渤海油氣平臺(tái)CH4排放因子研究

安寶晶 張景奇 牛黎明 監(jiān)勇（海油總節(jié)能減排監(jiān)測(cè)中心有限公司）

當(dāng)前，油氣行業(yè)被認(rèn)為是甲烷（CH4）減排最具實(shí)操性和經(jīng)濟(jì)性的領(lǐng)域，根據(jù)國(guó)際能源署測(cè)算，通過(guò)采用現(xiàn)有技術(shù)，我國(guó)油氣行業(yè)可以減少70%以上的排放量，其中有54%的減排量為凈零成本減排，即采取減排措施的邊際效益大于邊際成本，石油公司可以在CH4減排和經(jīng)濟(jì)效益提升上實(shí)現(xiàn)雙贏[1-3]。我國(guó)在“十四五”規(guī)劃和《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》中均提出“要加強(qiáng)對(duì)CH4等非CO2溫室氣體管控”，并明確表示將制定CH4排放國(guó)家行動(dòng)方案。

1 渤海油氣田CH4控排現(xiàn)狀

1.1 CH4增溫潛勢(shì)

CH4是僅次于CO2的第二大溫室氣體，是一種“短壽命氣候污染物”，其在大氣中的存續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，約為12 a；但是在其存在的約12 a 中會(huì)吸收地球向外的長(zhǎng)波輻射，改變地球的熱收支進(jìn)而導(dǎo)致溫室效應(yīng)。CH4的增溫潛勢(shì)即CH4的熱效應(yīng)，代表不同時(shí)間框架內(nèi)溫室氣體在大氣中的綜合影響及其造成輻射強(qiáng)迫的相對(duì)效果，這一概念能夠讓不同的溫室氣體按照同樣的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較[4-5]。在聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）第六次評(píng)估報(bào)告中，CH4的全球增溫潛勢(shì)在100 a 的時(shí)間框架內(nèi)是CO2的28 倍，而在20 a 的時(shí)間框架內(nèi)這一數(shù)值達(dá)到約81 倍。

1.2 CH4排放現(xiàn)狀

目前海上油氣生產(chǎn)企業(yè)按照國(guó)家、政府、當(dāng)?shù)卣咭寻l(fā)布的溫室氣體核算方法和核算指南，將上游CH4排放納入統(tǒng)計(jì)范疇，督導(dǎo)各油氣生產(chǎn)設(shè)施方落實(shí)CH4減排措施，包含所屬生產(chǎn)單位負(fù)責(zé)報(bào)送CH4排放核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，落實(shí)CH4減排行動(dòng)，探索研究CH4逸散監(jiān)測(cè)方法等。

渤海油氣田根據(jù)國(guó)家文件和政策要求，已經(jīng)制定了控制溫室氣體排放管理辦法或?qū)嵤┘?xì)則，同時(shí)建立了溫室氣體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和低碳管理信息系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)單位溫室氣體排放實(shí)行全過(guò)程管控。此外，油氣勘探、天然氣生產(chǎn)和LNG 業(yè)務(wù)CH4排放目前也已開(kāi)展實(shí)測(cè)和預(yù)估相結(jié)合方式測(cè)算排放量。

針對(duì)海上油氣生產(chǎn)設(shè)施密封點(diǎn)CH4逸散泄漏情況，部分油氣公司采用CH4排放檢測(cè)方法，記錄不同組件、設(shè)備、設(shè)施的檢測(cè)點(diǎn)位數(shù)量，完成對(duì)應(yīng)裝置的泄漏率與排放量計(jì)算。密封點(diǎn)泄漏率與排放量數(shù)據(jù)共分為三個(gè)層級(jí)：一是部件層級(jí)，以閥門(mén)、法蘭、連接件等部件為核算單位，計(jì)算各類(lèi)型部件密封點(diǎn)泄漏率與排放量；二是設(shè)備層級(jí)，以井口、分離器、計(jì)量裝置等為核算單位，計(jì)算各類(lèi)型設(shè)備排放量；三是設(shè)施層級(jí)，以原油、天然氣開(kāi)采平臺(tái)為核算單位，計(jì)算各類(lèi)型平臺(tái)排放量。

2 CH4排放因子比較

2.1 國(guó)內(nèi)指南間存在的差異

國(guó)內(nèi)發(fā)布的兩個(gè)指南，《中國(guó)石油天然氣生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“油氣指南”）和《省級(jí)溫室氣體清單編制指南（試行）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“省級(jí)清單指南”）中，給出了油氣開(kāi)采過(guò)程中設(shè)施逃逸與工藝放空CH4排放因子[6-7]。其中，“油氣指南”規(guī)定了天然氣開(kāi)采和常規(guī)原油開(kāi)采各類(lèi)型裝置的設(shè)施逃逸與工藝放空兩類(lèi)排放因子，而“省級(jí)清單指南”未區(qū)分逃逸和放空排放，直接給出一類(lèi)（逃逸排放源）排放因子，并且排放因子的數(shù)值大小也存在一定差距。

“油氣指南”與“省級(jí)清單指南”排放因子比較見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)比分析，兩個(gè)國(guó)內(nèi)指南單獨(dú)比較其“逃逸”排放因子時(shí)，“油氣指南”的數(shù)據(jù)與“省級(jí)清單指南”的數(shù)據(jù)差距是非常大的，如果將“油氣指南”的“逃逸”排放因子和“放空”排放因子相加后，再與“省級(jí)清單指南”的數(shù)據(jù)比較，其差距就非常小，基本只是存在小數(shù)點(diǎn)保留位數(shù)不同而造成的差異。

表1 “油氣指南”與“省級(jí)清單指南”排放因子比較Tab.1 Comparison of emission factors between“oil and gas guide”and“provincial inventory guideline”

2.2 國(guó)外指南間存在的差異

國(guó)外發(fā)布的兩個(gè)指南，“IPCC 國(guó)家清單指南”和“API 油氣綱要”中，給出了油氣開(kāi)采過(guò)程中逃逸排放因子[8-9]。通過(guò)對(duì)比分析，兩個(gè)國(guó)外指南逃逸排放因子的數(shù)據(jù)差距是非常大的?！癐PCC 國(guó)家清單指南”和“API 油氣綱要”排放因子比較見(jiàn)表2。

表2 “IPCC 國(guó)家清單指南”和“API 油氣綱要”排放因子比較Tab.2 Comparison of emission factors between“IPCC guidelines for national inventories”and “API oil and gas compenditions”

單獨(dú)一個(gè)國(guó)外指南中所提供的排放因子也會(huì)存在不同，例如“API 油氣綱要”中，給出了油氣開(kāi)采過(guò)程中逃逸排放因子，通過(guò)對(duì)比分析，該指南中不同研究機(jī)構(gòu)（美國(guó)環(huán)保署-EPA、美國(guó)石油學(xué)會(huì)-API） 的逃逸排放因子的數(shù)據(jù)也是存在差異的?！癆PI 油氣綱要”中“EPA”與“API”排放因子比較見(jiàn)表3。

2.3 國(guó)內(nèi)、外指南間差異比較

國(guó)內(nèi)、外發(fā)布的三個(gè)指南，“油氣指南”、“省級(jí)清單指南”和“API 油氣綱要”中，給出了油氣開(kāi)采過(guò)程中逃逸排放因子。通過(guò)對(duì)比分析，兩個(gè)國(guó)內(nèi)指南逃逸排放因子基本相同，而與國(guó)外指南逃逸排放因子的差距是比較大的?！坝蜌庵改稀薄笆〖?jí)清單指南”和“API 油氣綱要”排放因子比較見(jiàn)表4。

綜上比較，國(guó)內(nèi)與國(guó)外相關(guān)指南和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于油氣生產(chǎn)過(guò)程中CH4逸散放空排放因子均存在一定差異，針對(duì)海上油氣生產(chǎn)設(shè)施，國(guó)家目前仍采用《中國(guó)石油天然氣生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）》來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，即：CH4逸散放空排放量=油氣生產(chǎn)設(shè)施個(gè)數(shù)×排放因子，由于渤海油氣田生產(chǎn)工藝與陸地油氣生產(chǎn)設(shè)施存在較大差異，因此，急需制定一套適用于海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的CH4排放因子來(lái)量化CH4排放量。

3 CH4排放檢測(cè)方法

3.1 技術(shù)路線確立

由于國(guó)內(nèi)外各核算指南中CH4排放因子存在差異，研究過(guò)程中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、理論計(jì)算等方法，通過(guò)檢測(cè)油氣生產(chǎn)處理設(shè)施（包含鉆采平臺(tái)、處理平臺(tái)、FPSO 等）工藝流程中涉及CH4排放的各類(lèi)密封點(diǎn)位，制定相關(guān)技術(shù)路線，確定檢測(cè)方法[10]，具體實(shí)施過(guò)程如下：

1） 根據(jù)渤海油氣田生產(chǎn)設(shè)施PID 圖、工藝流程說(shuō)明等資料，對(duì)潛在溫室氣體泄漏源（密封點(diǎn)類(lèi)型）進(jìn)行識(shí)別。

2）對(duì)海上生產(chǎn)設(shè)施密封點(diǎn)進(jìn)行泄漏檢測(cè)，記錄發(fā)現(xiàn)泄漏的密封點(diǎn)，并現(xiàn)場(chǎng)編號(hào)。

3）為了避免漏檢和重檢，在檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)海上生產(chǎn)設(shè)施各密封點(diǎn)分層、分區(qū)域依次開(kāi)展檢測(cè)。

4）記錄不同類(lèi)型密封點(diǎn)檢測(cè)點(diǎn)位數(shù)量、泄漏點(diǎn)位數(shù)量以及泄漏濃度數(shù)據(jù)，完成泄漏率與排放量計(jì)算。

5）收集、整理渤海油氣田生產(chǎn)設(shè)施天然氣組分分析數(shù)據(jù)，計(jì)算CH4占天然氣的質(zhì)量比；收集檢測(cè)期間油氣田產(chǎn)量，計(jì)算單位產(chǎn)量CH4和CO2的排放因子。

6） 通過(guò)計(jì)算出的泄漏點(diǎn)排放量數(shù)據(jù)以及CH4占天然氣的質(zhì)量比數(shù)據(jù)，核算出不同類(lèi)型密封點(diǎn)泄漏的CH4排放量；根據(jù)各類(lèi)密封點(diǎn)的總計(jì)檢測(cè)數(shù)量，進(jìn)而計(jì)算出不同類(lèi)型密封點(diǎn)CH4排放因子。

3.2 檢測(cè)方法

采用具有火焰離子化檢測(cè)器（FID）的攜式氣體泄漏檢測(cè)設(shè)備，對(duì)油氣田生產(chǎn)設(shè)施工藝線路上的閥門(mén)、法蘭、連接件以及開(kāi)口管線等各類(lèi)密封點(diǎn)的泄漏氣體進(jìn)行檢測(cè)。各部件根據(jù)尺寸范圍確定檢測(cè)時(shí)間，采樣探頭最小滯留時(shí)間見(jiàn)表5。

表5 采樣探頭最小滯留時(shí)間Tab.5 Minimum retention time of sampling probe

檢測(cè)的密封點(diǎn)屬于渤海油氣田生產(chǎn)、輸送、處理石油和天然氣的工藝管線以及設(shè)備的組件，對(duì)于無(wú)潛在溫室氣體泄漏的組件，需要進(jìn)行剔除，主要包括以下組件：①空氣、氮?dú)獾葻o(wú)機(jī)類(lèi)氣體管線上的組件；②海水系統(tǒng)管線上的組件；③泵冷卻水管線上的組件；④蒸汽管線上的組件；⑤生活用水管線上的組件；⑥有物理隔離措施的已停用設(shè)備上的組件等。

檢測(cè)步驟如下：

1） 在檢測(cè)前，距離排放源2 m 遠(yuǎn)處上風(fēng)向和下風(fēng)向移動(dòng)氣體泄漏檢測(cè)儀采樣探頭，測(cè)定排放源周?chē)諝庵械腡OC 濃度作為背景濃度。

2）將采樣探頭的進(jìn)氣口放置在可能發(fā)生泄漏的組件表面，一邊沿著組件的表面緩緩移動(dòng)采樣探頭，一邊觀察儀器的讀數(shù)變化。

3）如果觀察到讀數(shù)增加，則緩慢地對(duì)泄漏接口處進(jìn)行采樣，直到獲得最大的讀數(shù)。

4）將采樣探頭停留在最大讀數(shù)位置，且停留時(shí)間為儀器響應(yīng)時(shí)間的兩倍，將檢測(cè)到的最大讀數(shù)作為結(jié)果進(jìn)行記錄。

5）對(duì)實(shí)施檢測(cè)的所有部件進(jìn)行編號(hào)，且保證編號(hào)的唯一性。

3.3 計(jì)算方法

石油煉制和石油化工設(shè)備組件的設(shè)備泄漏率見(jiàn)表6，采用《石化行業(yè)VOCs 污染源排查工作指南》中關(guān)于天然氣生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)企業(yè)組件排放速率方程，計(jì)算得出各場(chǎng)站不同組件年度CH4逸散排放量，具體計(jì)算流程如下：

表6 石油煉制和石油化工設(shè)備組件的排放速率Tab.6 Equipment leakage rates of petroleum refining and petrochemical equipment components

1） 將不同組件現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出的濃度值參考表6中的相關(guān)方程。

2）通過(guò)相關(guān)方程可以得到不同組件的排放速率，按照每年8 760 h 計(jì)算逸散組件年度CH4排放量。

3）對(duì)于檢測(cè)數(shù)值大于50 000 μmol/mol 濃度的組件，帶入限定排放速率方程計(jì)算出組件年度CH4逸散排放量。

4） 對(duì)于檢測(cè)基于背景值的組件（無(wú)CH4逸散組件）按照組件個(gè)數(shù)帶入默認(rèn)零值排放速率方程計(jì)算組件年度CH4逸散排放量。

3.4 檢測(cè)結(jié)果

項(xiàng)目按照部件層級(jí)對(duì)渤海油氣田檢測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共分為閥門(mén)、法蘭、連接件、開(kāi)口閥/開(kāi)口管線、泄壓設(shè)備和放空口6 類(lèi)。渤海油氣田部件級(jí)檢測(cè)點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7。

表7 渤海油氣田部件級(jí)檢測(cè)點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)Tab.7 Statistics of component part monitoring point in Bohai oil and gas field

渤海油氣田泄漏點(diǎn)總計(jì)445 個(gè)，其中泄漏濃度2 000×10-6以下的數(shù)量92 個(gè)，占比20.7%，泄漏濃度2 000×10-6～10 000×10-6的數(shù)量256 個(gè)，占比57.5%，泄漏濃度10 000×10-6～50 000×10-6的數(shù)量97 個(gè)，占比21.8%，渤海油氣田泄漏濃度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表8。

表8 渤海油氣田泄漏濃度統(tǒng)計(jì)Tab.8 Statistics of leakage concentration in Bohai oil and gas field

對(duì)比“API 油氣綱要”缺省排放因子與該項(xiàng)目實(shí)測(cè)排放因子，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，API 缺省排放因子普遍高于實(shí)測(cè)排放因子，在實(shí)測(cè)排放因子的兩倍到數(shù)百倍之間；而API 缺省排放因子僅有少數(shù)低于實(shí)測(cè)排放因子。最后試算了采用國(guó)家發(fā)布的“油氣指南”中提供的缺省排放因子與實(shí)測(cè)排放因子，結(jié)果顯示，缺省CH4排放因子是實(shí)測(cè)排放因子的500 倍（油田）和10 000 多倍（氣田）。API 缺省排放因子與實(shí)測(cè)排放因子對(duì)比分析見(jiàn)表9，油氣指南排放因子與實(shí)測(cè)排放因子對(duì)比分析見(jiàn)表10。

表9 API 缺省排放因子與實(shí)測(cè)排放因子對(duì)比分析Tab.9 Comparative analysis between API default emission factors and measured emission factors

表10 油氣指南排放因子與實(shí)測(cè)排放因子對(duì)比分析Tab.10 Comparative analysis between oil and gas guide emission factors and measured emission factors

通過(guò)計(jì)算，得到海上石油及天然氣生產(chǎn)設(shè)施CH4逸散排放因子，渤海油氣田天然氣系統(tǒng)CH4排放因子推薦值見(jiàn)表11。

表11 渤海油氣田CH4排放因子推薦值Tab.11 Recommended values of CH4 emission factors in Bohai oil and gas field

4 結(jié)論

渤海油氣田CH4逸散、放空排放量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與采用國(guó)內(nèi)外指南中缺省排放因子核算數(shù)據(jù)存在較大差異，如果企業(yè)沒(méi)有開(kāi)展實(shí)測(cè)而直接采用缺省值計(jì)算其溫室氣體逸散與放空排放，將存在排放量高估的問(wèn)題。

因此，建議進(jìn)一步加強(qiáng)渤海油氣田溫室氣體逸散與放空排放量的實(shí)測(cè)工作，建立CH4排放因子數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)區(qū)域CH4排放以及放空CH4排放等場(chǎng)景，也可嘗試探索采用移動(dòng)監(jiān)測(cè)車(chē)、小型無(wú)人機(jī)以及CH4監(jiān)測(cè)衛(wèi)星等技術(shù)手段進(jìn)行排放數(shù)據(jù)量化，對(duì)比驗(yàn)證不同監(jiān)測(cè)方法之間的差距，校核、修正實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。這些做法將會(huì)對(duì)企業(yè)準(zhǔn)確計(jì)算排放量產(chǎn)生較大的促進(jìn)作用，為順利參與全國(guó)碳交易市場(chǎng)建設(shè)打下基礎(chǔ)，爭(zhēng)取更大的話語(yǔ)權(quán)。