油氣田燃料天然氣組分特征對(duì)實(shí)測(cè)碳排放因子的影響

廉軍豹 付玥 張?chǎng)?袁良慶 劉宏彬 李世熙 譚小紅

（大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司）

根據(jù)GB/T 32150—2015《工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報(bào)告通則》[1]和《中國石油天然氣生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）》[2]（簡(jiǎn)稱行業(yè)指南），石油天然氣生產(chǎn)企業(yè)燃料天然氣碳排放核算采用的方法為排放因子計(jì)算法，即燃料天然氣碳排放量等于燃料天然氣燃燒量乘以燃料天然氣碳排放因子。燃料天然氣碳排放因子可根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）、國家統(tǒng)計(jì)局、國家發(fā)展改革委應(yīng)對(duì)氣候變化司等權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的文件中的缺省值數(shù)據(jù)計(jì)算獲得或者對(duì)某個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)計(jì)算獲得。目前石油天然氣生產(chǎn)企業(yè)碳排放核算處于起步階段，燃料天然氣碳排放因子主要采用缺省值數(shù)據(jù)計(jì)算的默認(rèn)值。ISO14064-1 指出特定場(chǎng)地的數(shù)據(jù)通常優(yōu)于非特定場(chǎng)地的數(shù)據(jù)[3]，相比缺省值，采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更能準(zhǔn)確地反映真實(shí)的碳排放情況[4-5]，油氣田燃料天然氣種類較多，且組分差異較大，有必要探索燃料天然氣組分特征對(duì)實(shí)測(cè)碳排放因子的影響，為油氣田燃料天然氣碳排放核算提供技術(shù)支持。

1 碳排放核算方法及要求

根據(jù)GB/T 32150—2015 以及行業(yè)指南，企業(yè)的化石燃料燃燒CO2排放量基于企業(yè)邊界內(nèi)各個(gè)設(shè)施燃燒不同品種的化石燃料燃燒量，乘以相應(yīng)的燃料含碳量和碳氧化率，再逐層累加匯總得到，公式如下：

式中：ECO2_燃燒為企業(yè)的化石燃料燃燒CO2排放量，tCO2；i為化石燃料的種類；j為燃燒設(shè)施序號(hào)；ADi,j為燃燒設(shè)施j內(nèi)燃燒的化石燃料品種i消費(fèi)量，氣體燃料以氣體燃料標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積（104Nm3）為單位，非標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積需轉(zhuǎn)化成標(biāo)況下進(jìn)行計(jì)算；CCi,j為設(shè)施j內(nèi)燃燒的化石燃料i的含碳量，對(duì)于氣體燃料單位為tc/104Nm3；OFi,j為燃燒的化石燃料i的碳氧化率，取值范圍為0～1，天然氣碳氧化率為0.99；EFi,j為設(shè)施j內(nèi)燃燒的化石燃料i的碳排放因子， 對(duì)于天然氣單位為tCO2/104Nm3。

式中：n為待測(cè)氣體的各種氣體組分；CCg為待測(cè)氣體的含碳量，tc/104Nm3；Vn為待測(cè)氣體每種氣體組分n的體積濃度，0～1；CNn為氣體組分n化學(xué)分子式中碳原子的數(shù)目；12 為碳的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；22.4 為標(biāo)準(zhǔn)狀況下理想氣體摩爾體積，Nm3/kmol。

式中：NCVg為氣體燃料低位發(fā)熱量，GJ/104Nm3；EFg為氣體燃料的單位熱值含碳量，tc/GJ。

根據(jù)燃料天然氣含碳量CCg獲取方法的不同，天然氣燃燒碳排放核算計(jì)算過程參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 燃料天然氣碳排放核算計(jì)算過程參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of process parameters for calculating carbon emissions from fuel natural gas

根據(jù)行業(yè)指南，燃料天然氣實(shí)測(cè)含碳量依據(jù)GB/T 13610《天然氣的組成分析氣相色譜法》；實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量依據(jù)GB/T 22723《天然氣能量的測(cè)定》或GB/T 13610《天然氣的組成分析氣相色譜法》、GB/T 11062—2020《天然氣發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》，后者比較常用[6-8]。

2 實(shí)測(cè)碳排放因子的影響分析

2.1 天然氣組分特征對(duì)實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子的影響

根據(jù)公式（1）、（2），燃料天然氣實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子計(jì)算公式如下：

由公式（4）可知，燃料天然氣實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子實(shí)際上是一種加權(quán)平均，含碳原子數(shù)量較多的組分含量越多，實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子越大，含碳原子數(shù)量較少的組分或H2、O2、N2、He 不含碳的組分含量越多，實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子越小。天然氣組分構(gòu)成見表2。

表2 天然氣組分構(gòu)成Tab.2 Composition of natural gas components

2.2 天然氣組分特征對(duì)實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子的影響

根據(jù)公式（1）、（3），燃料天然氣實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子計(jì)算公式如下：

根據(jù)GB/T 11062—2020[8]：

由公式（5）（6）分析可知，天然氣實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子本質(zhì)上也是一種加權(quán)平均值，是各組分理想氣體摩爾低位發(fā)熱量的加權(quán)平均。根據(jù)GB/T 11062—2020，計(jì)算各組分在標(biāo)況下理想氣體摩爾低位發(fā)熱量：CO2、O2、He、N2為0 kJ/mol，H2為241.768 kJ/mol，C1(甲烷)為802.606 kJ/mol，C2(乙烷)為1 428.754 kJ/mol，C3(丙烷)為2 043.242 kJ/mol，C4(異丁烷、正丁烷)為2 648.28 和2 657.47 kJ/mol，C5(新戊烷、異戊烷、 正戊烷) 為3 250.688 ～3 271.838 kJ/mol，C6(己烷)及更重組分≥3 887.046 kJ/mol，可見，有機(jī)組分分子式含碳原子數(shù)量越多，理想氣體摩爾低位發(fā)熱量越大。燃料天然氣含碳原子數(shù)量較多的有機(jī)組分含量越多，低位發(fā)熱量越大，相應(yīng)的實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子越大；含碳原子數(shù)量較少的組分或H2、O2、N2、He 不含碳的組分含量越多，低位發(fā)熱量越小，相應(yīng)的實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子越小。

2.3 兩種實(shí)測(cè)碳排放因子之間差異原因分析

實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子與實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子之間差異主要來自兩方面：

1）不同的獲取含碳量方法之間存在系統(tǒng)性差異。前者通過實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量×單位熱值含碳量缺省值獲取，后者通過檢驗(yàn)方法直接獲取，兩種方法之間存在系統(tǒng)性差異。

2）貢獻(xiàn)熱值及提供碳原子的天然氣組分存在差異。貢獻(xiàn)熱值的組分包括非CO2的含碳組分及H2，提供碳原子的組分包括含CO2在內(nèi)的含碳組分。

2.4 實(shí)例分析

油氣田燃料天然氣種類主要有：①采油系統(tǒng)使用的伴生濕氣和返輸干氣；②油氣加工系統(tǒng)使用的深冷、淺冷輕烴回收裝置外輸氣；③采氣系統(tǒng)及部分采油系統(tǒng)使用的氣田氣。通過集氣技術(shù)、輕回收、燃燒利用提高伴生濕氣的回收利用，有利于節(jié)能減排及提質(zhì)增效[9-10]。為探索燃料天然氣組分特征對(duì)實(shí)測(cè)碳排放因子的影響，可通過油氣田各生產(chǎn)系統(tǒng)使用各類燃料天然氣的典型實(shí)例進(jìn)行對(duì)比分析：伴生濕氣與返輸干氣；深冷與淺冷輕烴回收裝置外輸氣；氣田氣。

實(shí)例1：伴生濕氣與返輸干氣。以某集氣間伴生濕氣及返輸干氣為例進(jìn)行說明。天然氣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表3。返輸干氣中C1(甲烷、CO2)組分明顯比伴生濕氣中多，C2(乙烷)、C3(丙烷)、C4(異丁烷、正丁烷)、C5(新戊烷、異戊烷、正戊烷)、C6(己烷)及更重組分明顯比伴生濕氣少，返輸干氣的實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子及實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子明顯小于伴生濕氣。天然氣組分中不含H2，但含有4.18%～5.62%的CO2，實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子明顯小于實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子。

表3 某集氣間外輸伴生濕氣及返輸干氣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.3 Measurement data of external associated moisture and returned dry gas from a gas gathering room

實(shí)例2：深冷與淺冷輕烴回收裝置外輸氣。以各有若干組的深冷、淺冷輕烴回收裝置外輸氣為例進(jìn)行進(jìn)行對(duì)比分析，深冷、淺冷輕烴回收裝置外輸氣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平均值見表4。

表4 深冷、淺冷輕烴回收裝置外輸氣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.4 Measurement data of external gas transmission from deep-cooled and shallow-cooled light hydrocarbon recovery units

深冷輕烴回收裝置工藝相比淺冷輕烴回收裝置工藝能壓榨更多的天然氣中較重的烷烴組分進(jìn)入輕烴中，也反映在表4 的組分?jǐn)?shù)據(jù)中。相比淺冷輕烴回收裝置外輸氣，深冷輕烴回收裝置外輸氣C1(甲烷、CO2)組分明顯偏多，C2(乙烷)、C3(丙烷)、C4(異丁烷、正丁烷)、C5(新戊烷、異戊烷、正戊烷)、C6(己烷)及更重組分明顯偏少，實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子及實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子也明顯偏小。天然氣組分中不含H2，含有一定量的CO2，實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子明顯小于實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子。

實(shí)例3：氣田氣。以3 組典型的氣田氣為實(shí)例進(jìn)行分析，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表5?？梢钥闯?，各組氣田氣不含H2；C1(甲烷與CO2合計(jì))、C2(乙烷)、C3(丙烷)、C4(異丁烷、正丁烷)、C5(新戊烷、異戊烷、正戊烷)、C6(己烷)及更重組分以及實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子差異較小； C1組分中甲烷和CO2含量卻差異極大（很大可能是因?yàn)楦鹘M氣田氣的氣層差異很大所致），相應(yīng)的實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量及實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子差異也很大，且CO2含量越大，相應(yīng)的實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量及實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子越小，相應(yīng)的實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子與實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子之間差異越大。對(duì)于QTQ-1 氣田氣，由于不含CO2，不同的獲取含碳量方法之間存在的系統(tǒng)性差異，是導(dǎo)致實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子比實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子偏小的主要原因， 偏小0.99 tCO2/104Nm3，偏小比例5.15%。

表5 氣田氣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.5 Measurement data of gas from gas field

2.5 各類碳排放因子之間的普遍性差異

通過上述實(shí)例分析，油氣田各類燃料天然氣碳排放因子之間存在普遍差異：干氣的實(shí)測(cè)碳排放因子明顯比濕氣的?。粚?shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子明顯比實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子小。

3 結(jié)論

油氣田燃料天然氣種類較多，組分特征差異較大，組分特征對(duì)實(shí)測(cè)碳排放因子有著顯著的規(guī)律性影響：

1）返輸干氣相比伴生濕氣，深冷輕烴回收裝置外輸氣相比淺冷輕烴回收裝置外輸氣。含碳原子數(shù)量較少的組分C1（甲烷、CO2） 含量明顯較多，含碳原子數(shù)量較多的組分C2（乙烷）、C3（丙烷）、C4（丁烷）、C5（戊烷）、C6（己烷）及更重組分含量明顯較少，實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子及實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子明顯較少；一定含量的CO2以及不同獲取含碳量方法之間存在的系統(tǒng)性差異，導(dǎo)致了實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子明顯小于實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子。

2）氣田氣。C1（甲烷與CO2合計(jì)）、C2（乙烷）、C3（丙烷）、C4（丁烷）、C5（戊烷）、C6（己烷）及更重組分差異較小，實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子差異較小；但C1組分中甲烷和CO2含量差異卻極大，實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子差異也很大，且CO2含量越大，實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子越小，實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子與實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子之間差異越大，在不含CO2的情況下，不同獲取含碳量方法之間存在的系統(tǒng)性差異，導(dǎo)致了實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量碳排放因子明顯比實(shí)測(cè)含碳量碳排放因子偏小，偏小可達(dá)5%左右。