碳中和目標(biāo)下我國(guó)天然氣行業(yè)甲烷排放控制及相關(guān)科學(xué)問(wèn)題

仲 冰，張 博，唐 旭，高俊蓮，孫旭東

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 102249)

0 引 言

天然氣在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物極少，相較煤炭和石油的利用有著較好的二氧化碳減排效果，是優(yōu)質(zhì)高效、綠色清潔的低碳能源，并可與可再生能源發(fā)展形成良性互補(bǔ)，被視為我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的重要能源。近年來(lái)，我國(guó)大力提升天然氣勘探開發(fā)力度，推動(dòng)頁(yè)巖氣、煤層氣規(guī)?；_發(fā)，提高天然氣生產(chǎn)能力，增加國(guó)內(nèi)天然氣供應(yīng)；不斷加強(qiáng)天然氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推進(jìn)天然氣在城鎮(zhèn)燃?xì)?、工業(yè)燃料、燃?xì)獍l(fā)電、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的大規(guī)模利用，天然氣在一次能源消費(fèi)中的比重不斷提高。 我國(guó)2019年人均天然氣消費(fèi)量是全球平均水平的44%，僅為美國(guó)的8.1%[1]；除居民用氣外，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)天然氣發(fā)電、工業(yè)用氣比例也處于較低水平。我國(guó)宏觀經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展將持續(xù)推動(dòng)天然氣需求剛性增長(zhǎng)，同時(shí)以分布式能源系統(tǒng)、氣電靈活調(diào)峰等方式與可再生能源發(fā)展融合，天然氣行業(yè)將有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

相較煤炭等其他化石能源，天然氣的主要成分是甲烷(CH4)，在氣田鉆井、開采，天然氣運(yùn)輸、儲(chǔ)存、分配、終端使用和天然氣火炬不完全燃燒過(guò)程中均存在甲烷排放[2]。甲烷是全球第二大溫室氣體，其20年水平和100年水平的全球增溫潛勢(shì)(GWP)分別是二氧化碳的84倍和28倍[3]。作為大氣痕量氣體，甲烷排放量的微小增加將導(dǎo)致大氣中甲烷濃度的明顯升高，其對(duì)全球變暖的總體貢獻(xiàn)率約為四分之一，僅次于二氧化碳[4]。目前大氣中甲烷的濃度大約是工業(yè)化之前的2.5倍，而且還在穩(wěn)步增加[5]?！栋屠铓夂蜃兓瘏f(xié)定》提出努力將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期上升幅度限制在1.5 ℃以內(nèi)的長(zhǎng)期目標(biāo)，這意味著需大幅減少非二氧化碳溫室氣體，特別是控制甲烷的排放[6]。

減少甲烷排放是全球溫室氣體減排的重要組成部分，也是短期內(nèi)減緩氣候變暖速度的最直接和有效的途徑。與二氧化碳不同，甲烷在大氣中的壽命較短(12年左右)，大氣中甲烷濃度可以相對(duì)迅速地對(duì)甲烷減排活動(dòng)做出響應(yīng)，而二氧化碳減排所帶來(lái)的大氣中二氧化碳(存留時(shí)間為50～200年)濃度降低，則需要更長(zhǎng)時(shí)間才能見效[7]。甲烷減排首先具有減緩全球變暖速度帶來(lái)的氣候效益。特別是，甲烷是一種優(yōu)質(zhì)的氣體燃料，被回收后可以作為清潔能源利用，也可以作為重要的化工原料。實(shí)現(xiàn)甲烷資源化利用，還能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。甲烷還是對(duì)流層臭氧的前體物，會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的健康問(wèn)題，因而控制或減少甲烷的排放還具有協(xié)同控制空氣污染帶來(lái)的環(huán)境效益。

大氣中約60%的甲烷來(lái)自能源活動(dòng)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和廢棄物處置等人為源的排放[8]。 能源活動(dòng)中甲烷排放主要源自煤炭、油氣等化石能源的生產(chǎn)利用活動(dòng)。 2020年，全球油氣行業(yè)甲烷泄漏量達(dá)7 200萬(wàn)t[9]，按20年水平的全球增溫潛勢(shì)計(jì)算，油氣甲烷排放相當(dāng)于60億t二氧化碳當(dāng)量。油氣行業(yè)甲烷逃逸排放問(wèn)題已經(jīng)引起全球關(guān)注，諸多國(guó)家出臺(tái)了專門性的油氣行業(yè)甲烷減排政策。例如，加拿大將2025年油氣行業(yè)甲烷減排40%～45%納入實(shí)現(xiàn)國(guó)家自主貢獻(xiàn)減排承諾機(jī)制；美國(guó)一些油氣生產(chǎn)州相繼出臺(tái)甲烷排放管控措施[10]；歐盟委員會(huì)發(fā)布《歐洲綠色新政》[11]和《歐盟甲烷戰(zhàn)略》[12]，將天然氣行業(yè)脫碳(包括甲烷治理)作為未來(lái)歐洲氣候行動(dòng)的重要組成部分，并對(duì)其消耗和進(jìn)口的天然氣設(shè)立甲烷減排目標(biāo)、排放標(biāo)準(zhǔn)或其他減排激勵(lì)措施。同時(shí)，油氣行業(yè)內(nèi)自發(fā)形成了多個(gè)行業(yè)性的減排聯(lián)盟組織，如全球甲烷行動(dòng)倡議(GMI)、油氣行業(yè)氣候倡議(OGCI)、油氣甲烷合作伙伴關(guān)系(OGMP)、甲烷減排指導(dǎo)原則(MGP)伙伴關(guān)系、全球甲烷聯(lián)盟(GMA)等。OGCI提出“到2025年將其油氣供應(yīng)鏈上游生產(chǎn)的甲烷排放強(qiáng)度下降0.20%～0.25%”的目標(biāo)。MGP伙伴關(guān)系共同承諾將進(jìn)一步減少運(yùn)營(yíng)中的天然氣設(shè)施甲烷泄漏量，提高甲烷泄漏數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，尋找并嘗試甲烷減排最佳實(shí)踐。采取積極有效措施，大幅削減天然氣行業(yè)的甲烷排放已經(jīng)成為全球共識(shí)。

天然氣能否在能源轉(zhuǎn)型中真正起到支撐作用，一定程度上取決于天然氣行業(yè)的甲烷減排成效，重視天然氣行業(yè)的甲烷排放控制問(wèn)題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文將從天然氣供應(yīng)鏈甲烷逃逸排放源識(shí)別入手，分析天然氣系統(tǒng)各層級(jí)甲烷排放核算方法，結(jié)合天然氣行業(yè)甲烷排放測(cè)量和控制技術(shù)，探討控制甲烷排放亟待解決的科學(xué)問(wèn)題，最終提出我國(guó)天然氣行業(yè)甲烷減排對(duì)策建議，研究結(jié)果將為制定我國(guó)天然氣行業(yè)甲烷減排目標(biāo)與行動(dòng)計(jì)劃，夯實(shí)甲烷減排的科學(xué)基礎(chǔ)，明確甲烷減排技術(shù)研發(fā)與工程實(shí)踐方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)天然氣行業(yè)甲烷的減排與有效利用提供參考依據(jù)。

1 天然氣行業(yè)甲烷逃逸排放源分析

天然氣行業(yè)的甲烷逃逸排放是指除作為燃料燃燒貢獻(xiàn)外，天然氣供應(yīng)鏈從上游勘探開發(fā)到下游消費(fèi)利用所有環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)設(shè)施(包括廢棄油氣井)的甲烷逃逸性排放，包括工藝放空排放、火炬燃燒排放和設(shè)備泄漏排放。識(shí)別天然氣供應(yīng)鏈中的關(guān)鍵排放源，是準(zhǔn)確核算甲烷逃逸排放，開展天然氣行業(yè)甲烷排放管控工作的前提。然而，天然氣供應(yīng)鏈涉及的活動(dòng)環(huán)節(jié)復(fù)雜且設(shè)備類型眾多，關(guān)鍵甲烷排放源不易識(shí)別。

上游是整個(gè)天然氣供應(yīng)鏈的起點(diǎn)，包括勘探、生產(chǎn)、加工處理等環(huán)節(jié)，其中勘探環(huán)節(jié)涉及鉆井、錄井、測(cè)井、完井等活動(dòng)，生產(chǎn)環(huán)節(jié)涉及采氣、集氣等活動(dòng)。甲烷排放來(lái)自氣井的操作、氣動(dòng)控制器、脫水器和分離器、壓縮機(jī)、儲(chǔ)罐等井場(chǎng)設(shè)備和集輸管道[13]。頁(yè)巖氣等非常規(guī)天然氣的開發(fā)需要采用水力壓裂等措施提高產(chǎn)量，相比于常規(guī)天然氣開采，其生產(chǎn)環(huán)節(jié)尤其是完井階段，甲烷排放量最大，幾乎是常規(guī)天然氣的100～190倍[14]。開采出的原料氣通過(guò)管線輸送至加工廠，通過(guò)脫硫、脫水等加工處理環(huán)節(jié)形成天然氣氣源，此環(huán)節(jié)主要涉及氣體處理設(shè)施如壓縮機(jī)、氣動(dòng)控制器的甲烷逃逸排放。從生產(chǎn)安全角度出發(fā)，天然氣生產(chǎn)過(guò)程是嚴(yán)格控制甲烷排放的。但是，天然氣供應(yīng)鏈涉及的設(shè)備多是由各種閥門、連接件及管件等組成。對(duì)于處于高壓環(huán)境下的低分子量天然氣和烴類，即使是這些設(shè)備的密封部位仍然會(huì)發(fā)生不同程度的甲烷逃逸[15]。如用于控制液位、溫度和壓力的氣動(dòng)控制器，其通過(guò)將高壓天然氣導(dǎo)入控制閥來(lái)開關(guān)閥門，在運(yùn)行過(guò)程中可能存在連續(xù)或間歇性甲烷排放。天然氣行業(yè)使用的數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的氣動(dòng)控制器貢獻(xiàn)了供應(yīng)鏈中大約20%的甲烷排放，是天然氣生產(chǎn)過(guò)程中最大的甲烷排放源[16]。廢棄油氣井能夠持續(xù)數(shù)十年排放甲烷，是甲烷排放的重要來(lái)源，其累積的甲烷排放量可能遠(yuǎn)大于與油氣生產(chǎn)相關(guān)的甲烷逃逸總量[17]。

中游是連接天然氣產(chǎn)地和用戶的橋梁，涵蓋天然氣管道運(yùn)輸、液化天然氣(LNG)運(yùn)輸、天然氣存儲(chǔ)、天然氣液化、LNG氣化等活動(dòng)，涉及管道、儲(chǔ)氣、LNG接收站等多種基礎(chǔ)設(shè)施，甲烷排放源包括加壓管道、壓縮機(jī)站、氣動(dòng)控制器、儲(chǔ)氣設(shè)施、LNG接收站的放空和設(shè)備泄漏[18]。壓縮機(jī)(包括往復(fù)式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī))在天然氣集輸、增壓、加工、儲(chǔ)運(yùn)、LNG運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)環(huán)節(jié)廣泛使用，是天然氣中游儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)最大的甲烷排放源[19]。

下游涉及天然氣分配和利用等環(huán)節(jié)，甲烷排放主要來(lái)自管道、計(jì)量和調(diào)節(jié)站、儀表和地面存儲(chǔ)設(shè)施的泄漏以及天然氣機(jī)動(dòng)車、加氣站、天然氣發(fā)電等。其中，調(diào)節(jié)計(jì)量裝置和管線是天然氣供應(yīng)鏈下游的主要甲烷排放源[20]。

天然氣生產(chǎn)場(chǎng)站通常由成千上萬(wàn)的單個(gè)部件構(gòu)成，盡管這些部件中只有小部分會(huì)發(fā)生泄漏，但累積起來(lái)可能成為甲烷排放的潛在重要來(lái)源[21]。此外，氣動(dòng)控制器、壓縮機(jī)站、天然氣加工廠、液體儲(chǔ)罐等都被觀測(cè)到存在異常排放的情況，少量設(shè)備貢獻(xiàn)了絕大部分的甲烷排放，成為天然氣系統(tǒng)的“超級(jí)排放源”[22-23]。異常工況發(fā)生的頻率有較大隨機(jī)性，在海量設(shè)備中識(shí)別超級(jí)排放源、治理甲烷排放極為困難。

火炬是將無(wú)法回收和再加工的可燃?xì)怏w收集后在排放到大氣之前燃燒的排放控制裝置。在鉆井、測(cè)井、氣井清理和維護(hù)等勘探環(huán)節(jié)會(huì)用到火炬；天然氣加工環(huán)節(jié)，設(shè)備過(guò)壓時(shí)，安全閥通過(guò)管道將氣體釋放到火炬中。通過(guò)燃燒，火炬將廢氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水蒸氣，由于燃燒不充分，仍然有部分天然氣直接排放到大氣中。2019年，全球油氣行業(yè)火炬燃燒天然氣約為1 500億m3[24]，占當(dāng)年全球天然氣產(chǎn)量的3%～4%。

我國(guó)天然氣具備大規(guī)模利用的資源與產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。天然氣資源相對(duì)集中，主要分布在中西部地區(qū)；天然氣生產(chǎn)以常規(guī)天然氣為主，并有少量非常規(guī)天然氣(如頁(yè)巖氣和煤層氣)；天然氣消費(fèi)需求主要集中在東部地區(qū)；天然氣對(duì)外依存度較高，進(jìn)口天然氣占天然氣消費(fèi)量的40%以上。2019年，我國(guó)天然氣產(chǎn)量為1 773億m3，表觀消費(fèi)量為3 064億m3；進(jìn)口天然氣1 352億m3，其中LNG進(jìn)口占比為64.4%；建成干線輸氣管道超過(guò)8.7萬(wàn)km，建成LNG接收站22座，建成地下儲(chǔ)氣庫(kù)27座[25]。據(jù)《2050年世界與中國(guó)能源展望(2020版)》預(yù)測(cè)[26]，碳中和情景下，2035年和2050年中國(guó)天然氣產(chǎn)量將分別達(dá)3 000億m3和3 500億m3，頁(yè)巖氣、煤層氣等非常規(guī)天然氣增長(zhǎng)潛力大，2035年后與常規(guī)天然氣產(chǎn)量規(guī)模相當(dāng)；天然氣需求將在2040年前后進(jìn)入峰值平臺(tái)期，約5 500億m3。隨著我國(guó)天然氣行業(yè)高速發(fā)展，天然氣生產(chǎn)、消費(fèi)與貿(mào)易規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，天然氣行業(yè)將迎來(lái)大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新發(fā)展時(shí)期。根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)劃[27-28]，到2025年，天然氣管網(wǎng)里程將達(dá)到16.3萬(wàn)km；到2023年儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰能力將達(dá)到200億m3，到2030年要突破400億m3。

因此，天然氣行業(yè)甲烷排放控制工作既要重視已有設(shè)施的甲烷排放源，更要在工程設(shè)計(jì)階段充分考慮甲烷排放控制問(wèn)題。隨著新技術(shù)的成熟和應(yīng)用、設(shè)備的更新迭代，設(shè)計(jì)階段的減排經(jīng)濟(jì)效益通常遠(yuǎn)超過(guò)后期系統(tǒng)調(diào)整或維護(hù)實(shí)現(xiàn)的減排效益。除了關(guān)注天然氣生產(chǎn)端甲烷排放控制問(wèn)題，進(jìn)口天然氣(尤其是LNG進(jìn)口)在其生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中都產(chǎn)生大量甲烷排放，甲烷排放核算結(jié)果將會(huì)影響我國(guó)天然氣及相關(guān)產(chǎn)品的國(guó)際貿(mào)易和對(duì)外投資，天然氣貿(mào)易的各利益相關(guān)方也將會(huì)面臨天然氣全產(chǎn)業(yè)鏈甲烷減排的約束。

2 天然氣系統(tǒng)甲烷逃逸排放核算方法

準(zhǔn)確估算甲烷逃逸排放是天然氣行業(yè)開展甲烷排放管控工作的前提。在國(guó)家層面，我國(guó)政府目前已經(jīng)向《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》秘書處正式提交了1994年、2005年、2010年、2012年、2014年國(guó)家溫室氣體清單。其中，油氣系統(tǒng)甲烷清單編制主要依據(jù)《IPCC國(guó)家溫室氣體清單編制指南》(1996年修訂版)和《IPCC國(guó)家溫室氣體清單優(yōu)良作法指南和不確定性管理》提供的方法，并參考了《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單編制指南》(以下簡(jiǎn)稱“《2006年清單指南》”)。根據(jù)《公約》所確立的信息披露機(jī)制，2020年后，包括發(fā)展中國(guó)家在內(nèi)的所有締約方都須統(tǒng)一采用《2006年清單指南》以及后續(xù)更新的《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南(2019修訂版)》(以下簡(jiǎn)稱“《2019年清單指南》”)編制溫室氣體排放清單。

根據(jù)《2006年清單指南》和《2019年清單指南》，天然氣系統(tǒng)甲烷排放清單編制涉及勘探、生產(chǎn)、加工處理、運(yùn)輸和儲(chǔ)存、分配、加氣站、廢棄氣井等環(huán)節(jié)，甲烷逃逸排放包括放空、火炬燃燒、設(shè)備泄漏三種類型(圖1)?！?019年清單指南》為部分排放源的排放因子提供了基于技術(shù)分類的不同缺省值，并補(bǔ)充了非常規(guī)油氣開采技術(shù)、近海油氣開采和運(yùn)輸、LNG接收站、加氣站逃逸等環(huán)節(jié)的排放源和排放因子[29]。在常規(guī)天然氣開采環(huán)節(jié)，IPCC提供了基于天然氣產(chǎn)量和井口數(shù)量的排放因子，并明確指出，如果具備條件，基于井口數(shù)量的核算方法更加準(zhǔn)確。

圖1 天然氣系統(tǒng)甲烷排放示意圖Fig.1 Methane emission sources of natural gas systems

IPCC提供了三個(gè)層級(jí)的方法核算天然氣系統(tǒng)產(chǎn)生的甲烷排放量。第一層級(jí)(Tier 1)方法是基于代表性的活動(dòng)數(shù)據(jù)(A)和IPCC推薦的缺省排放因子(EF)估算天然氣供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的年度排放量(E)，其計(jì)算公式為E=A×EF；第二層級(jí)(Tier 2)方法與第一層級(jí)計(jì)算公式相同，采用的活動(dòng)數(shù)據(jù)相似，但所選取的排放因子是特定國(guó)家的排放因子而非缺省值；第三層級(jí)(Tier 3)是嚴(yán)格采用自下而上的方法核算天然氣供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)設(shè)備級(jí)排放源放空、火炬燃燒和泄漏等甲烷逃逸總量。我國(guó)油氣生產(chǎn)企業(yè)通常依據(jù)國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)發(fā)布的《中國(guó)石油和天然氣生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南(試行)》中的缺省甲烷排放因子，開展企業(yè)級(jí)甲烷排放統(tǒng)計(jì)；已有的國(guó)家尺度或城市尺度天然氣系統(tǒng)甲烷排放清單也多采用第一層級(jí)或第二層級(jí)方法進(jìn)行估算，其中活動(dòng)水平數(shù)據(jù)通常采用相應(yīng)尺度的天然氣生產(chǎn)和銷售數(shù)據(jù)，甲烷排放清單估算的準(zhǔn)確程度主要取決于排放因子能否反映天然氣供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的實(shí)際排放水平，因而這兩種方法的估算結(jié)果存在高度不確定性，需要進(jìn)一步開展不確定性分析。應(yīng)用此類方法估算甲烷排放量時(shí)，多采用靜態(tài)排放因子，估算結(jié)果的變動(dòng)情況僅能體現(xiàn)不同年份活動(dòng)水平數(shù)據(jù)的變化，無(wú)法表明因生產(chǎn)工藝改進(jìn)、設(shè)備技術(shù)更新迭代、甲烷管控措施實(shí)施帶來(lái)的甲烷排放強(qiáng)度的實(shí)際變化。

準(zhǔn)確掌握天然氣供應(yīng)鏈甲烷排放情況應(yīng)盡可能采用第三層級(jí)方法進(jìn)行核算。依據(jù)第三層級(jí)方法編制天然氣甲烷排放清單，需要掌握氣井、場(chǎng)站分布及地面工程建設(shè)概況；供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)工藝流程、設(shè)備參數(shù)及數(shù)量、排放特征；供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)不同技術(shù)類別甲烷排放源的氣流分析以及異常工況的甲烷排放因子。針對(duì)我國(guó)天然氣行業(yè)甲烷排放的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)， 目前可公開獲取的文獻(xiàn)資料較少， 大部分研究主要集中在油氣生產(chǎn)的單個(gè)環(huán)節(jié)， 全面、系統(tǒng)的全流程檢測(cè)與分析還普遍較少， 仍需繼續(xù)擴(kuò)大樣本數(shù)量， 明確取樣檢測(cè)的代表性， 并開展清單數(shù)據(jù)的不確定性模擬分析等工作[30]。與生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比， 設(shè)備級(jí)甲烷排放清單更難獲取， 須借助衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)等新興技術(shù)對(duì)設(shè)備級(jí)甲烷排放情況進(jìn)行實(shí)地測(cè)量與系統(tǒng)估算。

3 天然氣行業(yè)甲烷排放測(cè)量與控制技術(shù)

3.1 甲烷排放測(cè)量技術(shù)

天然氣行業(yè)甲烷排放測(cè)量包括自上而下(top-down)和自下而上(bottom-up)兩類技術(shù)(圖2)。不同技術(shù)適用于不同的測(cè)量頻率和測(cè)量閾值。

傳統(tǒng)的自下而上方法主要是通過(guò)紅外熱像儀、超聲泄漏檢測(cè)儀等手段查找甲烷排放點(diǎn)源，并使用大流量采樣器進(jìn)行甲烷排放速率和濃度測(cè)定，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)法蘭和螺紋連接部位、閥門、壓縮機(jī)密封部位等。紅外熱像儀可排除其他氣體的干擾，敏感、高效地檢測(cè)出數(shù)米遠(yuǎn)的輕微甲烷排放，適用于高溫、難接近設(shè)備的甲烷泄漏檢測(cè)以及油氣田場(chǎng)站級(jí)大范圍的實(shí)時(shí)甲烷逃逸排放監(jiān)測(cè)[30]。

圖2 天然氣系統(tǒng)空天地一體化甲烷排放測(cè)量技術(shù)體系Fig.2 Space-Air-Terrestrial integrated technologiesfor the measurement of methane emissionsfrom natural gas systems

甲烷排放的自上向下監(jiān)測(cè)是通過(guò)測(cè)量有界區(qū)域的甲烷濃度來(lái)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)域上風(fēng)向斷面、下風(fēng)向斷面的甲烷濃度來(lái)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(lái)估算區(qū)域的甲烷排放量[31]。根據(jù)測(cè)量區(qū)域的不同，又可分為設(shè)施級(jí)、場(chǎng)地級(jí)、大氣級(jí)的甲烷排放監(jiān)測(cè)，不同級(jí)別的測(cè)量與估算所使用的方法也不盡相同。

1) 大氣級(jí)甲烷排放測(cè)量。采用衛(wèi)星技術(shù)自上而下地監(jiān)測(cè)大氣級(jí)甲烷排放是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。衛(wèi)星技術(shù)能夠突破飛行器測(cè)量的時(shí)間限制，實(shí)現(xiàn)最大空間尺度的持續(xù)性的甲烷排放監(jiān)測(cè)，獲得全排放源的總量數(shù)據(jù)。但是，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度相對(duì)較低，如歐洲航天局發(fā)射的TROPOMI衛(wèi)星能夠大尺度地測(cè)量高排放地區(qū)的甲烷濃度，但無(wú)法測(cè)量較小排放源的甲烷泄漏。 為了解決數(shù)據(jù)精度問(wèn)題，加拿大GHGSat公司使用一種雙衛(wèi)星方法來(lái)定位未知的甲烷泄漏，即一顆靈敏度較低的衛(wèi)星先確定甲烷濃度似乎正在上升的大概區(qū)域，已發(fā)射的GHGSat-D和GHGSat-C1兩顆衛(wèi)星用于高分辨率地監(jiān)測(cè)甲烷排放。GHGSat-D能夠監(jiān)測(cè)油氣設(shè)施(油井、壓氣站、煉油廠、液化天然氣等)甲烷排放情況，而GHGSat-C1用于監(jiān)測(cè)并測(cè)量點(diǎn)源的甲烷排放量。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氣級(jí)甲烷排放測(cè)量估算的關(guān)鍵。

2) 場(chǎng)地級(jí)甲烷排放測(cè)量。針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)目標(biāo)，場(chǎng)地級(jí)甲烷排放測(cè)量可采用機(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)甲烷排放測(cè)量一般可采用機(jī)載(飛機(jī)、直升機(jī)、無(wú)人機(jī))檢測(cè)有界區(qū)域的順、逆?zhèn)燃淄闈舛龋?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；在城區(qū)甲烷排放測(cè)量方面，常搭建地面固定監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量；在天然氣供應(yīng)鏈下游，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(guò)碳同位素標(biāo)記法以區(qū)分生物甲烷源和熱甲烷源(如天然氣)，并確定甲烷排放源的占比，然后估算出供應(yīng)鏈下游的甲烷排放[30-31]。

3) 設(shè)備級(jí)甲烷排放測(cè)量。設(shè)備級(jí)甲烷排放量自上而下法測(cè)量通常采用OTM33A法(The EPA’s Other Test Method 33A)和示蹤劑釋放技術(shù)，這兩種方法多用于氣井集輸系統(tǒng)及處理廠等設(shè)施級(jí)甲烷排放的測(cè)量，OTM33A測(cè)量法的精確度不如示蹤劑釋放技術(shù)[31]。

現(xiàn)階段甲烷排放監(jiān)測(cè)成本較高，需要監(jiān)測(cè)的排放區(qū)域廣且排放點(diǎn)源多，全面高效地測(cè)量和估算甲烷排放仍面臨巨大挑戰(zhàn)。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷進(jìn)步，天然氣行業(yè)將逐步形成空天地一體化的甲烷排放測(cè)量技術(shù)體系；多尺度不同數(shù)據(jù)源的甲烷排放清單交叉印證，將使得天然氣供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的甲烷排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加精確。

3.2 甲烷排放控制技術(shù)

相比于分散的農(nóng)業(yè)活動(dòng)，天然氣行業(yè)的甲烷排放更易治理且具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)天然氣供應(yīng)鏈中無(wú)組織的甲烷泄漏，可采用泄漏檢測(cè)與修復(fù)(leakage detection and repair，LDAR)技術(shù)[32]進(jìn)行甲烷排放治理。LDAR技術(shù)是減少天然氣供應(yīng)鏈甲烷泄漏排放的重要手段。LDAR技術(shù)利用現(xiàn)代化檢測(cè)手段和信息技術(shù)，系統(tǒng)化地管理設(shè)備泄漏排放，通過(guò)對(duì)天然氣行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施潛在泄漏點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在泄漏問(wèn)題的部件，對(duì)其進(jìn)行修復(fù)或替換，進(jìn)而減少或消除甲烷排放。LDAR技術(shù)可應(yīng)用于整個(gè)天然氣供應(yīng)鏈，根據(jù)組件類型的不同有固定的實(shí)施頻率，通常分為季度檢測(cè)和半年度檢測(cè)。季度檢測(cè)多涉及氣動(dòng)泵、壓縮機(jī)、閥門等設(shè)備，半年度檢測(cè)則多為法蘭、接頭、連接件等設(shè)備。LDAR技術(shù)在不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)施成本存在差異，供應(yīng)鏈上游的生產(chǎn)裝置、壓縮機(jī)比較集中，在上游實(shí)施LDAR成本效益更高。

供應(yīng)鏈不同環(huán)節(jié)產(chǎn)生的有組織的甲烷排放適用的減排技術(shù)各異，需進(jìn)行針對(duì)性的控制與治理。目前，國(guó)內(nèi)外天然氣行業(yè)已經(jīng)形成比較成熟的甲烷減排技術(shù)和最佳實(shí)踐。美國(guó)環(huán)保署(EPA)推薦其油氣行業(yè)合作伙伴已經(jīng)進(jìn)行的72項(xiàng)甲烷減排技術(shù)或最佳減排實(shí)踐，覆蓋壓縮機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)(13項(xiàng))、脫水機(jī)(11項(xiàng))、直接檢查和維護(hù)(5項(xiàng))、管道(11項(xiàng))、氣動(dòng)/控制(5項(xiàng))、儲(chǔ)罐(6項(xiàng))、閥門(5項(xiàng))、井口(8項(xiàng))及其他(8項(xiàng))等油氣系統(tǒng)的甲烷排放源，涉及生產(chǎn)、加工處理、輸送、分配等環(huán)節(jié)。其中，投資回收期在1年以內(nèi)的甲烷減排技術(shù)占到了61%，投資回收期在1～3年的甲烷減排技術(shù)占到了36%。甲烷減排指導(dǎo)原則(MGP)的合作伙伴針對(duì)天然氣行業(yè)提供了工程設(shè)計(jì)與施工、火炬燃燒、能源利用、設(shè)備泄漏、放空、氣動(dòng)設(shè)備、運(yùn)營(yíng)維修、持續(xù)改進(jìn)、儲(chǔ)運(yùn)等多個(gè)模塊的最佳實(shí)踐指南，總結(jié)了各模塊已知的減排措施、成本和現(xiàn)有技術(shù)。根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)的估算，全球油氣行業(yè)約75%的甲烷泄漏可以通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)得到控制，其中至少40%的減排無(wú)需額外成本[9]。

4 我國(guó)天然氣行業(yè)甲烷排放控制需解決的科學(xué)問(wèn)題

天然氣行業(yè)的甲烷逃逸排放來(lái)自供應(yīng)鏈不同環(huán)節(jié)的海量設(shè)備部件。雖然我國(guó)油氣企業(yè)已經(jīng)形成了一些成熟的甲烷排放測(cè)量與控制技術(shù)，但識(shí)別天然氣供應(yīng)鏈中的關(guān)鍵排放源依然存在較大的不確定性。根據(jù)不同數(shù)據(jù)來(lái)源和估算方法所得到的甲烷排放清單差異很大，難以為我國(guó)天然氣行業(yè)設(shè)定具體的甲烷減排目標(biāo)和行動(dòng)計(jì)劃提供有效參考?，F(xiàn)階段，我國(guó)天然氣行業(yè)甲烷減排存在研究不充分、技術(shù)手段缺乏、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足等問(wèn)題，相關(guān)行動(dòng)已嚴(yán)重滯后于行業(yè)甲烷減排的迫切需求。雖然美國(guó)、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)圍繞天然氣行業(yè)甲烷排放控制已經(jīng)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)可供參考借鑒，但是我國(guó)的能源國(guó)情、天然氣行業(yè)所處的發(fā)展階段和生產(chǎn)實(shí)際與國(guó)外存在較大差異，簡(jiǎn)單照搬國(guó)際甲烷控排的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并不可行。

我國(guó)天然氣行業(yè)應(yīng)立足國(guó)情，充分借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，完善頂層設(shè)計(jì)，夯實(shí)基礎(chǔ)研究，依靠自主研發(fā)與國(guó)際交流合作，建立甲烷排放監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)體系。目前，亟待解決的主要科學(xué)問(wèn)題如圖3所示。

圖3 天然氣行業(yè)甲烷排放控制需解決的科學(xué)問(wèn)題Fig.3 Critical scientific issues with methane emission controls faced by the natural gas industry

4.1 甲烷減排頂層制度與政策工具設(shè)計(jì)

構(gòu)建包括天然氣行業(yè)在內(nèi)的甲烷排放控制的頂層設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作。結(jié)合我國(guó)2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的現(xiàn)實(shí)需求，需加快研究制定我國(guó)天然氣行業(yè)甲烷減排目標(biāo)、行動(dòng)計(jì)劃和指導(dǎo)性政策；明確供應(yīng)鏈全流程甲烷減排方向與路徑，建立各地區(qū)天然氣行業(yè)甲烷與其他污染物、溫室氣體排放協(xié)同控制的工作機(jī)制，制定甲烷排放管控工作標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范；加強(qiáng)中國(guó)特色的甲烷減排制度設(shè)計(jì)，引導(dǎo)相關(guān)企業(yè)合理設(shè)定減排目標(biāo)，提高甲烷排放數(shù)據(jù)透明度；研究建立天然氣行業(yè)甲烷排放監(jiān)管框架，明確各利益相關(guān)方行為和主體責(zé)任，特別是支撐地方政府(尤其是天然氣生產(chǎn)大省)出臺(tái)并建立省級(jí)和地區(qū)級(jí)的監(jiān)管制度及相關(guān)法規(guī)，規(guī)范本省(地區(qū))天然氣相關(guān)企業(yè)的甲烷排放活動(dòng)；通過(guò)政府引導(dǎo)和市場(chǎng)主導(dǎo)相結(jié)合，研究利用不同層面的市場(chǎng)機(jī)制推動(dòng)天然氣行業(yè)甲烷減排工作。

4.2 空天地一體化甲烷排放測(cè)量技術(shù)體系構(gòu)建

準(zhǔn)確識(shí)別天然氣供應(yīng)鏈關(guān)鍵排放源、合理估算甲烷排放總量需要依靠“自上而下”的甲烷監(jiān)測(cè)和“自下而上”的甲烷排放檢測(cè)。2021年1月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《關(guān)于統(tǒng)籌和加強(qiáng)應(yīng)對(duì)氣候變化與生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)工作的指導(dǎo)意見》明確提出要試點(diǎn)開展石油天然氣等重點(diǎn)行業(yè)甲烷排放監(jiān)測(cè)工作。

目前，我國(guó)天然氣行業(yè)使用的甲烷排放監(jiān)測(cè)和檢測(cè)裝備主要來(lái)自天然氣行業(yè)較為發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)，缺乏自主研發(fā)的測(cè)量技術(shù)，亟需建立符合我國(guó)天然氣行業(yè)發(fā)展實(shí)際的覆蓋全供應(yīng)鏈的空天地一體化甲烷排放測(cè)量技術(shù)體系，重新評(píng)估不同空間尺度(如設(shè)備、場(chǎng)站、區(qū)塊、氣田等)的甲烷排放情況。需鼓勵(lì)通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新形成成本更低、覆蓋面更廣、布點(diǎn)更靈活、查找排放源更精準(zhǔn)的機(jī)載和車載檢測(cè)、固定連續(xù)監(jiān)測(cè)等測(cè)量技術(shù)方法；借鑒衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，挖掘碳衛(wèi)星應(yīng)用潛力，推進(jìn)自主甲烷監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的研發(fā)工作，提高甲烷排放空間化建設(shè)和定量反演能力；打破傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)管理模式和工作方式，開展數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用；借助多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，加強(qiáng)大氣級(jí)、場(chǎng)地級(jí)和設(shè)備級(jí)的甲烷排放監(jiān)測(cè)，提升數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、校驗(yàn)、模擬等研究工作的精確度。

4.3 多尺度多層級(jí)甲烷排放清單數(shù)據(jù)庫(kù)與信息平臺(tái)建設(shè)

甲烷排放數(shù)據(jù)庫(kù)及信息平臺(tái)建設(shè)是有效治理天然氣行業(yè)甲烷排放的重要基礎(chǔ)，也是明確排放責(zé)任歸屬與減排份額分配的前提。我國(guó)天然氣行業(yè)甲烷清單研究基礎(chǔ)較為薄弱，所覆蓋的排放源尚不完整，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不確定性較大，排放因子的準(zhǔn)確性有待提升，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)、新設(shè)備、新方法對(duì)天然氣行業(yè)甲烷排放清單的編制提出了更高的要求。 因此，甲烷排放統(tǒng)計(jì)、核算、監(jiān)測(cè)的思路需不斷革新，改變以往完全依靠排放因子進(jìn)行估算的方式。

天然氣行業(yè)應(yīng)借助空天地一體化測(cè)量技術(shù)，識(shí)別全產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)甲烷排放點(diǎn)源；借助云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，不斷拓寬排放點(diǎn)源監(jiān)測(cè)范圍和數(shù)量，積累不同時(shí)間尺度、不同空間尺度的甲烷排放數(shù)據(jù)；基于大樣本量的設(shè)備級(jí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，借助智能數(shù)據(jù)分析方法，分析研判天然氣全產(chǎn)業(yè)鏈甲烷排放規(guī)律和特征，建立符合我國(guó)天然氣行業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的排放因子；研究建立適宜于我國(guó)國(guó)情的國(guó)家級(jí)、省市級(jí)、企業(yè)級(jí)甲烷排放清單編制方法，整合不同層級(jí)、不同尺度甲烷清單數(shù)據(jù)并相互驗(yàn)證，形成完整的、系統(tǒng)的、準(zhǔn)確的天然氣行業(yè)甲烷排放清單數(shù)據(jù)庫(kù)；加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，開發(fā)穩(wěn)健公開的甲烷排放信息平臺(tái)，為天然氣全供應(yīng)鏈甲烷排放管控工作提供決策依據(jù)。

4.4 全產(chǎn)業(yè)鏈甲烷減排技術(shù)研發(fā)與工程示范

目前，我國(guó)天然氣企業(yè)已經(jīng)開始采取甲烷排放控制行動(dòng)，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)已加入OGCI并承諾減少上游天然氣和石油業(yè)務(wù)的甲烷排放；北京燃?xì)饧瘓F(tuán)已經(jīng)簽署MGP并承諾進(jìn)一步減少所運(yùn)營(yíng)天然氣設(shè)施的甲烷排放；中國(guó)石油化工集團(tuán)啟動(dòng)了甲烷回收的行動(dòng)計(jì)劃，對(duì)邊緣井采用殼裝式裝置以LNG或CNG(壓縮天然氣)的方式回收天然氣生產(chǎn)排放的甲烷，2019年企業(yè)共回收利用甲烷3.97億m3[33]。相比于按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)核算的天然氣系統(tǒng)甲烷排放量而言，目前天然氣企業(yè)的甲烷回收率還比較低，與甲烷減排相關(guān)的技術(shù)手段與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，亟需開展系統(tǒng)性的甲烷排放控制工作。

科研院所、天然氣行業(yè)技術(shù)支持機(jī)構(gòu)需充分尋找和驗(yàn)證甲烷減排技術(shù)的可行性，識(shí)別適合我國(guó)天然氣行業(yè)實(shí)際情況的具有潛在經(jīng)濟(jì)效益的減排與回收利用技術(shù)；加大技術(shù)開發(fā)力度，研發(fā)自主可控的甲烷控制與回收利用裝備；根據(jù)多維度、多層次技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果，整合高效可行的甲烷減排技術(shù)和最佳減排實(shí)踐，積極開展新技術(shù)的推廣應(yīng)用和工程實(shí)踐，為天然氣行業(yè)提供覆蓋產(chǎn)運(yùn)儲(chǔ)貿(mào)用全供應(yīng)鏈的甲烷減排綜合解決方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

天然氣是2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和目標(biāo)下未來(lái)能源系統(tǒng)保持韌性、安全性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。我國(guó)作為天然氣生產(chǎn)、消費(fèi)大國(guó)，甲烷排放控制問(wèn)題是天然氣行業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。本文的研究表明，天然氣行業(yè)甲烷排放源復(fù)雜多樣且存在不確定性極高的超級(jí)排放源，盡管甲烷測(cè)量與控制技術(shù)發(fā)展較快，現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)尚無(wú)法滿足我國(guó)天然氣行業(yè)開展有效的甲烷排放控制的需要，在關(guān)鍵排放源精準(zhǔn)識(shí)別、排放監(jiān)測(cè)與核算、減排技術(shù)與制度治理等方面存在諸多不足，迫切需要加強(qiáng)我國(guó)天然氣行業(yè)甲烷排放控制相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題研究。具體建議如下所述。

1)堅(jiān)持全國(guó)一盤棋的系統(tǒng)思維，將甲烷排放控制納入國(guó)家氣候目標(biāo)和“十四五”相關(guān)專項(xiàng)規(guī)劃，出臺(tái)天然氣行業(yè)甲烷減排行動(dòng)計(jì)劃；完善天然氣行業(yè)甲烷排放核算與報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)，建立甲烷減排評(píng)估認(rèn)證平臺(tái)，強(qiáng)化放空和火炬燃燒活動(dòng)管理，推動(dòng)火炬全面取締；充分利用碳交易、自愿減排交易等市場(chǎng)機(jī)制進(jìn)一步推動(dòng)甲烷減排工作，探索建立政府和社會(huì)資本合作的甲烷減排投融資機(jī)制。

2) 加大資金和政策支持，設(shè)立甲烷減排相關(guān)科技攻關(guān)項(xiàng)目。鼓勵(lì)企業(yè)(包括天然氣生產(chǎn)企業(yè)、管網(wǎng)公司、LNG企業(yè)、城市燃?xì)饧瘓F(tuán)、技術(shù)支持機(jī)構(gòu)、設(shè)備供應(yīng)商、貿(mào)易服務(wù)企業(yè)等)將甲烷排放管控納入相關(guān)企業(yè)發(fā)展規(guī)劃，同時(shí)加大科技投入，通過(guò)革新技術(shù)裝備，持續(xù)控制、減少天然氣供應(yīng)鏈的甲烷排放，如借助LDAR技術(shù)識(shí)別關(guān)鍵排放源，提高修復(fù)效率，精準(zhǔn)控制、削減生產(chǎn)過(guò)程中的甲烷排放。

3) 在國(guó)際交流與合作層面，積極推進(jìn)與油氣貿(mào)易對(duì)象國(guó)在甲烷減排領(lǐng)域的交流與合作，充分借鑒國(guó)際先進(jìn)甲烷檢測(cè)與控制經(jīng)驗(yàn)，與貿(mào)易伙伴共同開展甲烷減排技術(shù)裝備研發(fā)與推廣應(yīng)用；協(xié)同“一帶一路”沿線國(guó)家積極參與甲烷減排行動(dòng)，提升能源相關(guān)甲烷減排領(lǐng)域的國(guó)際參與度、話語(yǔ)權(quán)和主動(dòng)權(quán)。

4) 建立政產(chǎn)學(xué)研有效結(jié)合機(jī)制，充分發(fā)揮政府、企業(yè)、用戶、科研機(jī)構(gòu)、行業(yè)協(xié)會(huì)的協(xié)同作用，在動(dòng)態(tài)信息采集、實(shí)時(shí)排放監(jiān)測(cè)、快速分析診斷、精準(zhǔn)定位溯源、智能預(yù)判預(yù)警、高效評(píng)估決策、分級(jí)分類監(jiān)管、協(xié)同減排與治理等不同層面，積極行動(dòng)，多方參與、共同建設(shè)，推動(dòng)天然氣行業(yè)智能、高效地開展甲烷減排工作，助力實(shí)現(xiàn)天然氣行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。