城鎮(zhèn)燃?xì)夤?yīng)企業(yè)甲烷減排技術(shù)實踐研究

王杰，劉旭，袁成龍，李旭，崔斌

(北京市燃?xì)饧瘓F有限責(zé)任公司第五分公司，北京 100044)

0 引言

隨著全球天然氣消費量的穩(wěn)步增長，其主要成分甲烷作為僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，排放量已經(jīng)占全球溫室氣體排放量的16%以上，濃度達(dá)到工業(yè)化前水平的2.5倍[1]。甲烷是一種有價值的燃料，但同時作為溫室氣體，增溫效應(yīng)快、壽命短(約為12年左右)是其主要特點，根據(jù)IPCC(AR5)的數(shù)據(jù)，其在20年和100年尺度下的全球增溫潛勢(GWP)約為二氧化碳的84倍和28倍[2-3]。2020年，全球油氣行業(yè)的甲烷泄漏量達(dá)到了7 200萬噸，按照20年尺度GWP算，相當(dāng)于60.48億噸CO2當(dāng)量[4]。從排放源角度來看，全球油氣系統(tǒng)的甲烷逃逸排放約占所有排放源的四分之一，據(jù)國際能源署(IEA)的研究表明，全球四分之三的油氣甲烷減排可以通過現(xiàn)有技術(shù)解決，其中一半的減排為凈零成本[4]。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[5]。因此，對于城市燃?xì)夤?yīng)企業(yè)來說，積極利用現(xiàn)有設(shè)備、技術(shù)對本行業(yè)甲烷控排具有重要意義。文章討論的是一種城鎮(zhèn)燃?xì)庵椒舛孪盗性O(shè)備，該系列設(shè)備在封堵方式上與傳統(tǒng)封堵設(shè)備不同，且在燃?xì)馐┕がF(xiàn)場應(yīng)用場景廣泛，經(jīng)過現(xiàn)場多次案例驗證，該系列設(shè)備在應(yīng)對城鎮(zhèn)燃?xì)馐┕み^程中因主動放空產(chǎn)生的甲烷排放具有明顯的減排效益。

1 城鎮(zhèn)燃?xì)庵较盗蟹舛略O(shè)備

在城鎮(zhèn)燃?xì)馐┕すこ讨?，管道的不停輸帶壓封堵作為一種高效節(jié)能、經(jīng)濟實用的施工方式已經(jīng)得到全面應(yīng)用，現(xiàn)有的管道不停輸帶壓封堵技術(shù)大致包括膨脹筒式封堵、塞式封堵、雙峰球膽封堵等，但在現(xiàn)場施工過程中存在封堵膠皮不能重復(fù)使用及對變形管道、管道焊縫等特殊情況封堵效果差、封堵成功率不高、封堵操作不便等的諸多問題。燃?xì)夤艿乐椒舛略O(shè)備是吸收了國內(nèi)外多種封堵形式的成功經(jīng)驗后，根據(jù)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)備的特點和維護需要，本著輕便、簡單、實用、安全可靠的設(shè)計原則設(shè)計的系列設(shè)備。

1.1 設(shè)備原理及結(jié)構(gòu)

柱塞式封堵設(shè)備剖面圖如圖1(a、b)所示，該設(shè)備由固定裝置、傳動裝置、封堵裝置三部分組成。利用力的可傳遞原理，通過旋轉(zhuǎn)傳遞扭矩內(nèi)桿對封堵盤施加壓力，擠壓封堵盤上的密封橡膠使其向外膨脹變形進而擠壓管道內(nèi)壁，以實現(xiàn)對管道的封堵截流。

圖1 柱塞式封堵設(shè)備及封堵器結(jié)構(gòu)簡圖

具體來看：

(1)固定裝置：固定裝置由上下移動外桿、支撐外筒兩部分組成。移動外桿是用于封堵定位的裝置，設(shè)有可拆卸手柄、位置鎖定裝置、支撐外桿?？刹鹦妒直鷥?nèi)部設(shè)有密封圈；支撐外桿上部和下部分別設(shè)有旋轉(zhuǎn)螺紋，其外壁設(shè)有半圓環(huán)形凹槽。該結(jié)構(gòu)的功能是快速下放柱塞式封堵盤到管道內(nèi)壁指定位置，同時設(shè)置有位置卡簧，操作性較好。

(2)傳動裝置：傳動裝置由傳遞扭矩內(nèi)桿和柱塞式封堵器內(nèi)的橡膠擠壓桿組成。扭矩內(nèi)桿設(shè)有可拆卸手柄、內(nèi)桿，內(nèi)桿下部為方形花鍵，該部分設(shè)計的功能是可以旋轉(zhuǎn)手柄，傳遞扭矩到柱塞式封堵器內(nèi)的橡膠擠壓桿上，擠壓橡膠，直到與管道內(nèi)壁擠壓，達(dá)到密封的效果。(3)封堵裝置：封堵裝置為該設(shè)備的核心部件—柱塞式封堵器。柱塞式封堵器由鋼筒、四爪卡盤、橡膠擠壓桿、密封橡膠組成，其作用是通過使擠壓桿受力，在起穩(wěn)定作用的四爪卡盤保護下擠壓密封橡膠，使其膨脹直到與管道內(nèi)壁擠壓密封，完成封堵截流。

1.2 設(shè)備適用場景及特點

該系列設(shè)備是利用現(xiàn)有燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)備法蘭螺紋等接口對氣源進行有效快速封堵的燃?xì)夤艿缹Ｓ米鳂I(yè)設(shè)備，設(shè)備規(guī)格分為DN50、DN80、DN100、DN150、DN200、DN300。該系列封堵設(shè)備適用于中低壓(P≤0.4 MPa)燃?xì)夤芫W(wǎng)，可在對上游燃?xì)夤芫W(wǎng)不進行降壓或關(guān)停的情況下實現(xiàn)切線作業(yè)和部分搶修任務(wù)，可實現(xiàn)不帶氣對閘井放散截門、引入管更換及燃?xì)庹{(diào)壓箱的維修、加裝、老舊調(diào)壓箱的改造等作業(yè)，如圖2(a、b)所示，避免了傳統(tǒng)的區(qū)域降壓手工作業(yè)或作業(yè)前端進行整管切斷封堵的作業(yè)模式，在減少對周邊用戶影響的同時減少了因降壓放散或切線吹掃帶來的甲烷排放。

2 柱塞式封堵設(shè)備甲烷減排應(yīng)用案例

2.1 柱塞式封堵設(shè)備用于更換閘井放散閥

位于北京市某行政區(qū)域的中壓DN80閘井A放散閥因銹蝕發(fā)生漏氣，按傳統(tǒng)搶修方式需降壓進行更換，根據(jù)管網(wǎng)運營示意圖，如圖3所示，考慮到市中心環(huán)路管網(wǎng)多，降壓需關(guān)停6個涉及氣源的中壓閘井并在其他閘井放散，影響多個中壓調(diào)壓箱、調(diào)壓站，共計民用戶23 652 戶，公服用戶23 戶，鍋爐用戶8 戶，DN300、DN200、DN100中壓管線各4.83 km、8.77 km、2.56 km。由于正直冬供期間，降壓后搶修不僅影響用戶范圍大，且降壓放散的天然氣約為636.72 m3。而采用柱塞式封堵器進行操作，只需對泄漏閘井A 一側(cè)放散管進行封堵，完全無需降壓就可完成放散閥更換，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益的同時可減少636.72 m3的甲烷排放，相當(dāng)于一個集中供暖的普通三口之家近兩年的用氣量。

圖2 老舊調(diào)壓箱改造

圖3 管網(wǎng)運營示意圖

2.2 柱塞式封堵設(shè)備用于搶修作業(yè)

位于北京市某地鐵線路高架橋下且穿過主要市政道路的DN300與DN500中壓燃?xì)夤艿肋B接處疑似漏氣，為進一步確定泄漏的具體位置、大面積減少對用戶影響的同時降低降壓搶修產(chǎn)生的放散量，根據(jù)管網(wǎng)運營示意圖，如圖4所示，使用柱塞式封堵設(shè)備在接線管接座Q處進行封堵，在不影響DN500管網(wǎng)用戶的同時確定了DN300的泄漏處，最終只需降壓放散Q處至F1處的管道氣，該段距離為0.94 km,估算需放散天然氣66.41 m3，而如果無此設(shè)備采用既定管網(wǎng)最小降壓單元進行降壓搶修，則需放散F1、F2、F3之間的管容量，涉及中壓DN500、DN300、DN200、DN100分別為3.23 km、0.94 km、5.53 km、2.62 km，估算需放散天然氣共計894.51 m3，直接減少有組織甲烷排放828.10 m3，可見柱塞式封堵設(shè)備具有明顯的甲烷減排效益。

圖4 管網(wǎng)運營示意圖

3 影響柱塞式封堵設(shè)備甲烷減排效益發(fā)揮的因素

3.1 使用場景對設(shè)備甲烷減排效益的影響

柱塞式封堵設(shè)備應(yīng)用場景廣泛，使用場景是否具備條件對設(shè)備甲烷減排具有直接影響。其中，在用于切線作業(yè)或部分搶修時，需要應(yīng)用切線點或漏氣點附近的接線管件進行封堵，除了要求現(xiàn)場作業(yè)條件允許外，還需要管線圖紙的精確性進行配合，這對由于管網(wǎng)走向與實際不符、歷史接切線點在圖紙無標(biāo)記、管網(wǎng)運維人員能力與經(jīng)驗不足等造成的使用場景不匹配問題將影響系列設(shè)備的減排效益發(fā)揮。而對于閘井放散閥或調(diào)壓箱維修或更換、樓前立管截門加裝、引入口漏氣修復(fù)等方面，由設(shè)備使用案例和其工作原理可推出，該系列設(shè)備的使用將發(fā)揮較大的的甲烷減排效益。據(jù)北京燃?xì)庋芯吭簻y算，2019年北京燃?xì)庖蚋黝愖鳂I(yè)放空甲烷273 t。若柱塞式系列封堵設(shè)備可替代傳統(tǒng)作業(yè)方式的30%，可產(chǎn)生81.9 t的甲烷減排量，折合113 841 m3天然氣，以2.61 元/m3計算可直接節(jié)約近30萬元，若按當(dāng)年北京市碳市場均價80元/t參與碳交易，可獲得6 552元收益。替代率的升高和碳價的增值直接作用于該系列設(shè)備的減排效益。

3.2 使用頻率對設(shè)備甲烷減排效益的影響

柱塞式封堵設(shè)備使用頻率的高低對其在甲烷減排方面應(yīng)該發(fā)揮的實際作用產(chǎn)生較大影響。柱塞式封堵設(shè)備在甲烷減排技術(shù)工程實踐方面突出了一定的作用，但在城鎮(zhèn)燃?xì)夤?yīng)企業(yè)不同管理層對甲烷減排的關(guān)注度有一定差異的情況下，在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)運營現(xiàn)狀的背景下，柱塞式封堵設(shè)備并不是所有作業(yè)的首選設(shè)備。油氣企業(yè)甲烷減排已經(jīng)是大勢所趨，對于具備機械作業(yè)條件的城鎮(zhèn)燃?xì)夤?yīng)企業(yè)來說，有選擇的在中低壓管網(wǎng)中使用機械作業(yè)代替手工作業(yè)，用更具有甲烷減排效益的設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)作業(yè)設(shè)備及作業(yè)方式應(yīng)該是此類企業(yè)運營過程中應(yīng)該考慮的重點之一；對于還不具備機械作業(yè)的城鎮(zhèn)燃?xì)夤?yīng)企業(yè)應(yīng)結(jié)合實際盡快引入具有明顯甲烷減排效益的機械作業(yè)手段代替手工作業(yè)方式，且在管道設(shè)計時適當(dāng)在關(guān)鍵節(jié)點使用管件連接代替三通焊接一次成型，滿足“雙碳”背景下作為天然氣供應(yīng)企業(yè)的中長期發(fā)展需要。

3.3 推廣手段對設(shè)備甲烷減排效益的影響

推廣手段單一、推廣力度不足、推廣人員專業(yè)性不強等對柱塞式封堵設(shè)備的應(yīng)用及甲烷減排效益發(fā)揮產(chǎn)生間接影響。目前，在技術(shù)持有者系統(tǒng)外推廣方面，該系列設(shè)備的推廣方式主要以參加城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)備展覽會為主，輔之以個別的技術(shù)交流推廣，推廣方式較為單一，可持續(xù)性不強。在其系統(tǒng)內(nèi)部推廣方面，以分、子公司間的技術(shù)交流、設(shè)備試用、臨時借用為主，未形成普遍意義上的具有隨時持有、使用設(shè)備的具體情況。從推廣人員來說，以其他崗位職工兼職為主，差異性較為明顯，專業(yè)度不足、推廣意識欠佳。以上因素間接影響了柱塞式封堵設(shè)備的甲烷減排效益在城鎮(zhèn)燃?xì)夤?yīng)企業(yè)的發(fā)揮。

3.4 其他影響因素

影響柱塞式封堵設(shè)備甲烷減排效益發(fā)揮的其他因素還有政策環(huán)境的變化、行業(yè)內(nèi)技術(shù)的革新及標(biāo)準(zhǔn)的制定、燃?xì)夤?yīng)企業(yè)管理側(cè)重點及碳交易市場的完善等。具體來說，政策層面，隨著中國“雙碳”目標(biāo)的持續(xù)推進，管道天然氣的甲烷排放相關(guān)政策會越來越細(xì)致，越來越嚴(yán)格，進而會從側(cè)面影響具有甲烷減排效益的設(shè)備設(shè)施應(yīng)用；行業(yè)層面，管道天然氣甲烷泄漏檢測技術(shù)、放散天然氣回收利用技術(shù)的發(fā)展、甲烷排放標(biāo)準(zhǔn)的制定會進一步促進具有甲烷減排效益的設(shè)備設(shè)施應(yīng)用；企業(yè)層面，隨著燃?xì)夤?yīng)企業(yè)的管理層甲烷減排意識的增強、管網(wǎng)改造計劃的制定與實施，柱塞式封堵設(shè)備的甲烷減排效益會更加明顯；市場層面，隨著碳交易市場的逐步完善，具備條件的甲烷減排項目有望直接參與碳交易，柱塞式封堵設(shè)備的推廣使用會在降低燃?xì)夤?yīng)企業(yè)“購銷差”、帶來直接和間接經(jīng)濟效益的同時為減緩氣候變化作出一定貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

柱塞式封堵設(shè)備具有明顯的甲烷減排效益，使用場景、使用頻率、推廣方式及與管道天然氣相關(guān)的政策、行業(yè)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)、碳交易市場等會直接或間接影響其甲烷減排效益的發(fā)揮。隨著中國“3060”目標(biāo)的提出和持續(xù)推進，凝聚甲烷減排共識，提出甲烷排放強度目標(biāo)或者總量目標(biāo)或者“雙控”目標(biāo)，研究并推廣像柱塞式封堵設(shè)備一樣的具有明顯甲烷減排效益的控制措施，不斷打造示范項目和工程以切實加強甲烷排放管控，已經(jīng)成為燃?xì)夤?yīng)企業(yè)實施甲烷減排戰(zhàn)略的趨勢。各燃?xì)夤?yīng)企業(yè)應(yīng)該積極協(xié)調(diào)企業(yè)內(nèi)部各層級甲烷減排相關(guān)的管理意識，發(fā)展、利用和推廣自身優(yōu)勢參與“十四五”國家控制甲烷排放系列行動，積極克服對具有甲烷減排效益的技術(shù)或設(shè)備有影響的不利因素，持續(xù)推動完善燃?xì)庑袠I(yè)甲烷控制政策、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)體系和碳市場交易，最終利用市場機制協(xié)調(diào)促進甲烷減排工作扎實有序開展。