删操作。

6 结论及展望

CCS 技术在碳减排领域有广阔的应用前景，但其潜在的泄漏风险也在一定程度上制约着技术的发展。结合“双碳”背景以及海上CCS 项目的发展，介绍了海上平台CO2在线监测系统技术研究情况，重点阐述了系统架构、系统安全性、监测传感器的原理及选择，以及系统的数据传输模式和应用与展示功能。该系统以CO2监测传感器为基础，实现了对海上平台环境CO2的实时监测，具有同比和环比分析、趋势分析、报表管理、报警管理以及基础配置和系统配置等功能，为海上CCS 项目顺利开展提供了平台环境CO2监测的解决方案。

现阶段，由于技术和成本问题，海上平台环境CO2在线监测的布点仍局限在平台及周边区域，对于远离平台的区域开展连续、实时监测仍面临设备供电、数据传输、点位选择及固定、传感器回收维护等诸多问题。未来海上CCS 项目CO2在线监测仍有很大发展空间，引入更多先进的监测技术和多维度的监测参数，建设集成更先进的监测设备与通信设备的海陆空一体的CCS 项目综合监测中心，优化监测布点的选择，实现覆盖整个封存区域的连续、实时、在线监测，对于了解海上CCS 项目生态环境影响状况、量化风险评估和进行泄漏预警等具有重要的意义。