1. 油氣行業(yè)甲烷減排勢在必行
國際能源署（IEA）統計，2023年全球甲烷排放量為3.49×108 t，能源部門(mén)占比為36.8%，其中油氣行業(yè)占能源部門(mén)排放總量的62%，達到0.80×108 t。根據IEA評估，油氣行業(yè)有75%的甲烷減排可通過(guò)現有技術(shù)和最佳實(shí)踐措施來(lái)實(shí)現，其中40%的減排可通過(guò)零成本管理實(shí)現。因此，油氣行業(yè)甲烷減排潛力極大，且易于實(shí)現。
國際上，歐美針對油氣行業(yè)甲烷減排正陸續出臺更加具體且日益嚴格的監管要求。在美國，2021年11月美國政府出臺指導性文件《美國甲烷減排行動(dòng)計劃》，2022年8月美國總統簽署的《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(jìn)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有排放源的排放指南：石油和天然氣行業(yè)氣候審查》修訂文件，2024年5月EPA發(fā)布《溫室氣體報告規則 石油和天然氣系統》修訂文件。在歐洲，2020年10月歐盟委員會(huì )出臺指導性文件《歐盟甲烷減排戰略》，2024年6月歐洲議會(huì )和理事會(huì )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(mén)甲烷排放的法規《歐洲議會(huì )和理事會(huì )關(guān)于能源部門(mén)甲烷減排和修訂（歐盟）2019/942的法規》。
在我國，2023年11月生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合11部門(mén)發(fā)布國家政策文件《甲烷排放控制行動(dòng)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“加強甲烷排放監測、核算、報告和核查體系建設”和“推進(jìn)能源領(lǐng)域甲烷排放控制”中油氣行業(yè)需要承擔多項重要任務(wù)。
2. 油氣行業(yè)甲烷減排行動(dòng)中關(guān)于先進(jìn)監測設備的市場(chǎng)需求
油氣行業(yè)甲烷排放主要來(lái)自勘探、生產(chǎn)、加工和儲運分銷(xiāo)環(huán)節中的逃逸、放空和火炬不完全燃燒。逃逸性排放是指在各種設施及部件上無(wú)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導致的有組織排放。油氣行業(yè)甲烷排放呈現以下特點(diǎn)：（1）排放點(diǎn)數量多：每個(gè)生產(chǎn)現場(chǎng)或設施可能由成千上萬(wàn)個(gè)部件組成，其中可能包含幾個(gè)到數百個(gè)排放點(diǎn)。
（2）排放點(diǎn)地理分布廣：每個(gè)井場(chǎng)、壓縮站、天燃氣廠(chǎng)和管道段都是潛在排放源，這些設施經(jīng)常散布在偏遠地區。
（3）排放率的可變性：受許多因素影響，類(lèi)似設備和工藝的排放率可能存在較大差異；此外，一些排放點(diǎn)是間歇性的。
（4）難以感知：甲烷排放經(jīng)常是無(wú)色無(wú)味的，在不使用專(zhuān)用檢測設備情況下很難識別和估計排放。
油氣行業(yè)甲烷排放的這些復雜性特點(diǎn)給甲烷減排行動(dòng)中的排放監測帶來(lái)了巨大挑戰。
泄漏檢測和修復（LDAR）以及測量、報告和驗證（MRV）是油氣行業(yè)甲烷減排行動(dòng)中的兩種重要系統方法。表1總結了這兩種系統方法的基本定義、主要作用及相關(guān)甲烷排放監測的發(fā)展方向、法規進(jìn)展和設備需求。
表1 LDAR和MRV的基本定義、主要作用及相關(guān)甲烷排放監測的發(fā)展方向、法規進(jìn)展和設備需求
| 系統方法 | 泄漏檢測和修復（LDAR） | 測量、報告和驗證（MRV） | |
| 基本定義 | 一種識別和解決設備和設施潛在泄漏的系統方法。 | 一種跟蹤和記錄溫室氣體排放和減排的系統方法。 | |
| 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(jìn)基礎設施設備。 | 基于完善的MRV體系，油氣生產(chǎn)企業(yè)可通過(guò)控制甲烷排放總量來(lái)靈活制定甲烷減排策略。 | |
| 甲烷排放監測 | 發(fā)展方向 | 傳統LDAR泄漏檢測主要依賴(lài)于手持式設備，費時(shí)費力，在油氣行業(yè)中實(shí)施的定期檢測時(shí)間間隔往往長(cháng)達數月甚至一年以上，通常難以發(fā)現間歇性泄漏排放。因此，需要引入先進(jìn)檢測技術(shù)來(lái)提高LDAR泄漏檢測效率。 | 傳統的MRV甲烷排放量報告數據主要來(lái)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(jìn)MRV的必經(jīng)之路。 |
| 法規進(jìn)展 | 美國：以傳統檢測方法為基礎，場(chǎng)站級檢測方法可替代傳統檢測方法。 | 美國：源級測量為主，排放因子法為輔 | |
| 歐洲：以傳統檢測方法為基礎，場(chǎng)站級檢測法可部分替代傳統檢測方法 | 歐洲：源級測量與場(chǎng)站級測量相結合 | ||
| 中國：僅使用傳統檢測方法 | 中國：僅使用排放因子法 | ||
| 設備需求 | 源級檢測：OGI、FID等手持式泄漏檢測設備 | 源級測量：甲烷排放大流量采樣器。 | |
| 場(chǎng)站級檢測：基于衛星、飛機、無(wú)人機和車(chē)輛等移動(dòng)平臺上搭載高精度傳感器的甲烷排放監測設備；基于網(wǎng)格化定點(diǎn)安裝高精度傳感器的甲烷排放連續監測設備。 | 場(chǎng)站級測量：基于衛星、飛機、無(wú)人機和車(chē)輛等移動(dòng)平臺上搭載高精度傳感器的甲烷排放監測設備；基于網(wǎng)格化定點(diǎn)安裝高精度傳感器的甲烷排放連續監測設備。 | ||
在國內高度重視甲烷減排的政策背景下，國內油氣生產(chǎn)企業(yè)正在積極推動(dòng)企業(yè)級甲烷減排行動(dòng)，在LDAR和MRV應用中必然需要使用大量先進(jìn)的場(chǎng)站級和源級甲烷排放監測設備。然而，國內高精度甲烷傳感技術(shù)長(cháng)期落后于國際先進(jìn)水平，還沒(méi)有國內設備制造商能夠系統提供這些先進(jìn)設備。在部分油氣企業(yè)的試點(diǎn)和研究項目中，還是主要依賴(lài)使用進(jìn)口設備。進(jìn)口設備不僅存在使用成本過(guò)高的問(wèn)題，也難以響應國內特定應用需求。因此，面對國內油氣企業(yè)甲烷減排行動(dòng)中對先進(jìn)設備的廣泛應用需求，迫切需要國內設備制造商加快研發(fā)高精度甲烷傳感技術(shù)，并提供具備自主技術(shù)的場(chǎng)站級和源級甲烷排放監測設備。
3. 油氣行業(yè)甲烷排放監測的整體解決方案
四方光電（武漢）儀器有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)四方儀器）是專(zhuān)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建MRV技術(shù)體系提供高精度甲烷排放監測及準確的定性與定量分析結果。
3.1 四方儀器整體解決方案的框架體系
本方案框架分為監測感知層、數據解析層和業(yè)務(wù)應用層。監測感知層主要產(chǎn)品包括：場(chǎng)站級水平的甲烷排放連續監測系統、車(chē)載甲烷排放監測系統和無(wú)人機甲烷排放監測系統；源級水平的便攜式紅外熱像儀和便攜式大流量采樣器。多款監測設備和傳感器組合適用于天然氣生產(chǎn)開(kāi)采、加工、儲存、運輸等不同環(huán)節，全方位、全流程采集和測量甲烷排放濃度等關(guān)鍵信息。數據解析層的軟件平臺基于5G網(wǎng)絡(luò )通訊實(shí)時(shí)傳輸并顯示測量數據，實(shí)時(shí)計算排放率，并判定排放事件和量化排放。數據解析層各軟件平臺分析結果相互結合可為業(yè)務(wù)應用層的油氣生產(chǎn)企業(yè)應用目標提供關(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)
可調諧半導體激光吸收光譜法（TDLAS）是一種特別適用于高精度探測空氣中甲烷含量的先進(jìn)光學(xué)技術(shù)。TDLAS基本原理為，使用可調諧半導體激光器發(fā)射出特定波長(cháng)激光束穿過(guò)被測氣體，通過(guò)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(diǎn)：測量精度高，最小檢測限可達ppb級；響應快，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)境適應性強；使用壽命長(cháng)；模塊化設計，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(chǎng)站級和源級甲烷排放監測設備的核心技術(shù)、主要功能和應用范圍
| 設備名稱(chēng) | 核心技術(shù) | 主要功能 | 應用范圍 | |
| 場(chǎng)站級 | 甲烷排放連續監測系統 | TDLAS甲烷傳感技術(shù) | 通過(guò)網(wǎng)格化定點(diǎn)安裝，長(cháng)期連續測量空氣甲烷濃度、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(chē)載甲烷排放監測系統 | 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(wú)人機甲烷排放監測系統 | 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利用光學(xué)成像技術(shù)快速自動(dòng)識別和定位甲烷泄漏點(diǎn) | LDAR |
| 便攜式大流量采樣器 | TDLAS甲烷傳感技術(shù) | 通過(guò)高流量風(fēng)機完全抽取甲烷泄漏點(diǎn)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(diǎn)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)甲烷排放監測整體解決方案的應用示意圖
3.4 油田生產(chǎn)區域的甲烷排放監測應用設計
| 設備名稱(chēng) | 產(chǎn)品配置 | 監測對象 | 監測方法 | 監測目的 |
| 甲烷排放連續監測系統 | 甲烷分析儀主機 | 聯(lián)合站區域 | 將聯(lián)合站區域劃分為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(gè)監測點(diǎn)； | 基于所有網(wǎng)點(diǎn)監測數據計算聯(lián)合站每日甲烷排放總量； |
| 超聲波風(fēng)速儀 | 常年24小時(shí)連續測量空氣甲烷濃度及風(fēng)向和風(fēng)速。 | 基于實(shí)時(shí)監測數據及時(shí)發(fā)現聯(lián)合站內部甲烷排放事件并計算排放速率。 | ||
| 太陽(yáng)能電池 | ||||
| 氣體采樣裝置 | ||||
| 設備安裝桿 | 油井區域 | 將油井區域劃分為50 × 50米的網(wǎng)格單元，根據當地盛行風(fēng)向在每個(gè)油井所占方格下風(fēng)向緊鄰空白方格中布置一個(gè)監測點(diǎn)； | 基于所有網(wǎng)點(diǎn)監測數據計算油井區域每日甲烷排放總量； | |
| 常年24小時(shí)連續測量空氣甲烷濃度及風(fēng)向和風(fēng)速。 | 基于實(shí)時(shí)監測數據及時(shí)發(fā)現油井區域甲烷排放事件并計算排放速率。 | |||
| 車(chē)載甲烷排放監測系統 | 甲烷分析儀主機 | 油田生產(chǎn)區域（聯(lián)合站+油井+集輸管道） | 根據公路地圖設計可覆蓋油田生產(chǎn)區域的車(chē)載走航行駛路線(xiàn)，使用機動(dòng)車(chē)搭載系統設備按照既定路線(xiàn)以正常車(chē)速行駛，同時(shí)連續測量空氣甲烷濃度、風(fēng)向、風(fēng)速和經(jīng)緯度。 | 基于實(shí)時(shí)連續監測數據快速篩查發(fā)現油田生產(chǎn)區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 | ||||
| 氣體采樣裝置 | ||||
| 供電單元 | ||||
| 無(wú)人機甲烷排放監測系統 | 甲烷分析儀主機 | 油田生產(chǎn)區域中車(chē)載走航無(wú)法覆蓋的設施區 | 設計圍繞設施區的飛行路線(xiàn)，使用無(wú)人機搭載系統設備按照既定路線(xiàn)勻速飛行，同時(shí)連續測量空氣甲烷濃度、風(fēng)向、風(fēng)速和經(jīng)緯度。 | 基于實(shí)時(shí)連續監測數據快速篩查發(fā)現油田生產(chǎn)區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 | ||||
| 氣體采樣裝置 | ||||
| 供電單元 | ||||
| 無(wú)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)合站內部所有設施和部件 | 針對聯(lián)合站中泵、壓縮機、攪拌器、閥門(mén)、安全閥、取樣連接系統、開(kāi)口閥、法蘭和連接件等設施和部件的密封點(diǎn)，先使用OGI進(jìn)行快速全面掃描，再使用大流量采樣器快速測量泄漏點(diǎn)的排放速率。 | 基于標準方法開(kāi)展LDAR調查，發(fā)現泄漏點(diǎn)，并準確快速測量排放速率。排放速率數據可用于計算排放總量以及建立組件細分類(lèi)排放因子。 |
| 便攜式大流量采樣器 |
圖5 聯(lián)合站區域甲烷排放連續監測的網(wǎng)格化監測點(diǎn)位設計
圖6 油井區域甲烷排放連續監測的網(wǎng)格化監測點(diǎn)位設計
圖7 油田生產(chǎn)區域車(chē)載甲烷排放監測的行駛路線(xiàn)及甲烷濃度示意圖
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