四方儀器先進光學技術助力油氣行業甲烷排放高精度監測

1. 油氣行業(ye) 甲烷減排勢在必行

工業(ye) 革命以來，大氣中的甲烷濃度增加了一倍多，甲烷所產(chan) 生的溫室效應在全球變暖中貢獻了約三分之一。甲烷雖然影響巨大，但它是一種短期的氣候汙染物，在大氣中的壽命大約為(wei) 10年。如此短的生命周期意味著，通過減少甲烷排放可以較快降低全球變暖效應，有效調節全球氣候變化。因此，甲烷減排是實現《巴黎協定》1.5℃溫控目標的關(guan) 鍵支柱之一。

國際能源署（IEA）統計，2023年全球甲烷排放量為(wei) 3.49×108 t，能源部門占比為(wei) 36.8%，其中油氣行業(ye) 占能源部門排放總量的62%，達到0.80×108 t。根據IEA評估，油氣行業(ye) 有75%的甲烷減排可通過現有技術和最佳實踐措施來實現，其中40%的減排可通過管理實現。因此，油氣行業(ye) 甲烷減排潛力極大，且易於(yu) 實現。

國際上，歐美針對油氣行業(ye) 甲烷減排正陸續出台更加具體(ti) 且日益嚴(yan) 格的監管要求。在美國，2021年11月美國政府出台指導性文件《美國甲烷減排行動計劃》，2022年8月美國總統簽署的《通脹削減法案》中提出將對石油和天然氣行業(ye) 甲烷排放進行收費，2024年3月美國環保署（EPA）發布《新的、重建和改造的排放源的性能標準以及現有排放源的排放指南：石油和天然氣行業(ye) 氣候審查》修訂文件，2024年5月EPA發布《溫室氣體(ti) 報告規則 石油和天然氣係統》修訂文件。在歐洲，2020年10月歐盟委員會(hui) 出台指導性文件《歐盟甲烷減排戰略》，2024年6月歐洲議會(hui) 和理事會(hui) 正式簽署發布了歐盟首部旨在遏製歐洲和全球能源部門甲烷排放的法規《歐洲議會(hui) 和理事會(hui) 關(guan) 於(yu) 能源部門甲烷減排和修訂（歐盟）2019/942的法規》。

在我國，2023年11月生態環境部聯合11部門發布國家政策文件《甲烷排放控製行動方案》，該文件提出了“十四五"和“十五五"期間甲烷排放控製目標，並明確指出，在“加強甲烷排放監測、核算、報告和核查體(ti) 係建設"和“推進能源領域甲烷排放控製"中油氣行業(ye) 需要承擔多項重要任務。

2. 油氣行業(ye) 甲烷減排行動中關(guan) 於(yu) 先進監測設備的市場需求

油氣行業(ye) 甲烷排放主要來自勘探、生產(chan) 、加工和儲(chu) 運分銷環節中的逃逸、放空和火炬不燃燒。逃逸性排放是指在各種設施及部件上無意或意外產(chan) 生的泄漏。放空和火炬排放是維護安全等原因導致的有組織排放。油氣行業(ye) 甲烷排放呈現以下特點：

（1）排放點數量多：每個(ge) 生產(chan) 現場或設施可能由成千上萬(wan) 個(ge) 部件組成，其中可能包含幾個(ge) 到數百個(ge) 排放點。

（2）排放點地理分布廣：每個(ge) 井場、壓縮站、天燃氣廠和管道段都是潛在排放源，這些設施經常散布在偏遠地區。

（3）排放率的可變性：受許多因素影響，類似設備和工藝的排放率可能存在較大差異；此外，一些排放點是間歇性的。

（4）難以感知：甲烷排放經常是無色無味的，在不使用專(zhuan) 用檢測設備情況下很難識別和估計排放。

油氣行業(ye) 甲烷排放的這些複雜性特點給甲烷減排行動中的排放監測帶來了巨大挑戰。

泄漏檢測和修複（LDAR）以及測量、報告和驗證（MRV）是油氣行業(ye) 甲烷減排行動中的兩(liang) 種重要係統方法。表1總結了這兩(liang) 種係統方法的基本定義(yi) 、主要作用及相關(guan) 甲烷排放監測的發展方向、法規進展和設備需求。

表1  LDAR和MRV的基本定義(yi) 、主要作用及相關(guan) 甲烷排放監測的發展方向、法規進展和設備需求

在國內(nei) 高度重視甲烷減排的政策背景下，國內(nei) 油氣生產(chan) 企業(ye) 正在積極推動企業(ye) 級甲烷減排行動，在LDAR和MRV應用中必然需要使用大量先進的場站級和源級甲烷排放監測設備。然而，國內(nei) 高精度甲烷傳(chuan) 感技術長期落後於(yu) 水平，還沒有國內(nei) 設備製造商能夠係統提供這些先進設備。在部分油氣企業(ye) 的試點和研究項目中，還是主要依賴使用進口設備。進口設備不僅(jin) 存在使用成本過高的問題，也難以響應國內(nei) 特定應用需求。因此，麵對國內(nei) 油氣企業(ye) 甲烷減排行動中對先進設備的廣泛應用需求，迫切需要國內(nei) 設備製造商加快研發高精度甲烷傳(chuan) 感技術，並提供具備自主技術的場站級和源級甲烷排放監測設備。

3. 油氣行業(ye) 甲烷排放監測的整體(ti) 解決(jue) 方案

米兰电玩娱乐（簡稱四方儀(yi) 器）是專(zhuan) 業(ye) 研製米兰高赔竞猜足球及儀(yi) 器儀(yi) 表的高科技企業(ye) 。四方儀(yi) 器依托氣體(ti) 傳(chuan) 感技術研發平台基礎優(you) 勢，成功研製了高精度TDLAS甲烷傳(chuan) 感器模組，並為(wei) 油氣行業(ye) 甲烷排放監測推出了一套整體(ti) 解決(jue) 方案，能夠為(wei) 油氣生產(chan) 企業(ye) 提高LDAR檢測效率、助力溫室氣體(ti) 核算和構建MRV技術體(ti) 係提供高精度甲烷排放監測及準確的定性與(yu) 定量分析結果。

3.1 四方儀(yi) 器整體(ti) 解決(jue) 方案的框架體(ti) 係

本方案框架分為(wei) 監測感知層、數據解析層和業(ye) 務應用層。監測感知層主要產(chan) 品包括：場站級水平的甲烷排放連續監測係統、車載甲烷排放監測係統和無人機甲烷排放監測係統；源級水平的便攜式紅外熱像儀(yi) 和便攜式大流量采樣器。多款監測設備和傳(chuan) 感器組合適用於(yu) 天然氣生產(chan) 開采、加工、儲(chu) 存、運輸等不同環節，全流程采集和測量甲烷排放濃度等關(guan) 鍵信息。數據解析層的軟件平台基於(yu) 5G網絡通訊實時傳(chuan) 輸並顯示測量數據，實時計算排放率，並判定排放事件和量化排放。數據解析層各軟件平台分析結果相互結合可為(wei) 業(ye) 務應用層的油氣生產(chan) 企業(ye) 應用目標提供關(guan) 鍵技術支撐。

圖1 四方儀(yi) 器整體(ti) 解決(jue) 方案的框架體(ti) 係

圖1 四方儀(yi) 器整體(ti) 解決(jue) 方案的框架體(ti) 係

3.2 高精度TDLAS甲烷傳(chuan) 感技術

可調諧半導體(ti) 激光吸收光譜法（TDLAS）是一種特別適用於(yu) 高精度探測空氣中甲烷含量的先進光學技術。TDLAS基本原理為(wei) ，使用可調諧半導體(ti) 激光器發射出特定波長激光束穿過被測氣體(ti) ，通過測量激光穿透氣體(ti) 後的強度衰減度，可以定量地分析計算獲得被測氣體(ti) 的體(ti) 積濃度。

圖2 TDLAS傳(chuan) 感器原理圖

四方儀(yi) 器研製的高精度TDLAS甲烷傳(chuan) 感器模組具有以下技術特點：測量精度高，最小檢測限可達ppb級；響應快，最高檢測頻率可達10Hz；具有很高的甲烷選擇性，抗幹擾能力強；環境適應性強；使用壽命長；模塊化設計，易於(yu) 安裝與(yu) 集成。

圖3 四方儀(yi) 器TDLAS甲烷傳(chuan) 感器模組

3.3 四方儀(yi) 器場站級和源級甲烷排放監測設備的核心技術、主要功能和應用範圍

圖4 l四方儀(yi) 器-油氣行業(ye) 甲烷排放監測整體(ti) 解決(jue) 方案的應用示意圖

3.4 油田生產(chan) 區域的甲烷排放監測應用設計

圖5 聯合站區域甲烷排放連續監測的網格化監測點位設計

圖6 油井區域甲烷排放連續監測的網格化監測點位設計

圖7 油田生產(chan) 區域車載甲烷排放監測的行駛路線及甲烷濃度示意圖