油氣行業(yè)甲烷監(jiān)測(cè)、報(bào)告與核查技術(shù)進(jìn)展研究*

達(dá)虹鞠,許德剛,唐智和,李巨峰,欒 輝,王 晨,史江慶,陳春茂

(1.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司石油石化污染物控制與處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206 2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司大港石化分公司,天津 300280 3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣污染防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

0 前言

甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體,其全球變暖潛能值(GWP)是二氧化碳的28倍(100年時(shí)間跨度內(nèi))[1]。國(guó)際能源署(IEA)發(fā)布的《石油和天然氣運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的甲烷排放(2022)》表明,油氣行業(yè)通過(guò)放空、逸散及不完全燃燒等排放的甲烷占全球人為甲烷排放的1/4[2]。2021年1月,國(guó)家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《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(jiàn)》,指出在重點(diǎn)排放點(diǎn)源層面開(kāi)展石油天然氣、煤炭開(kāi)采等重點(diǎn)行業(yè)甲烷排放監(jiān)測(cè)。3月,《第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》首次提出要加大甲烷等其他溫室氣體控制力度;“十四五”期間將推動(dòng)出臺(tái)中國(guó)甲烷排放控制行動(dòng)方案,重點(diǎn)領(lǐng)域甲烷監(jiān)測(cè)、報(bào)告和核查體系建設(shè)將成為甲烷控排的五大任務(wù)之一。

1996年,《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》(United Nations Framework Convention on Climate Change,UNFCCC)第二次締約方會(huì)議(COP 2)首次提出監(jiān)測(cè)、報(bào)告、核查(Monitoring,Reporting and Verification, MRV)[3]。1999年,UNFCCC COP 5通過(guò)了最早的指導(dǎo)國(guó)家編制、提交溫室氣體報(bào)告并接受年度審查的官方文件——“締約方溫室氣體氣體清單技術(shù)評(píng)審指南”[4]。2007年,《巴黎行動(dòng)計(jì)劃》首次提出所有發(fā)達(dá)國(guó)家的減排承諾和行動(dòng)都應(yīng)符合MRV體系要求。健全可靠的MRV技術(shù)體系對(duì)油氣行業(yè)最低成本的甲烷排放量化與減排實(shí)施具有重要意義,目前多國(guó)政府、企業(yè)和研究者們已對(duì)油氣行業(yè)MRV技術(shù)體系建設(shè)做出努力。

油氣行業(yè)甲烷排放存在設(shè)備組件類型與數(shù)量多、分布廣、泄漏組件不確定性高、泄漏非連續(xù)等特點(diǎn),對(duì)MRV體系技術(shù)要求較高[5,6]。研究者們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種甲烷監(jiān)測(cè)設(shè)備,針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)場(chǎng)景及監(jiān)測(cè)對(duì)象,對(duì)甲烷監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行篩選。目前全球甲烷排放的量化通常采用多種監(jiān)測(cè)方案和核算方法相結(jié)合的方式,有必要在監(jiān)測(cè)技術(shù)的適用性與監(jiān)測(cè)成本、量化技術(shù)與不確定性中進(jìn)行平衡,以找到最優(yōu)的MRV實(shí)施方案。本文分別從甲烷監(jiān)測(cè)技術(shù)、甲烷量化技術(shù)進(jìn)行綜述,并結(jié)合油氣行業(yè)不同類型的排放源,梳理企業(yè)甲烷MRV實(shí)施方案,提出油氣行業(yè)的甲烷監(jiān)測(cè)與量化技術(shù)實(shí)施建議。

1 油氣行業(yè)甲烷監(jiān)測(cè)技術(shù)

甲烷監(jiān)測(cè)(M)主要通過(guò)“自下而上”和“自上而下”兩種方式實(shí)現(xiàn)(圖1)[7,8],具體的監(jiān)測(cè)與量化分類不是確定的,而是根據(jù)技術(shù)的使用方式及目的而定。

圖1 油氣行業(yè)甲烷監(jiān)測(cè)與量化技術(shù)

1.1 “自下而上”監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1.1甲烷濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)

根據(jù)美國(guó)環(huán)保署(EPA)開(kāi)發(fā)的設(shè)備組件泄漏監(jiān)測(cè)與修復(fù)(LDAR)技術(shù)框架(method 21),使用火焰離子化監(jiān)測(cè)器(FID)、催化氧化、紅外吸收或光電離監(jiān)測(cè)器(PID)等對(duì)甲烷濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)[9]。常用的傳感器包括有機(jī)蒸氣分析儀(OVAs)和有毒蒸氣分析儀(TVAs)。OVAs通常配備FID,對(duì)甲烷和其他碳?xì)浠衔锒加许憫?yīng),監(jiān)測(cè)濃度范圍1～10 000 μmol/mol;TVAs通常配備FID和PID,適用于總烴濃度大于10 000 μmol/mol的非甲烷總烴監(jiān)測(cè)。TVAs的探頭直接接觸泄漏點(diǎn),適用于管線、連接件、法蘭等。LDAR掃描過(guò)程中,當(dāng)分析儀與泄漏點(diǎn)的距離大于1 cm時(shí),將有57%的概率會(huì)錯(cuò)過(guò)泄漏點(diǎn)[10],并且每次使用前都要進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn),導(dǎo)致LDAR實(shí)施過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力,效率較低。

肥皂泡篩查(SBS)是利用肥皂泡的表面張力監(jiān)測(cè)甲烷泄漏,適用于可達(dá)組件的小泄漏點(diǎn)監(jiān)測(cè)(10-4cm3/s),當(dāng)表面溫度大于沸點(diǎn)或小于冰點(diǎn)時(shí),SBS是無(wú)效的[11]。SBS并不是專門的甲烷泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù),常用來(lái)簡(jiǎn)單地驗(yàn)證泄漏修復(fù)是否有效。

為提高LDAR效率,1997年美國(guó)石油學(xué)會(huì)提出了Smart-LDAR技術(shù)。2008年EPA發(fā)布了利用光學(xué)氣體成像相機(jī)(OGI)開(kāi)展Smart-LDAR的替代工作方法(AWP)[12],其工作效率是傳統(tǒng)LDAR效率的4.3倍。OGI適用于小范圍組件或設(shè)備的泄漏監(jiān)測(cè)及移動(dòng)監(jiān)測(cè)(如車載、無(wú)人機(jī)機(jī)載),操作簡(jiǎn)單,可形成直觀的泄漏情況報(bào)告,適合在有利的成像條件下探測(cè)大羽流(排放速率>1 kg/h)[13]。由于OGI對(duì)各類碳?xì)浠衔锒紩?huì)產(chǎn)生吸收,需提前識(shí)別會(huì)產(chǎn)生甲烷排放的管道和設(shè)備;當(dāng)OGI相機(jī)與目標(biāo)組件的距離超過(guò)10 m時(shí),監(jiān)測(cè)性能顯著降低[14]。同時(shí),OGI僅能提供定性(可視化)的通量估算結(jié)果,性能易受風(fēng)速、環(huán)境溫度和環(huán)境對(duì)比度等因素的影響。

激光泄漏監(jiān)測(cè)儀是一種用于油氣行業(yè)甲烷排放源的定位工具,其中可調(diào)諧二極管紅外激光器(TDLAS)是一種常用的遠(yuǎn)程甲烷泄漏監(jiān)測(cè)器(RMLD),其可將激光器調(diào)諧至甲烷吸收波長(zhǎng)(3.4 μm),激光光束的特異性吸收使RMLD不會(huì)對(duì)甲烷以外的其他碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生響應(yīng)。大部分型號(hào)的RMLD具有自校準(zhǔn)模塊,無(wú)需在監(jiān)測(cè)前進(jìn)行校準(zhǔn),監(jiān)測(cè)距離通常不超過(guò)30 m[15]。由于RMLD直接顯示激光光束平均柱濃度,無(wú)法確定氣體羽流在激光光路中的出現(xiàn)位置,通常的操作是從不同角度入射光束,以識(shí)別單個(gè)羽流及其排放源位置。

聲波泄漏監(jiān)測(cè)儀(ALD)適用于內(nèi)部泄漏或帶壓氣體監(jiān)測(cè),不適用于排放較小的泄漏源(<2 068 kPa)[16,17]。根據(jù)采集方式的不同,ALD分為槍式和聽(tīng)診器式2種:槍式ALD可探測(cè)排污閥或泄壓閥氣體逸散產(chǎn)生的空氣傳播超聲波信號(hào)(距離小于30 m);聽(tīng)診器式ALD可通過(guò)閥塞或閥門進(jìn)行內(nèi)部泄漏探測(cè)。ALD可探測(cè)的超聲波信號(hào)頻率范圍為20～100 kHz。多數(shù)ALD具有頻率調(diào)諧能力,無(wú)需校準(zhǔn),只需將監(jiān)測(cè)儀頻率調(diào)諧到特定范圍即可。

1.1.2甲烷排放量監(jiān)測(cè)技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)氣袋法(SVB)即操作人員直接使完全充氣時(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)體積的非彈性袋接觸排放源,用秒表記錄氣袋充滿時(shí)所需時(shí)間,并測(cè)量氣體溫度(用于標(biāo)準(zhǔn)體積校正)及氣體組分。適用于小時(shí)排放量為12～292 kg的泄漏管線等,測(cè)量誤差不超過(guò)±10%。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)袋成本約300元,可重復(fù)利用約100次。

大流量采樣器(HFS)主要由空氣抽吸泵和雙功能碳?xì)浠衔锉O(jiān)測(cè)器(催化氧化/熱傳導(dǎo))構(gòu)成。其中,催化氧化傳感器測(cè)量低濃度甲烷(<5%),熱傳導(dǎo)傳感器測(cè)量高濃度甲烷(5%～100%)[18]。HFS適用于排放速率為0.01～13 kg/h的小泄漏排放源,可燃碳?xì)浠衔锏臐舛确秶鸀?.01%～100%的氣流。采樣器需要大量的校準(zhǔn)和維護(hù)工作,監(jiān)測(cè)成本較高,適用于科學(xué)研究或定期更新排放因子。

流量計(jì)(FM)常用于開(kāi)口管道和其他氣體管線(如火炬管線)中的較大氣體流量監(jiān)測(cè),能夠長(zhǎng)時(shí)間采集流量數(shù)據(jù)(如24 h),不適用于小的泄漏點(diǎn)監(jiān)測(cè)(如法蘭和閥門)。常用的FM包括容積式流量計(jì)、熱質(zhì)量流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、超聲波流量計(jì),另外科里奧利(Coriolis)流量計(jì)、差壓流量計(jì)(如孔板式流量計(jì))和渦流流量計(jì)也用于測(cè)量冷排氣或火炬管線流速。測(cè)量時(shí),可將流量計(jì)插在管線口(如熱質(zhì)量流量計(jì))或安裝在管線上(如渦輪流量計(jì))。根據(jù)不同的原理,FM測(cè)量范圍較寬(熱質(zhì)量流量計(jì)為8 m3/h,超聲波流量計(jì)為5 000～10 000 m3/h)。FM成本約為1 000～20 000元,測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于所采用的技術(shù),但整體高于其他儀表。

葉片式風(fēng)速計(jì)(VA)由葉輪流速傳感器和手持裝置組成。測(cè)量時(shí),手動(dòng)裝置固定在排氣管開(kāi)口或從排氣管的一個(gè)端口插入,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于管道中心,同時(shí)測(cè)量氣體流速、溫度并記錄氣體的最大速度,根據(jù)管道直徑計(jì)算管道橫截面積,從而計(jì)算排放量。VA適用于監(jiān)測(cè)較大的泄漏或排氣口(流速范圍為0.4～80 m/s),需進(jìn)行常規(guī)校準(zhǔn),監(jiān)測(cè)與維護(hù)成本較低。

熱線風(fēng)速計(jì)(HA)通過(guò)插入流動(dòng)氣流中測(cè)量加熱線的溫降來(lái)測(cè)量氣流速度。適用于測(cè)量通風(fēng)孔、開(kāi)口管線和已知截面面積的封閉管道(如火炬管線),以及含有液滴和粘性?shī)A帶顆粒的氣流。監(jiān)測(cè)流速范圍為0.2～200 m/s,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于開(kāi)口端中心,需進(jìn)行常規(guī)校準(zhǔn),監(jiān)測(cè)與維護(hù)成本較低。

上述設(shè)備中SVB、FM、VA、HA僅能夠監(jiān)測(cè)甲烷氣體流量,對(duì)泄漏量的估算需進(jìn)一步分析樣品氣體中的甲烷濃度。各類技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 “自下而上”甲烷監(jiān)測(cè)與量化技術(shù)比對(duì)

1.2 “自上而下”監(jiān)測(cè)技術(shù)

針對(duì)油氣生產(chǎn)設(shè)施分布范圍廣、組件密度大等特點(diǎn),美國(guó)、加拿大、歐洲部署了快速篩選技術(shù)來(lái)提高甲烷排放監(jiān)測(cè)效率,包括固定式連續(xù)監(jiān)測(cè)傳感器、地基走航監(jiān)測(cè)、飛機(jī)、無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星等遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)。快速篩查技術(shù)更適于區(qū)域泄漏篩查,但不能直接準(zhǔn)確地識(shí)別組件泄漏位點(diǎn),需與近距離監(jiān)測(cè)方法(如method 21、AWP)結(jié)合,從而準(zhǔn)確找到泄漏組件。

固定傳感器可用于甲烷濃度的連續(xù)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè),若甲烷濃度超過(guò)設(shè)定閾值則會(huì)觸發(fā)警報(bào)。部署分布式固定傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別異常逸散排放,適合具有高組件密度的設(shè)施監(jiān)測(cè)(如天然氣廠、壓縮機(jī)站、多井場(chǎng)等)。常見(jiàn)的固定傳感器包括基于激光的線積分傳感器、固定濃度監(jiān)測(cè)器和紅外相機(jī)等。其中,基于激光的線積分傳感器適合永久安裝,但目前商業(yè)化的傳感器監(jiān)測(cè)距離不超過(guò)100 m[22]。為提升監(jiān)測(cè)距離,Alden[23],等開(kāi)發(fā)了能夠在監(jiān)測(cè)距離大于1 km的范圍內(nèi)定位和量化甲烷排放的傳感器。對(duì)于設(shè)施組件分布稀疏的上游油氣企業(yè),需部署可大范圍監(jiān)測(cè)且成本低、可大規(guī)模生產(chǎn)的傳感器。目前由美國(guó)能源部資助的ARPA-E甲烷監(jiān)測(cè)計(jì)劃項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的混合打印智能碳納米管傳感器(靈敏度1 μmol/mol,成本低于2 000元)仍在實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段,實(shí)際應(yīng)用效果未知。

b) 篩查速度取決于流量計(jì)的使用方法,直接安裝在管道(實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè))或便攜式(10～20個(gè)/h)。

地基走航監(jiān)測(cè)(MGL)將全球定位系統(tǒng)、甲烷傳感器搭載于車輛,對(duì)行駛路徑的氣體羽流甲烷濃度分布進(jìn)行表征,但對(duì)每個(gè)設(shè)施的監(jiān)測(cè)時(shí)間較短(小于5 min)。Atherton,等[24]利用MGL在8 000 km范圍內(nèi)調(diào)查了1 600多個(gè)井場(chǎng),證明MGL在規(guī)模化篩查中的應(yīng)用潛力,但其無(wú)法對(duì)室內(nèi)或難以靠近的泄漏源實(shí)施大規(guī)模監(jiān)測(cè)。常用的車載甲烷傳感器包括光腔衰蕩光譜(CRDS)、TDLAS、線性量子傳感器、超便攜/開(kāi)路式甲烷分析儀等。羽流監(jiān)測(cè)通常在目標(biāo)區(qū)域下風(fēng)向,配合使用EPA 33A開(kāi)發(fā)的其他測(cè)試方法(OTM)、高斯羽流模型、移動(dòng)通量平面/統(tǒng)計(jì)技術(shù)以及示蹤劑可視化反演等擴(kuò)散模型,可對(duì)排放源進(jìn)行定位與量化。MGL車輛可接近目標(biāo)源(如井場(chǎng)內(nèi)或附近道路),方法檢出限隨距離增加而增加(6～2 124 g/h)。

機(jī)載遙感監(jiān)測(cè)通?；谫|(zhì)量平衡法計(jì)算目標(biāo)區(qū)域的泄漏質(zhì)量通量,但目前沒(méi)有開(kāi)發(fā)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)設(shè)備組件進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)。飛行器可搭載采樣裝置,對(duì)三維空間中的空氣進(jìn)行采樣,其檢出限比遙感監(jiān)測(cè)方法低一個(gè)數(shù)量級(jí),但比OCI更具成本效益[25]。但該技術(shù)受氣象條件、飛行器穩(wěn)定性、續(xù)航能力(UAVs)、載荷重量與能耗、機(jī)載傳感器性能等影響。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)常利用大氣傳輸模型模擬甲烷擴(kuò)散路徑,結(jié)合反演模型(包括拉格朗日粒子彌散模型和歐拉模型等),將測(cè)得的大氣甲烷平均柱濃度轉(zhuǎn)換為通量。目前全球已發(fā)射了22顆甲烷監(jiān)測(cè)衛(wèi)星[26],其監(jiān)測(cè)能力受云覆蓋率、地表反照率、風(fēng)場(chǎng)及缺失像素的影響。過(guò)去幾十年中,衛(wèi)星的甲烷監(jiān)測(cè)分辨率從1 800 km2(60 km×30 km,Envisat)、38.5～49 km2(5.5 km×7 km到7 km×7 km,哨兵-5P)提升到2.5×10-3km2(50 m×50 m,GHGSat),更高的監(jiān)測(cè)分辨率將有效降低云對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。通過(guò)調(diào)研7個(gè)代表性衛(wèi)星,甲烷最低檢出限(MDL)范圍為2.5×105～6.8×107g CH4/h。該方法適于大面積的甲烷超級(jí)排放源監(jiān)測(cè)、全球甲烷排放估算及國(guó)家甲烷排放清單核查。各類技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 “自上而下”甲烷監(jiān)測(cè)技術(shù)比對(duì)

2 甲烷量化技術(shù)

多數(shù)甲烷監(jiān)測(cè)設(shè)備可得到點(diǎn)或陣列濃度,無(wú)法獲取排放總量。從濃度數(shù)據(jù)計(jì)算甲烷排放量是排放估算的關(guān)鍵步驟,甲烷MRV技術(shù)體系中通常將排放量化技術(shù)作為監(jiān)測(cè)技術(shù)的補(bǔ)充方法。

2.1 自下而上法

工程計(jì)算法可根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)和工藝流程特點(diǎn),利用各類方法,計(jì)算常見(jiàn)工程過(guò)程中的甲烷排放[27,28],如利用Aspen HYSYS和Aspen Plus模擬復(fù)雜工藝過(guò)程計(jì)算燃燒效率[29]。工程計(jì)算法適用于已知的、特定輸入條件下的點(diǎn)源、設(shè)施及場(chǎng)站多種類型的排放計(jì)算,無(wú)法識(shí)別新的排放源或量化具有不確定性的排放源(如超級(jí)排放源)。甲烷排放估算的準(zhǔn)確度很大程度取決于計(jì)算或模型的數(shù)據(jù)輸入和假設(shè),保證排放估算方法、輸入數(shù)據(jù)和假設(shè)條件的數(shù)據(jù)質(zhì)量是提高工程計(jì)算法準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

排放因子法通過(guò)采集排放因子與活動(dòng)水平(產(chǎn)量、能耗、設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)等)數(shù)據(jù)來(lái)快速計(jì)算甲烷排放量。排放因子隨組件(泵或閥門類型)、工藝(天然氣生產(chǎn)和加工)、設(shè)施(天然氣加工廠和煉油廠)的不同而不同[30]。與工程計(jì)算法類似,排放因子法適用于計(jì)算排放因子代表的特定類型排放源,無(wú)法計(jì)算超級(jí)排放源,當(dāng)采用國(guó)際通用排放因子時(shí)(IPCC級(jí)),其計(jì)算不確定性更高。排放因子法最好與直接測(cè)量法結(jié)合使用,以驗(yàn)證并校準(zhǔn)排放因子,提高其代表性及準(zhǔn)確性。

2.2 自上而下法

高斯擴(kuò)散模型能有效描述連續(xù)排放點(diǎn)源的甲烷擴(kuò)散規(guī)律如式(1):

(1)

式中:Ci(x,y,z)——甲烷質(zhì)量濃度;

Qm,i——甲烷排放速率;

H——排放點(diǎn)的有效高度;

σy、σz——y和z方向的擴(kuò)散系數(shù);

u——平均風(fēng)速。

擴(kuò)散系數(shù)σy和σz可以由通過(guò)Pasquill-Gifford準(zhǔn)則確定的空氣穩(wěn)定性參數(shù)來(lái)確定。由于風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等氣象參數(shù)不斷變化,在模型使用中通常采用氣象參數(shù)的平均值。該模型的適用性受風(fēng)速和表面粗糙度的影響。

示蹤劑法通過(guò)引入標(biāo)記的參考?xì)怏w,并找出其與甲烷之間的關(guān)系,建立固定檢測(cè)目標(biāo)的甲烷排放濃度與泄漏率之間的關(guān)系,如式(2):

ΔXCH4=αVrelease

(2)

式中:ΔXCH4——由排放引起的甲烷濃度變化;

Vrelease——甲烷排放速率。

系數(shù)α綜合了氣象條件、地理環(huán)境等因素。通過(guò)觀測(cè)已知排放率的參考?xì)怏w獲得α,由ΔXCH4計(jì)算甲烷Vrelease。該方法不需要復(fù)雜的模擬,但需假設(shè)甲烷的α與參考?xì)怏w的α相同,這一假設(shè)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提出了許多限制,如參考?xì)怏w的釋放點(diǎn)必須足夠接近排放源,并且甲烷排放源應(yīng)相對(duì)集中。

質(zhì)量平衡法的計(jì)算如式(3):

q=?Ak(C(y,z)-C0)u(z)dydz

(3)

式中:q——測(cè)量斷面之間的甲烷排放率;

k——單位換算系數(shù)

C(y,z)-C0——測(cè)量值和背景甲烷濃度之間的差;

u(z)——垂直于斷面的風(fēng)速。

質(zhì)量平衡法量化方案分為2種類型:一是在排放源下風(fēng)向選擇甲烷充分混合的截面,采集不同高度的甲烷濃度與風(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算截面通量,該方案對(duì)大氣穩(wěn)定性和地形條件有限制(誤差范圍25%～60%)[31];二是利用箱式飛行法(box-flight)圍繞排放源采集數(shù)據(jù),保證箱體頂部甲烷羽流的完全捕獲,并基于排放率檢索算法(TERRA)和SciAv算法計(jì)算通量,從而估算甲烷排放量。箱式飛行法本身誤差約為2%,但由于安全距離的限制,地表與箱體底部之間間隙的甲烷濃度反推誤差較大(30%)[32-34]。

OTM33a方法常用光腔衰蕩光譜(CRDS)測(cè)量甲烷濃度,利用風(fēng)速計(jì)采集下風(fēng)向風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),通過(guò)風(fēng)向角對(duì)濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分組,使用點(diǎn)源高斯數(shù)據(jù)分析法(PSG)量化甲烷排放[35-36]。在OTM33a-PSG中,采樣點(diǎn)高度、位置、風(fēng)速風(fēng)向、障礙物等因素會(huì)影響量化結(jié)果(最大誤差±70%),通過(guò)將測(cè)量位置設(shè)置在羽流擴(kuò)散的正下風(fēng)向并控制甲烷峰濃度在排放源±30°,高斯擬合相關(guān)系數(shù)R2>0.8等指標(biāo)設(shè)定,有助于提升甲烷采集數(shù)據(jù)質(zhì)量[37]。目前,OTM33a是短期測(cè)量中的主流量化技術(shù)選擇。

3 油氣行業(yè)甲烷MRV實(shí)踐

3.1 監(jiān)測(cè)(M)

當(dāng)甲烷監(jiān)測(cè)成本和時(shí)間投入有限時(shí),企業(yè)需根據(jù)測(cè)量活動(dòng)的最終目標(biāo)選擇不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象。若為開(kāi)發(fā)排放因子,或者基于部分樣本采集數(shù)據(jù)外推整體排放時(shí),監(jiān)測(cè)對(duì)象需具有代表性,考慮因素包括設(shè)備壽命、運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備類型、操作與運(yùn)維情況、規(guī)?；蜇?fù)荷及產(chǎn)品組成等,隨機(jī)多層級(jí)采樣可有效提升排放因子準(zhǔn)確性,但成本較高。

根據(jù)現(xiàn)有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),不同排放源常用的甲烷監(jiān)測(cè)與量化技術(shù)如表3。企業(yè)實(shí)際操作時(shí),可選擇適當(dāng)?shù)牧６葘?duì)排放源進(jìn)一步分層細(xì)化,最大程度降低甲烷監(jiān)測(cè)與量化的不確定性。另外,一些排放源會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化,企業(yè)應(yīng)考慮監(jiān)測(cè)時(shí)間和長(zhǎng)度及是否需要增加測(cè)量頻率,以更有效地捕捉特定排放源的可變性。

表3 油氣行業(yè)典型排放源的甲烷監(jiān)測(cè)、量化技術(shù)

3.2 報(bào)告(R)

報(bào)告是企業(yè)跟蹤、概述甲烷排放水平和排放特征隨減排項(xiàng)目推進(jìn)或時(shí)間變化的重要工具。根據(jù)強(qiáng)制監(jiān)管或自愿目的,可分為測(cè)量活動(dòng)報(bào)告和排放清單報(bào)告。

測(cè)量活動(dòng)報(bào)告取決于監(jiān)測(cè)量化活動(dòng)使用的技術(shù)和方法,包括設(shè)施名稱、位置、類型、設(shè)施工藝流程、組件或排放源信息(組件類型/子類型、排放源類型、組件或排放源編號(hào))、減排評(píng)估方法及信息(檢查日期、維護(hù)/修復(fù)日期)、測(cè)量日期、測(cè)量時(shí)長(zhǎng)、測(cè)量結(jié)果(濃度、體積等)、排放氣體組分、監(jiān)測(cè)與量化方法等。排放清單報(bào)告概述了區(qū)域或設(shè)施的排放源及排放量級(jí)。若僅在企業(yè)內(nèi)部報(bào)告,可作為監(jiān)測(cè)對(duì)象的甲烷減排潛力挖掘工具;若公開(kāi)排放清單報(bào)告,則應(yīng)根據(jù)國(guó)內(nèi)外清單編制要求、數(shù)據(jù)質(zhì)量水平與透明度要求、行業(yè)或排放單位監(jiān)管要求及自愿行動(dòng)進(jìn)展,編制相關(guān)報(bào)告。

3.3 核查(V)

核查主要是為了確保監(jiān)測(cè)與報(bào)告階段的一致性、全面性和合規(guī)性。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,就需要對(duì)原始排放數(shù)據(jù)進(jìn)行保守估算,當(dāng)發(fā)現(xiàn)MR監(jiān)測(cè)與報(bào)告階段出現(xiàn)違規(guī)行為時(shí),可以采取法律手段。

根據(jù)歐盟在認(rèn)證和核查法規(guī)中的規(guī)定,核查流程主要包括簽約、時(shí)間分配、運(yùn)營(yíng)商提供信息、戰(zhàn)略分析、風(fēng)險(xiǎn)分析、編寫(xiě)核查計(jì)劃、實(shí)施核查活動(dòng)、不符合項(xiàng)識(shí)別、得出核查結(jié)論、獨(dú)立審查、保存內(nèi)部核查文檔、提交核查報(bào)告等過(guò)程。具體核查內(nèi)容包括認(rèn)證甲烷監(jiān)測(cè)計(jì)劃,確保數(shù)據(jù)是通過(guò)正規(guī)監(jiān)測(cè)程序收集的,核查企業(yè)所持有的排放權(quán)足以抵消實(shí)際排放量的證據(jù)。核查完成后必須形成核查意見(jiàn),明確指出排放報(bào)告中的數(shù)據(jù)是否存在重大虛假陳述,或是否存在重大違規(guī)現(xiàn)象。

4 總結(jié)與展望

健全可靠的MRV技術(shù)體系是油氣行業(yè)甲烷排放量化、管控與參與碳市場(chǎng)交易的基礎(chǔ)。本文從“自下而上”和“自上而下”兩個(gè)方面,對(duì)多種甲烷監(jiān)測(cè)與量化技術(shù)進(jìn)行分類,歸納總結(jié)出不同甲烷監(jiān)測(cè)與量化技術(shù)的特點(diǎn),基于不同類型的排放源梳理了甲烷監(jiān)測(cè)與量化技術(shù)的選擇方案,并根據(jù)國(guó)際MRV技術(shù)體系運(yùn)行規(guī)則,給出MRV全流程實(shí)踐方法。油氣行業(yè)的甲烷MRV技術(shù)建設(shè)在國(guó)內(nèi)仍處于起步階段,在以下幾個(gè)方面還有待深入研究。

a) 甲烷監(jiān)測(cè)技術(shù)呈現(xiàn)出智能化、簡(jiǎn)便化、全面化、法制化和標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展趨勢(shì)。手工監(jiān)測(cè)在點(diǎn)多面廣的油氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)大規(guī)模應(yīng)用時(shí)耗時(shí)費(fèi)力,結(jié)合快速區(qū)域篩查技術(shù)的組件級(jí)和隨機(jī)性較大的超級(jí)排放源甲烷監(jiān)測(cè)設(shè)備開(kāi)發(fā)和方案優(yōu)化是未來(lái)的發(fā)展方向。同時(shí)在快速區(qū)域篩查技術(shù)中,監(jiān)測(cè)極限、通量估計(jì)誤差、空間分辨率、成本、對(duì)不利氣象條件的敏感性、對(duì)替代用例的適用性和未來(lái)潛力方面存在顯著差異,如何理解應(yīng)用場(chǎng)景及需求,并在多種影響因素中做出權(quán)衡,需要進(jìn)一步研究。

b) 甲烷排放量化方法的一致性、全面性和嚴(yán)謹(jǐn)性仍需進(jìn)一步提升?！队蜌饧淄榛锇殛P(guān)系》(Oil and gas methane partnership,OGMP 2.0)框架要求,最高級(jí)別的報(bào)告需要將場(chǎng)站及排放源之間的排放量進(jìn)行互相協(xié)調(diào)驗(yàn)證[39]?！稓W盟甲烷戰(zhàn)略》已將衛(wèi)星引用為排放量監(jiān)測(cè)與跟蹤的關(guān)鍵技術(shù),但目前基于無(wú)人機(jī)、飛機(jī)和衛(wèi)星為載體的遙感監(jiān)測(cè)量化方法仍未形成可驗(yàn)證、準(zhǔn)確性可控的技術(shù)體系,需進(jìn)一步提升“天空地”一體化甲烷排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的量化能力建設(shè)。

c) 甲烷MRV實(shí)踐方面,我國(guó)油氣行業(yè)已根據(jù)IPCC等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),初步完成了甲烷排放清單梳理,但是未針對(duì)甲烷MRV出臺(tái)完整的政策及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。建議下一步針對(duì)不同場(chǎng)景下的甲烷監(jiān)測(cè)量化技術(shù)流程出臺(tái)統(tǒng)一技術(shù)指南,對(duì)甲烷排放報(bào)告、甲烷減排項(xiàng)目報(bào)告等發(fā)布詳細(xì)的技術(shù)要求,對(duì)第三方核查機(jī)構(gòu)申報(bào)、資質(zhì)要求、核查內(nèi)容、方法和要求等進(jìn)行詳細(xì)規(guī)范,為油氣行業(yè)MRV體系建設(shè)打下良好基礎(chǔ)。