天然氣系統(tǒng)甲烷排放測(cè)量與估算研究現(xiàn)狀*

孫永彪 張春香 解東來 那媛媛 張?chǎng)?/p>

1河北師范大學(xué)中燃工學(xué)院

2美國(guó)環(huán)保協(xié)會(huì)

天然氣作為過渡能源是實(shí)現(xiàn)從化石能源到可再生能源轉(zhuǎn)變的重要手段。天然氣的應(yīng)用對(duì)緩解全球溫室效應(yīng)具有積極的作用[1]，甲烷作為天然氣的主要成分，比煤、石油等化石燃料具有更高的碳效率，釋放單位熱量排放的二氧化碳比標(biāo)準(zhǔn)煤少一半；而甲烷是比二氧化碳更強(qiáng)的溫室氣體，在100年時(shí)間框架內(nèi)甲烷的增溫潛值（Global Warming Potential，GWP）是二氧化碳的28～34倍，將時(shí)間框架縮短為20年則為二氧化碳的84倍，若甲烷排放到大氣中將會(huì)降低天然氣應(yīng)用在溫室效應(yīng)方面的積極作用[2]。2015年，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（Environment Protection Agency，EPA）估算天然氣系統(tǒng)的甲烷排放量約占人為甲烷排放總量的25%[3]。在天然氣替代煤炭發(fā)電時(shí)，甲烷排放率需低于3.2%才能產(chǎn)生直接氣候效益[4]?？梢姡烊粴庀到y(tǒng)的甲烷排放率是評(píng)價(jià)天然氣應(yīng)用是否合理的關(guān)鍵指標(biāo)。

影響天然氣系統(tǒng)甲烷排放測(cè)量與估算的因素眾多，致使甲烷排放率估算的準(zhǔn)確性備受質(zhì)疑，主要原因有5個(gè)：①天然氣從氣田引出要經(jīng)過生產(chǎn)、處理、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和分配等環(huán)節(jié)到達(dá)終端用戶，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備繁多、管線長(zhǎng)且分布廣；②甲烷排放伴隨系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)過程，其中逃逸排放（Fugitive Emission）是指系統(tǒng)運(yùn)行過程中由閥門、連接、壓縮機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)未燃燒的尾氣及輸配管線的泄漏所引起的排放，而放散排放是由管線、氣井及設(shè)備的例行維護(hù)、系統(tǒng)擾動(dòng)（如超壓事故、泄壓系統(tǒng)）造成的[3]；③天然氣系統(tǒng)處于開放的環(huán)境中，受其他排放源的干擾及氣象條件的影響較大；④天然氣系統(tǒng)甲烷排放測(cè)量技術(shù)有待提高，而且采用不同測(cè)量方法測(cè)量同一排放源所得結(jié)果存在差異；⑤甲烷排放自底向上（Bottom-up）估算法與自頂向下（Top-down）估算法存在系統(tǒng)性差異而且原因尚不明確。因此，有必要對(duì)天然氣系統(tǒng)甲烷排放的測(cè)量與估算進(jìn)行研究。

本文著重梳理了美國(guó)天然氣輸送存儲(chǔ)系統(tǒng)、分配系統(tǒng)的甲烷排放測(cè)量與估算的研究，對(duì)比各種甲烷測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用情況和自底向上估算法及自頂向下估算法，探討了測(cè)量與估算方法的特點(diǎn)并分析了造成估算結(jié)果系統(tǒng)差異性的主要原因。通過對(duì)比中美兩國(guó)甲烷排放的研究現(xiàn)狀以期針對(duì)我國(guó)天然氣系統(tǒng)的研究提出參考建議，加快我國(guó)在天然氣甲烷排放方面的研究。在天然氣生產(chǎn)甲烷排放方面，薛明等已對(duì)甲烷排放的測(cè)量估算及相關(guān)政策法規(guī)進(jìn)行了著重的介紹[5]，本文只做相關(guān)補(bǔ)充，不再詳細(xì)展開。

1 美國(guó)甲烷排放量的估算

甲烷排放的估算方法分為自底向上法和自頂向下法。兩種估算方法存在系統(tǒng)差異[6-7]，對(duì)同一地區(qū)天然氣系統(tǒng)進(jìn)行估算時(shí)，自頂向下估算量一般大于自底向上，甲烷排放估算存在機(jī)理性和測(cè)量方面的難題。

1.1 自底向上估算法

20世紀(jì)90年代，為了對(duì)甲烷排放進(jìn)行估算，美國(guó)氣體研究院（Gas Research Institute，GRI）與環(huán)境保護(hù)署共同做了一項(xiàng)研究，后稱GRI/EPA研究[8]。該項(xiàng)研究首先確定甲烷排放源，即將天然氣系統(tǒng)的組件或環(huán)節(jié)進(jìn)行分類，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定排放源的甲烷排放因子[8]（Emission Factor，EF）；然后通過統(tǒng)計(jì)法對(duì)每類排放源整體進(jìn)行估計(jì)，即得到排放源的活動(dòng)因子（Activity Factor，AF）；最后以二者的乘積EF×AF表示每類排放源全年甲烷排放量，不同類排放源的排放量累加得到年度天然氣甲烷排放量[3]。甲烷排放自底向上估算法就是確定排放源的排放因子和活動(dòng)因子，然后采用插值計(jì)算法對(duì)設(shè)施級(jí)、地區(qū)級(jí)甚至國(guó)家級(jí)的甲烷排放量進(jìn)行估算?；贕RI/EPA研究的排放因子，EPA統(tǒng)計(jì)各排放源的活動(dòng)因子，采用自底向上法估算甲烷排放量，兩年發(fā)布一次溫室氣體清單（Greenhouse Gas Inventory，GHGI），該清單為現(xiàn)今最全的甲烷排放自底向上法的估算結(jié)果。

然而，自從20世紀(jì)90年代后天然氣系統(tǒng)產(chǎn)生了很多變化，例如分配系統(tǒng)大量設(shè)備更新?lián)Q代，管道材料也發(fā)生了重大變化[9]；氣田生產(chǎn)大多數(shù)采用水平鉆井和水力壓裂等先進(jìn)技術(shù)[10]。這些改變都會(huì)對(duì)排放因子產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致GHGI的準(zhǔn)確性受到挑戰(zhàn)。為了更好地了解天然氣系統(tǒng)的現(xiàn)狀，2011年EPA實(shí)施了溫室氣體報(bào)告強(qiáng)制規(guī)定（Greenhouse Gas Report Program，GHGRP），要求相關(guān)企業(yè)采用測(cè)量與排放因子相結(jié)合的方法估算設(shè)施級(jí)甲烷排放量，并上報(bào)年排放量在25 000 t以上的設(shè)施。GHGRP雖然為排放估算提供了大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，但由于忽略設(shè)備、工藝環(huán)節(jié)的差異性，采用過時(shí)的平均排放因子其完整性受到很大的質(zhì)疑?？梢?，排放因子直接影響著自底向上法甲烷排放量估算的準(zhǔn)確性。

現(xiàn)在普遍采用現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量法，利用聲發(fā)射探測(cè)技術(shù)與高速流抽樣技術(shù)[11]直接測(cè)量更新的新型組件或先進(jìn)工藝環(huán)節(jié)的排放因子，然后采用插值法對(duì)甲烷排放量進(jìn)行自底向上的估算，不僅可以提高估算的準(zhǔn)確性，而且還可以通過與GHGI、GHGRP的上報(bào)量[9-10,12-15]進(jìn)行比較，確定甲烷減排的有效措施。

生產(chǎn)環(huán)節(jié)采用新技術(shù)，設(shè)備的更新?lián)Q代都會(huì)對(duì)天然氣生產(chǎn)的甲烷排放產(chǎn)生影響。ALLEN等采用現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量和自底向上估算法，重點(diǎn)研究了完井返排、液體卸載、修井作業(yè)等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)甲烷排放估算量低于GHGI[10]；而進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)氣井類型影響液體卸載的甲烷排放，其中帶塞舉升氣井為主要排放源，其估算量與GHGI及GHGRP的上報(bào)量基本一致[12]。在設(shè)備更新方面，ALLEN等對(duì)氣動(dòng)裝置（泵、閥門）進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)排放因子不低于GHGI，而氣動(dòng)閥門平均排放估算量比GHGI高17%且受到應(yīng)用場(chǎng)合的影響，例如分離器、壓縮機(jī)的氣動(dòng)閥門排放率高于其他設(shè)備；而且單位氣井閥門數(shù)量為2.7個(gè)高于GHGI的1個(gè)[13]。液體卸載[12]和氣動(dòng)閥門[13]的排放分布為偏態(tài)分布，存在超級(jí)排放源，對(duì)自底向上法估算甲烷排放造成較大影響。在生產(chǎn)的其他方面，薛明[5]等對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)做了較為詳細(xì)的介紹?？梢姡路椒?、新技術(shù)的應(yīng)用有利于甲烷減排，而應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)設(shè)備的甲烷逃逸排放有一定的影響。

天然氣長(zhǎng)距離輸送系統(tǒng)的主要排放源為壓縮機(jī)及其附屬設(shè)備、壓氣站和高壓管線。在天然氣長(zhǎng)距離輸送方面，ZIMMERLE等在擴(kuò)大樣本數(shù)量的情況下，使用2 292個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)、677個(gè)設(shè)施的額外排放數(shù)據(jù)和922個(gè)設(shè)施的活動(dòng)數(shù)據(jù)，采用自底向上法對(duì)輸送-存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了甲烷排放估算，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)相關(guān)設(shè)備為最大排放源，并發(fā)現(xiàn)超級(jí)排放源，甲烷排放估算量與GHGI置信區(qū)間重疊，比GHGRP的上報(bào)量高1.6倍[14]。SUBRAMINIAN等采用現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量法和示蹤劑釋放技術(shù)測(cè)量了全美45個(gè)壓氣站（其中25個(gè)在GHGRP范圍以內(nèi)），利用逃逸、放散排放源的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合其排放因子，對(duì)壓氣站的排放量進(jìn)行了估算，結(jié)果顯示：①設(shè)備甲烷排放分布呈偏態(tài)，并發(fā)現(xiàn)了2個(gè)超級(jí)排放源；②在考慮超級(jí)排放源的情況下，平均排放因子大于GHGI，如不考慮則小于GHGI；③GHGRP的上報(bào)量受設(shè)施位置、運(yùn)行狀態(tài)的影響，因此在利用上報(bào)數(shù)據(jù)更新排放因子時(shí)需修正[15]。ZIMMERLE等采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法首次對(duì)96 km集輸管線、56個(gè)清管器及39個(gè)截止閥進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)近期更新的排放因子仍然低估了集輸管線的甲烷排放[16]。可見，甲烷排放分布，超級(jí)排放源的存在和樣本容量及其代表性對(duì)設(shè)施級(jí)、設(shè)備級(jí)自底向上法甲烷排放估算影響較大，而長(zhǎng)距離管線輸送天然氣造成的甲烷排放需要進(jìn)一步探索。

天然氣分配系統(tǒng)的主要排放源為調(diào)節(jié)計(jì)量裝置和管線。LAMB等人采用分層抽樣法對(duì)230處埋地管線泄漏點(diǎn)、229個(gè)調(diào)節(jié)計(jì)量裝置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量并更新了排放因子，分配系統(tǒng)甲烷排放估算量比GHGI小36%～70%[9]?？梢姡O(shè)備管線更新有利于甲烷減排。但是目前為止，采用自底向上法估算分配系統(tǒng)甲烷排放量的研究相對(duì)較少，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的匱乏限制了設(shè)備管線更新、地理位置及季節(jié)對(duì)甲烷排放影響的研究。

采用自底向上法估算甲烷排放量可以對(duì)特定排放源的排放因子進(jìn)行研究，但其估算的準(zhǔn)確性嚴(yán)重依賴于測(cè)量樣本的容量和排放源的排放分布。天然氣系統(tǒng)設(shè)備多、覆蓋范圍廣，很難對(duì)全部排放源進(jìn)行識(shí)別和測(cè)量[17]。如果排放分布為正態(tài)分布，那么很容易得到具有代表性的樣本，然而許多排放源的排放呈偏態(tài)分布[9,12,13,15]并且還存在超級(jí)排放源[12-14]，這嚴(yán)重影響了自底向上甲烷排放估算的準(zhǔn)確性。如果再考慮時(shí)間因素的影響，對(duì)多個(gè)地區(qū)同一時(shí)刻進(jìn)行全天候測(cè)量，自底向上法的局限性將更大。

1.2 自頂向下估算法

甲烷排放自頂向下估算法是通過測(cè)量有界區(qū)域的甲烷濃度來量化該區(qū)域的甲烷排放量，按原理可分為質(zhì)量平衡和傳感器測(cè)量?jī)煞N：質(zhì)量平衡是利用飛行器測(cè)量某有界區(qū)域上、下風(fēng)向斷面的甲烷濃度來估算該區(qū)域的排放量；傳感器測(cè)量通常采用氣象傳輸模擬與固定傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合或?qū)α鲾U(kuò)散模型與逆模型耦合來估算區(qū)域的甲烷排放量[11]。而根據(jù)測(cè)量區(qū)域的不同又可分為設(shè)施級(jí)、地區(qū)（盆地）級(jí)、大陸級(jí)和全球級(jí)的甲烷排放量估算，不同級(jí)別的測(cè)量與估算所使用的方法也不盡相同。

1.2.1 設(shè)施級(jí)甲烷排放的測(cè)量與估算

設(shè)施級(jí)甲烷排放量自底向上法估算常采用現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量法，而自頂向下法估算通常采用OTM33A測(cè)量方法（The EPA's Other Test Method 33A）和示蹤劑釋放技術(shù)。采用三種測(cè)量方法對(duì)同一設(shè)施的甲烷排放量進(jìn)行估算，結(jié)果表明OTM33A測(cè)量法的精確度不如現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量和示蹤劑釋放技術(shù)[17]。OTM33A測(cè)量法為一種反高斯方法，即在甲烷排放源下風(fēng)側(cè)20～200 m范圍測(cè)量甲烷濃度和風(fēng)況，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定高斯羽流擴(kuò)散參數(shù)進(jìn)而得到甲烷質(zhì)量通量[18]。OTM33A應(yīng)用的局限性為測(cè)量地必須有足夠的順風(fēng)條件。而使用示蹤劑釋放技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需在設(shè)施內(nèi)的1個(gè)（2個(gè)）地方以特定的速率釋放1種（2種）示蹤氣體，用順風(fēng)羽流中目標(biāo)分析物（甲烷）的混合比與示蹤氣體的混合比來估算甲烷排放量[17]。示蹤劑釋放法假設(shè)目標(biāo)分析物（甲烷）與示蹤氣體共同分散到大氣中，為使二者擴(kuò)散均勻?qū)y(cè)量時(shí)間要求較高，其應(yīng)用局限性不僅要求測(cè)量地有足夠的順風(fēng)條件以便取樣，而且需要得到釋放示蹤氣體的許可。

這兩種方法多用于氣井、礦井集輸系統(tǒng)及處理廠等設(shè)施級(jí)甲烷排放的測(cè)量，在長(zhǎng)距離輸送系統(tǒng)[15]及分配系統(tǒng)中的應(yīng)用較少。ROBERTSON等采用OTM33A法對(duì)氣井甲烷排放進(jìn)行了估算，結(jié)果顯示濕氣盆地氣井的甲烷排放量與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，而且高于干氣盆地氣井[19]。YACOVITCH等采用雙示蹤劑釋放技術(shù)測(cè)量了2個(gè)天然氣生產(chǎn)地區(qū)氣井的小時(shí)排放量[20]。MITCHELL等采用雙示蹤劑釋放技術(shù)對(duì)礦井集輸設(shè)施和處理廠的甲烷排放量進(jìn)行了測(cè)量估算，結(jié)果顯示集氣設(shè)施排放分布呈較為明顯的偏態(tài)分布，液態(tài)儲(chǔ)罐放散排放占整個(gè)集輸設(shè)施的20%[21]。隨后，MARCHESE等利用以上測(cè)量數(shù)據(jù)[21]結(jié)合設(shè)施數(shù)量，通過蒙特-卡羅模擬對(duì)全美天然氣礦井集輸系統(tǒng)和處理廠的甲烷排放量進(jìn)行了估算，結(jié)果顯示礦井集輸系統(tǒng)和處理廠以放散排放為主[22]。

1.2.2 地區(qū)級(jí)甲烷排放的測(cè)量與估算

地區(qū)級(jí)甲烷排放自頂向下法估算，針對(duì)不同的目標(biāo)可采用機(jī)載測(cè)量、車載測(cè)量和地面固定監(jiān)測(cè)網(wǎng)測(cè)量。

天然氣生產(chǎn)地區(qū)甲烷排放自頂向下估算一般采用飛行器測(cè)量有界區(qū)域的順、逆?zhèn)燃淄闈舛?，?jì)算濃度差后乘以空氣流動(dòng)速率，得到區(qū)域甲烷排放總量。確定甲烷排放源的方法有兩種：一種為遵循質(zhì)量守恒，用總量減去GHGI非天然氣系統(tǒng)排放源的排放量；另一種為應(yīng)用碳同位素標(biāo)記法或逆算模型確定天然氣系統(tǒng)排放占比，進(jìn)而估算地區(qū)天然氣系統(tǒng)的甲烷排放量[23]。天然氣生產(chǎn)地區(qū)甲烷排放的測(cè)量估算，已從對(duì)單一地區(qū)的研究轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)不同地區(qū)[24]、不同季節(jié)[25]的研究，在排放偏態(tài)分布[26]及超級(jí)排放源[27]等問題上也做了相應(yīng)研究，并與GHGI和GHGRP的上報(bào)量進(jìn)行比較[28]，發(fā)現(xiàn)化石源為天然氣生產(chǎn)地區(qū)主要甲烷排放源[29-30]，天然氣系統(tǒng)的逃逸排放造成了自頂向下法估算與GHGI之間的差異[31]。

在城區(qū)甲烷排放測(cè)量估算方面，可搭建地面固定監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，然而測(cè)量數(shù)據(jù)的解讀高度依賴于大氣模型，具有較大的不確定性[11]。MCKAIN等使用全面的大氣測(cè)量和建?？蚣?，測(cè)量了波士頓地區(qū)平均甲烷排放通量，結(jié)合乙烷-甲烷比確定了天然氣甲烷排放的占比，對(duì)波士頓城區(qū)的天然氣年甲烷排放量進(jìn)行了估算[32]。

而在分配系統(tǒng)方面，多采用移動(dòng)車輛對(duì)管線進(jìn)行大氣測(cè)量。車載測(cè)量可以測(cè)出行車軌跡上的甲烷濃度，通過碳同位素標(biāo)記法以區(qū)分生物甲烷源（如垃圾填埋場(chǎng)、濕地、下水道）和熱甲烷源（如天然氣），并確定甲烷排放源的占比，然后估算出分配系統(tǒng)的甲烷排放。在波士頓，PHILLIPS等采用車載測(cè)量法繪制了785 mile街道中心管線的甲烷排放地圖，觀察到街道水平甲烷濃度較高，并將其歸因于3 000多處陳舊的天然氣管線泄漏，通過碳同位素標(biāo)記法確定天然氣排放源的占比，對(duì)分配系統(tǒng)管線甲烷排放進(jìn)行了估算[33]。在華盛頓，JACKSON等人同樣采用車載測(cè)量法繪制了1 500 mile街道中心管線和5 893個(gè)泄漏點(diǎn)的地圖，區(qū)分了甲烷排放源，最后估算出管道的甲烷排放量，并測(cè)定出潛在爆炸性濃度[34]。管線更新及修復(fù)有利于甲烷減排，美國(guó)三個(gè)城市開展了鑄鐵管線的更換項(xiàng)目但進(jìn)度不同，GALLAPHER等人采用車載測(cè)量法繪制了三個(gè)城市街道的甲烷排放圖，發(fā)現(xiàn)管線的泄漏與更換項(xiàng)目的進(jìn)程有關(guān)，在已完成更換項(xiàng)目城市的單位長(zhǎng)度管線甲烷排放量比沒有完成的城市少90%[35]。

1.2.3 大陸級(jí)及全球級(jí)甲烷排放的測(cè)量與估算

大陸級(jí)及全球級(jí)甲烷排放自頂向下法估算常采用衛(wèi)星觀測(cè)法測(cè)量大范圍空間的甲烷濃度，比地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量范圍更廣，而且突破了飛行器測(cè)量的時(shí)間限制。雖然衛(wèi)星觀測(cè)能進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，但數(shù)據(jù)精度較低。大氣中的甲烷能夠被短波紅外（Shortwave Infrared，SWIR）太陽后散射儀和熱紅外（Thermal Infrared，TIR）地球輻射熱發(fā)射儀檢測(cè)到；用于大氣制圖的掃描成像吸收光譜儀（Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography，SCIAMACHY）和溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星（Greenhouse Gases Observing Satellite，GOSAT）可以提供SWIR反演數(shù)據(jù)；而TIR反演數(shù)據(jù)可以從大氣紅外測(cè)深儀、對(duì)流層發(fā)射光譜儀及大氣紅外測(cè)深干涉儀得到[36]。一般來說，SWIR能提供大氣柱的總甲烷濃度；而TIR能提供垂直剖面的甲烷濃度，但由于缺少熱對(duì)比，TIR對(duì)對(duì)流層底層的靈敏度較低，這限制了其對(duì)區(qū)域源的探測(cè)應(yīng)用價(jià)值[36]。

在衛(wèi)星靈敏度足夠高、覆蓋范圍足夠廣的條件下，空間分辨率的提高是大陸級(jí)及全球級(jí)甲烷排放測(cè)量估算的關(guān)鍵。WECHT等利用戈達(dá)德地球觀測(cè)系統(tǒng)化學(xué)輸運(yùn)模型（Goddard Earth Observing System Chemistry （GEOS-Chem）chemical transport model）及其伴隨物，通過反演SCIAMACHY觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)北美地區(qū)甲烷排放進(jìn)行了估算[37]，并結(jié)合機(jī)載測(cè)量將該地區(qū)甲烷排放的水平分辨率優(yōu)化到1/2°×2/3°[36]。TURNER等利用2009—2011年GOSAT觀測(cè)數(shù)據(jù)，基于同樣的原理對(duì)全球和北美的甲烷排放進(jìn)行了估算，空間分辨率分別可以達(dá)到4°×5°和50 km×50 km[38]。JACOB等結(jié)合表面觀測(cè)、機(jī)載觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過全球級(jí)到點(diǎn)源級(jí)的逆算分析，將衛(wèi)星觀測(cè)成功應(yīng)用到超級(jí)排放源的探測(cè)上[39]。

機(jī)載測(cè)量法多用于油氣生產(chǎn)地區(qū)，發(fā)展較快且技術(shù)較為成熟[5]；對(duì)城區(qū)內(nèi)天然氣分配系統(tǒng)、城區(qū)內(nèi)各場(chǎng)站等的研究多采用車載測(cè)量，但相對(duì)較少；長(zhǎng)距離輸送系統(tǒng)具有管線距離長(zhǎng)分布廣、設(shè)施間距較大等特點(diǎn)，利用地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究難度較大；衛(wèi)星觀測(cè)法雖然能解決空間和時(shí)間上的難題，但空間分辨率有待進(jìn)一步提高?？梢姡煌淄榕欧抛皂斚蛳聹y(cè)量方法存在不同的問題，表明對(duì)天然氣系統(tǒng)甲烷排放的理解和估算依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

1.3 甲烷排放估算結(jié)果差異性分析

在確定天然氣甲烷排放源的占比條件下，通過自頂向下法估算與自底向上法估算的對(duì)比，可以確定溫室氣體清單中缺少的排放源，提高GHGI的排放源的完整性和估算的準(zhǔn)確性。而大量基于自頂向下法的甲烷排放研究均顯示，溫室氣體清單估算一直低估了天然氣系統(tǒng)的甲烷排放量[6-7]。兩種方法系統(tǒng)的差異性大大困擾著天然氣應(yīng)用過程中對(duì)氣候影響的正確評(píng)估和能源政策的決策。

造成這種系統(tǒng)差異的原因有很多，其中抽樣樣本容量及代表性、組件環(huán)節(jié)排放的偏態(tài)分布[9,12,13,15]、超級(jí)排放源[12-14,27,39]的存在都會(huì)對(duì)自底向上法估算產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致系統(tǒng)差異性較大。ALLEN分析了造成系統(tǒng)差異性的原因并建議對(duì)超級(jí)排放源[40]進(jìn)行檢測(cè)；ZAVALA-ARAIZA等分析出異常工況可能導(dǎo)致超級(jí)排放源的產(chǎn)生[41]；SCHWIETZKE等采用機(jī)載測(cè)量法對(duì)頁巖氣生產(chǎn)地區(qū)的甲烷排放進(jìn)行空間解析，發(fā)現(xiàn)間歇性排放源影響較大[42]；VAUGHN等對(duì)某天然氣生產(chǎn)地進(jìn)行了多尺度測(cè)量并獲得詳細(xì)活動(dòng)數(shù)據(jù)，通過自頂向下法估算與自底向上法估算的時(shí)空對(duì)比，發(fā)現(xiàn)人工液體卸載的間歇性排放是造成排放時(shí)間差異的原因[43]；ZAVALA-ARAIZA等采用重復(fù)測(cè)量的方法以提高自頂向下法估算的確定性，并整合完備的設(shè)施數(shù)目進(jìn)行自底向上法估算，通過比較發(fā)現(xiàn)巴奈特地區(qū)甲烷排放估算量大約是GHGI的2倍[44]。

在設(shè)施級(jí)的甲烷排放估算中，測(cè)量方法也會(huì)對(duì)甲烷排放的估算結(jié)果造成影響。BELL等人測(cè)量了某地區(qū)268處設(shè)施，其中261處采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法，17處采用雙示蹤劑通量比法，50處采用OTM33A測(cè)量法。比較甲烷排放估算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的估算結(jié)果最低，且與基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的估算法和基于示蹤劑釋放技術(shù)的估算法相比，基于OTM33A測(cè)量的估算法精度較低[17]。而VAUGHN等對(duì)一天然氣集輸補(bǔ)給站進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量法、雙示蹤劑釋放技術(shù)和機(jī)載測(cè)量法進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示基于現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量法的估算值高于雙示蹤劑釋放技術(shù)且低于機(jī)載測(cè)量法[45]。

2 國(guó)內(nèi)天然氣系統(tǒng)甲烷排放估算

中國(guó)天然氣應(yīng)用起步較晚，但產(chǎn)量增速很快。2018年，中國(guó)天然氣表觀消費(fèi)量達(dá)2 803×108m3，同比增長(zhǎng)17.5%，在一次能源消費(fèi)中占比達(dá)7.8%，同比提高0.8個(gè)百分點(diǎn)；日最高用氣量達(dá)10.37×108m3，同比增長(zhǎng)20%[46]。近些年，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型、環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，甲烷排放量隨著天然氣在一次能源消耗占比的增高而越來越高，但天然氣系統(tǒng)甲烷排放測(cè)量估算還不成熟?，F(xiàn)在我國(guó)采用《1996年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》中第一、三層結(jié)合法，對(duì)天然氣甲烷逃逸排放進(jìn)行估算，但甲烷排放因子基本已經(jīng)過時(shí)。隨著新技術(shù)（如水力壓裂、水平鉆井）的成熟和應(yīng)用，設(shè)備的更新?lián)Q代、管線巡檢修復(fù)的提升，都會(huì)對(duì)排放因子帶來影響[5]。溫室氣體排放清單中的排放因子需要不斷更新，以正確反映天然氣系統(tǒng)甲烷排放的實(shí)際狀況。

美國(guó)在天然氣系統(tǒng)甲烷排放方面研究較多，但天然氣系統(tǒng)之間的差異使中國(guó)難以直接借鑒引用美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的GHGI。主要表現(xiàn)在以下三方面：

（1）我國(guó)天然氣事業(yè)處于快速發(fā)展階段，每年新增居民、工商業(yè)用戶超過1 000萬戶。系統(tǒng)存在大量的調(diào)試操作（如天然氣置換點(diǎn)火操作），火炬系統(tǒng)不穩(wěn)定，而美國(guó)天然氣系統(tǒng)處于平衡發(fā)展階段，新增用戶較少，甲烷排放量相對(duì)穩(wěn)定。

（2）中國(guó)LNG設(shè)施較多且為較大甲烷排放源。我國(guó)天然氣系統(tǒng)存在大量的LNG汽車加氣站、LNG衛(wèi)星站及LNG調(diào)峰儲(chǔ)氣站等設(shè)施，而美國(guó)LNG使用較少。目前LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)存超過4天就會(huì)產(chǎn)生BOG（蒸發(fā)氣體），通過調(diào)查10座LNG汽車加氣站發(fā)現(xiàn)，每座LNG加氣站平均日甲烷放散量約為96.2 m3。

（3）中國(guó)甲烷減排監(jiān)管體系尚不完善。目前，美國(guó)已經(jīng)建立了較為完善的甲烷減排監(jiān)管體系，在聯(lián)邦層面建立溫室氣體排放數(shù)據(jù)報(bào)告制度（GHGRP），制定重點(diǎn)排放源目錄和排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施大氣污染物排放許可證制度；在州層面加強(qiáng)污染物減排立法[47]。在體系監(jiān)管下，油氣企業(yè)需要通過技術(shù)或設(shè)備升級(jí)、改善技術(shù)規(guī)范及優(yōu)化操作程序等手段來有效控制甲烷排放。而目前我國(guó)對(duì)控制甲烷排放的重視不足，監(jiān)管體系尚不完善，大部分油氣企業(yè)還未將甲烷減排作為運(yùn)行目標(biāo)之一。

在溫室氣體排放清單方面，對(duì)我國(guó)天然氣系統(tǒng)甲烷排放的研究很少。薛明等回顧了國(guó)內(nèi)油氣生產(chǎn)過程的甲烷逃逸排放的測(cè)量研究[5]，發(fā)現(xiàn)我國(guó)對(duì)該方面的研究較少，且大多數(shù)研究局限于單個(gè)組件或環(huán)節(jié)，如井口套管[48]、采出水[49]、煤層氣井口[50]等，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的全面研究很少[5]。而對(duì)于輸配系統(tǒng)，甲烷排放檢測(cè)技術(shù)[51]、排放因子更新和自頂向下法估算等方面的研究少之又少。因此，目前我國(guó)很有必要開展對(duì)本國(guó)油氣系統(tǒng)甲烷排放的研究。

3 結(jié)論

我國(guó)天然氣的應(yīng)用起步較晚，其甲烷排放的研究也大都借鑒他國(guó)經(jīng)驗(yàn)[5]，在原始測(cè)量研究方面成果頗少，但為了解決霧霾等環(huán)境問題，近年來天然氣作為一次能源在我國(guó)能源占比正逐年增高，天然氣系統(tǒng)的甲烷排放及造成的溫室效應(yīng)問題亟待解決。結(jié)合我國(guó)天然氣行業(yè)現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)需求，給出以下建議：

（1）我國(guó)是天然氣進(jìn)口大國(guó)而非出口大國(guó)，建議先采用自底向上法對(duì)天然氣場(chǎng)站、輸送存儲(chǔ)系統(tǒng)、分配系統(tǒng)等進(jìn)行甲烷排放估算并完善溫室氣體清單。

（2）參考國(guó)外排放偏態(tài)分布和超級(jí)排放源的研究，結(jié)合本國(guó)天然氣系統(tǒng)的實(shí)際狀況，確定主要排放源。

（3）在排放源詳細(xì)分類的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量技術(shù)對(duì)各類排放源尤其主要排放源的排放因子進(jìn)行更新，完善溫室氣體清單。

（4）在條件成熟的情況下開展機(jī)載測(cè)量和衛(wèi)星觀測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣系統(tǒng)多維度、全方位的甲烷排放估算。