美國(guó)天然氣輸配系統(tǒng)甲烷減排經(jīng)驗(yàn)及啟示

朱瑞娟，朱子涵，車 明

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院，北京 100011)

1 概述

由于天然氣是清潔的化石能源，因此天然氣將在實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)過(guò)程中發(fā)揮基礎(chǔ)性保障作用，降低國(guó)內(nèi)天然氣行業(yè)的甲烷排放是最具有經(jīng)濟(jì)效益的手段。國(guó)內(nèi)甲烷減排起步較晚，因此本文對(duì)美國(guó)近年來(lái)天然氣行業(yè)甲烷減排經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，提煉出適合國(guó)內(nèi)天然氣行業(yè)甲烷減排的經(jīng)驗(yàn)和啟示。

2 美國(guó)天然氣系統(tǒng)甲烷排放時(shí)空特征

探究1990年—2020年美國(guó)天然氣生產(chǎn)量、消費(fèi)量與天然氣系統(tǒng)甲烷排放總量的關(guān)系，提煉出對(duì)應(yīng)的時(shí)空特征。1990年—2020年美國(guó)天然氣系統(tǒng)甲烷排放總量、天然氣消費(fèi)量、生產(chǎn)量見(jiàn)圖1。

圖1 美國(guó)天然氣系統(tǒng)甲烷排放總量、天然氣消費(fèi)量、生產(chǎn)量

由圖1可知，1990年—2019年美國(guó)天然氣生產(chǎn)量和天然氣消費(fèi)量總體呈上升趨勢(shì)，2020年由于疫情影響，生產(chǎn)量和消費(fèi)量都大幅下跌。天然氣系統(tǒng)甲烷排放總量總體處于波動(dòng)中穩(wěn)步降低的趨勢(shì)。

美國(guó)天然氣系統(tǒng)勘探、開(kāi)發(fā)、處理、長(zhǎng)輸儲(chǔ)運(yùn)、輸配、用戶使用等各環(huán)節(jié)甲烷排放量見(jiàn)圖2。

圖2 1990年—2020年美國(guó)天然氣系統(tǒng)各環(huán)節(jié)甲烷排放量

由圖2可知，1990年—2020年，天然氣勘探環(huán)節(jié)甲烷排放量在2008年達(dá)到峰值，2009年—2020年處于緩慢降低的狀態(tài)。天然氣開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)甲烷排放量在2008年達(dá)到峰值，2009年—2016年緩慢下降，2017年—2018年又出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，2019年—2020年下降幅度明顯。長(zhǎng)輸儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)甲烷排放量1990年—2012年處于下降趨勢(shì)，2013年—2020年在波動(dòng)中緩慢上升。處理、輸配環(huán)節(jié)甲烷排放量在1990年—2020年穩(wěn)中有降，輸配環(huán)節(jié)甲烷排放量下降幅度最大。用戶使用環(huán)節(jié)甲烷排放量1990年—2020年處于緩慢上漲的狀態(tài)。

3 天然氣系統(tǒng)各環(huán)節(jié)甲烷減排相關(guān)性分析

3.1 天然氣系統(tǒng)甲烷減排相關(guān)性分析

對(duì)1990年—2020年天然氣系統(tǒng)甲烷排放總量和勘探、開(kāi)發(fā)、處理、長(zhǎng)輸儲(chǔ)運(yùn)、輸配、用戶使用6個(gè)環(huán)節(jié)的甲烷排放量進(jìn)行相關(guān)性分析，提取出1990年—2020年和天然氣系統(tǒng)甲烷排放總量降低趨勢(shì)一致且貢獻(xiàn)度最大的環(huán)節(jié)。天然氣系統(tǒng)6個(gè)環(huán)節(jié)甲烷排放量與甲烷排放總量的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 天然氣系統(tǒng)6個(gè)環(huán)節(jié)甲烷排放量與甲烷排放總量的相關(guān)系數(shù)

各環(huán)節(jié)甲烷排放量和甲烷排放總量趨勢(shì)一致稱為正相關(guān)，趨勢(shì)相反稱為負(fù)相關(guān)。從圖1可知美國(guó)天然氣系統(tǒng)甲烷排放量總體呈下降趨勢(shì)。由表1可知，1990年—2020年開(kāi)發(fā)、用戶使用環(huán)節(jié)甲烷排放量與天然氣系統(tǒng)甲烷排放總量呈負(fù)相關(guān)，這主要是由于美國(guó)頁(yè)巖氣的大規(guī)模開(kāi)發(fā)及下游工業(yè)居民等用戶甲烷泄漏導(dǎo)致甲烷排放上升。勘探、處理、長(zhǎng)輸儲(chǔ)運(yùn)、輸配4個(gè)環(huán)節(jié)甲烷排放是降低趨勢(shì)，其中對(duì)美國(guó)天然氣系統(tǒng)甲烷減排貢獻(xiàn)度最大的是輸配環(huán)節(jié)。

3.2 輸配環(huán)節(jié)甲烷減排相關(guān)性分析

輸配環(huán)節(jié)是美國(guó)天然氣系統(tǒng)甲烷減排最大的貢獻(xiàn)者，輸配環(huán)節(jié)甲烷排放來(lái)源包含管道泄漏、燃?xì)鈴S站逸散、用戶表逸散、日常維護(hù)、開(kāi)挖5類，探究這5類來(lái)源的甲烷減排量對(duì)輸配環(huán)節(jié)甲烷減排的最大貢獻(xiàn)者，有利于提取美國(guó)輸配環(huán)節(jié)甲烷減排經(jīng)驗(yàn)。計(jì)算管道泄漏、燃?xì)鈴S站逸散、用戶表逸散、日常維護(hù)、開(kāi)挖5類來(lái)源甲烷排放量和輸配環(huán)節(jié)甲烷排放量的相關(guān)系數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 5類來(lái)源甲烷排放量與輸配環(huán)節(jié)甲烷排放量的相關(guān)系數(shù)

由表2可知，1990年—2020年和輸配環(huán)節(jié)甲烷排放量相關(guān)性最強(qiáng)的為燃?xì)鈴S站逸散甲烷排放量，相關(guān)系數(shù)為0.996。其次為管道泄漏甲烷排放量，相關(guān)系數(shù)為0.993。這2類來(lái)源的甲烷排放量對(duì)輸配環(huán)節(jié)甲烷減排貢獻(xiàn)度最高。根據(jù)美國(guó)輸配管網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，單位長(zhǎng)度甲烷排放量較低的PE管道里程逐年增加，單位長(zhǎng)度甲烷排放量較高的未保護(hù)鋼管里程逐年降低。美國(guó)大規(guī)模進(jìn)行老舊管道的更新改造，帶來(lái)了天然氣系統(tǒng)的甲烷減排?！睹绹?guó)油氣行業(yè)危險(xiǎn)空氣污染物新污染源執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和新排放標(biāo)準(zhǔn)(2012)》要求天然氣行業(yè)針對(duì)甲烷實(shí)行泄漏檢測(cè)及修復(fù)(LDAR)。老舊管道更新改造和實(shí)施泄漏檢測(cè)及修復(fù)兩個(gè)因素促使管道泄漏和燃?xì)鈴S站逸散造成的甲烷排放大規(guī)模降低。呈負(fù)相關(guān)的是用戶表逸散和開(kāi)挖甲烷排放量，這2類來(lái)源的甲烷排放量在1990年—2020年處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，對(duì)甲烷減排呈現(xiàn)負(fù)貢獻(xiàn)，但是增排量較小。

3.2.1管道泄漏甲烷減排相關(guān)性分析

管道泄漏是對(duì)輸配環(huán)節(jié)甲烷減排貢獻(xiàn)度較高的來(lái)源，探究管道泄漏造成的甲烷排放量與各類型管道泄漏造成的甲烷排放量的相關(guān)性，尋找出相關(guān)性較強(qiáng)且是降低趨勢(shì)的管道類型，非常有意義。1990年—2020年各類型管道泄漏甲烷排放量與管道泄漏甲烷排放量的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。

由表3可知，1990年—2020年與管道泄漏甲烷排放量走勢(shì)一致且相關(guān)性很強(qiáng)管道類型分別為：未保護(hù)鋼管主干管道、鑄鐵管主干管道、未保護(hù)鋼管庭院管道、保護(hù)鋼管庭院管道、銅管庭院管道、PE管主干管道。從美國(guó)管網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，美國(guó)主干管道長(zhǎng)度一直在增加，但是單位長(zhǎng)度甲烷排放量較高的鑄鐵管、未保護(hù)鋼管主干管道長(zhǎng)度在逐年減少，單位長(zhǎng)度甲烷排放量較低的PE管長(zhǎng)度在逐年增加，管道的更新促進(jìn)了甲烷減排。與管道泄漏甲烷排放量呈負(fù)相關(guān)的管道類型為PE管庭院管道、保護(hù)鋼管主干管道。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，多年來(lái)保護(hù)鋼管主干管道長(zhǎng)度基本不變，隨著年限增加，保護(hù)鋼管泄漏的概率逐年增大，對(duì)管道泄漏甲烷減排作出負(fù)貢獻(xiàn)。2020年P(guān)E管庭院管道長(zhǎng)度相比1990年增加176%，雖然PE管單位長(zhǎng)度甲烷排放量低，但是庭院管道長(zhǎng)度的暴增，也導(dǎo)致這種類型的管道1990年—2020年甲烷排放增加，對(duì)管道泄漏甲烷減排作出負(fù)貢獻(xiàn)。

表3 各類型管道泄漏甲烷排放量與管道泄漏甲烷排放量的相關(guān)系數(shù)

3.2.2燃?xì)鈴S站逸散甲烷減排相關(guān)性分析

燃?xì)鈴S站逸散是輸配環(huán)節(jié)甲烷排放相關(guān)性最強(qiáng)的來(lái)源之一，探究燃?xì)鈴S站逸散甲烷排放量與各類型調(diào)壓站甲烷排放量的相關(guān)性，尋找相關(guān)性較強(qiáng)的調(diào)壓站類型，非常有意義。不同類型的燃?xì)庹{(diào)壓站甲烷排放量與燃?xì)鈴S站逸散甲烷排放量的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表4。表4數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，和中國(guó)調(diào)壓站壓力劃分標(biāo)準(zhǔn)不同。計(jì)量調(diào)壓站指具有計(jì)量功能的調(diào)壓站，地下調(diào)壓站指建在地下的調(diào)壓站，只有調(diào)壓功能且建在地上的稱為普通調(diào)壓站。由于美國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中不含進(jìn)站壓力小于0.27 MPa的計(jì)量調(diào)壓站和地下調(diào)壓站，故本文不討論該情況。

由表4可以看出，1990年—2020年與燃?xì)鈴S站甲烷減排走勢(shì)一致且相關(guān)性很強(qiáng)的類型分別為：計(jì)量調(diào)壓站A、計(jì)量調(diào)壓站B、普通調(diào)壓站A、普通調(diào)壓站B、地下調(diào)壓站A，這5類調(diào)壓站對(duì)燃?xì)鈴S站的甲烷減排貢獻(xiàn)度最大，主要由于美國(guó)在進(jìn)站壓力0.68 MPa以上的計(jì)量調(diào)壓站和普通調(diào)壓站實(shí)施了泄漏檢測(cè)及修復(fù)(LDAR)措施。呈負(fù)相關(guān)且相關(guān)性最強(qiáng)的為地下調(diào)壓站C，這個(gè)類型調(diào)壓站對(duì)廠站甲烷減排起負(fù)作用，但是增排量極小。

表4 不同類型的燃?xì)庹{(diào)壓站甲烷排放量與燃?xì)鈴S站逸散甲烷排放量的相關(guān)系數(shù)

4 對(duì)中國(guó)天然氣行業(yè)的啟示

注重老舊管道更新。隨著服役時(shí)間增長(zhǎng)，我國(guó)的管道越來(lái)越舊，面臨的管道泄漏壓力也越來(lái)越大。因此要注重老舊管道更新，優(yōu)選甲烷排放因子低的管材，既能保障天然氣管道的安全性，又能提高甲烷減排潛力。

加大泄漏檢測(cè)及修復(fù)(LDAR)。通過(guò)LDAR，可以對(duì)閥門、法蘭等進(jìn)行檢測(cè)，精準(zhǔn)度極高，因此我國(guó)天然氣廠站要想達(dá)到高精準(zhǔn)度泄漏檢測(cè)，應(yīng)加大實(shí)施LDAR措施。燃?xì)鈴S站甲烷檢測(cè)可以參考美國(guó)成熟的泄漏點(diǎn)定位、確定泄漏量、檢測(cè)組件、修復(fù)泄漏組件以及記錄保存流程[1]，提高燃?xì)鈴S站甲烷減排潛力。

加大甲烷排放實(shí)測(cè)。下游城市燃?xì)庑袠I(yè)甲烷排放歷史數(shù)據(jù)缺乏，有時(shí)根據(jù)天然氣排放因子和活動(dòng)水平進(jìn)行理論計(jì)算的甲烷排放數(shù)據(jù)低于實(shí)測(cè)值。因此，要鼓勵(lì)燃?xì)馄髽I(yè)采用多種檢測(cè)、監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行本企業(yè)所屬天然氣設(shè)施的實(shí)測(cè)，獲得甲烷實(shí)測(cè)排放數(shù)據(jù)，同時(shí)和理論計(jì)算排放數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證[2]。