1. 油氣行業(yè)甲烷減排勢在必行

工業(yè)革命以來，大氣中的甲烷濃度增加了一倍多，甲烷所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)在全球變暖中貢獻(xiàn)了約三分之一。甲烷雖然影響巨大，但它是一種短期的氣候污染物，在大氣中的壽命大約為10年。如此短的生命周期意味著，通過減少甲烷排放可以較快降低全球變暖效應(yīng)，有效調(diào)節(jié)全球氣候變化。因此，甲烷減排是實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》1.5℃溫控目標(biāo)的關(guān)鍵支柱之一。

國際能源署（IEA）統(tǒng)計(jì)，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(dá)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(shí)踐措施來實(shí)現(xiàn)，其中40%的減排可通過管理實(shí)現(xiàn)。因此，油氣行業(yè)甲烷減排潛力極大，且易于實(shí)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(yán)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(jì)劃》，2022年8月美國總統(tǒng)簽署的《通脹削減法案》中提出將對石油和天然氣行業(yè)甲烷排放進(jìn)行收費(fèi)，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(biāo)準(zhǔn)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(bào)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(biāo)，并明確指出，在“加強(qiáng)甲烷排放監(jiān)測、核算、報(bào)告和核查體系建設(shè)"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(dān)多項(xiàng)重要任務(wù)。

2. 油氣行業(yè)甲烷減排行動中關(guān)于先進(jìn)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(yùn)分銷環(huán)節(jié)中的逃逸、放空和火炬不燃燒。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(hù)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(diǎn)：

（1）排放點(diǎn)數(shù)量多：每個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場或設(shè)施可能由成千上萬個(gè)部件組成，其中可能包含幾個(gè)到數(shù)百個(gè)排放點(diǎn)。

（2）排放點(diǎn)地理分布廣：每個(gè)井場、壓縮站、天燃?xì)鈴S和管道段都是潛在排放源，這些設(shè)施經(jīng)常散布在偏遠(yuǎn)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(diǎn)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(jì)排放。

油氣行業(yè)甲烷排放的這些復(fù)雜性特點(diǎn)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(bào)告和驗(yàn)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(jìn)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(jìn)展和設(shè)備需求

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(jìn)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(jìn)設(shè)備。在部分油氣企業(yè)的試點(diǎn)和研究項(xiàng)目中，還是主要依賴使用進(jìn)口設(shè)備。進(jìn)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(jìn)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?yàn)橛蜌馍a(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(zhǔn)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(jī)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(yùn)輸?shù)炔煌h(huán)節(jié)，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(shí)時(shí)傳輸并顯示測量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)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(biāo)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

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(jìn)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(qiáng)度衰減度，可以定量地分析計(jì)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(dá)ppb級；響應(yīng)快，最高檢測頻率可達(dá)10Hz；具有很高的甲烷選擇性，抗干擾能力強(qiáng)；環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；使用壽命長；模塊化設(shè)計(jì)，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

圖4 l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(jì)

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(diǎn)位設(shè)計(jì)

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(diǎn)位設(shè)計(jì)

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