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. 油氣行業甲烷減排勢在必行

工業革命以來，大氣中的甲烷濃度增加了一倍多，甲烷所產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污染物，在大氣中的壽命大約為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℃溫控目標的關鍵支柱之一。

國際能源署（IEA）統計，2023年全球甲烷排放量為3.49×108 t，能源部門占比為36.8%，其中油氣行業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，油氣行業甲烷減排潛力極大，且易于實現。

國際上，歐美針對油氣行業甲烷減排正陸續出臺更加具體且日益嚴格的監管要求。在美國，2021年11月美國政府出臺指導性文件《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：石油和天然氣行業氣候審查》修訂文件，2024年5月EPA發布《溫室氣體報告規則 石油和天然氣系統》修訂文件。在歐洲，2020年10月歐盟委員會出臺指導性文件《歐盟甲烷減排戰略》，2024年6月歐洲議會和理事會正式簽署發布了歐盟首部旨在遏制歐洲和全球能源部門甲烷排放的法規《歐洲議會和理事會關于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《甲烷排放控制行動方案》，該文件提出了“十四五”和“十五五”期間甲烷排放控制目標，并明確指出，在“加強甲烷排放監測、核算、報告和核查體系建設”和“推進能源領域甲烷排放控制”中油氣行業需要承擔多項重要任務。

2. 油氣行業甲烷減排行動中關于先進監測設備的市場需求

油氣行業甲烷排放主要來自勘探、生產、加工和儲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。油氣行業甲烷排放呈現以下特點：

（1）排放點數量多：每個生產現場或設施可能由成千上萬個部件組成，其中可能包含幾個到數百個排放點。

（2）排放點地理分布廣：每個井場、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，在不使用專用檢測設備情況下很難識別和估計排放。

油氣行業甲烷排放的這些復雜性特點給甲烷減排行動中的排放監測帶來了巨大挑戰。

泄漏檢測和修復（LDAR）以及測量、報告和驗證（MRV）是油氣行業甲烷減排行動中的兩種重要系統方法。表1總結了這兩種系統方法的基本定義、主要作用及相關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、主要作用及相關甲烷排放監測的發展方向、法規進展和設備需求

在國內高度重視甲烷減排的政策背景下，國內油氣生產企業正在積極推動企業級甲烷減排行動，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，國內高精度甲烷傳感技術長期落后于水平，還沒有國內設備制造商能夠系統提供這些先進設備。在部分油氣企業的試點和研究項目中，還是主要依賴使用進口設備。進口設備不僅存在使用成本過高的問題，也難以響應國內特定應用需求。因此，面對國內油氣企業甲烷減排行動中對先進設備的廣泛應用需求，迫切需要國內設備制造商加快研發高精度甲烷傳感技術，并提供具備自主技術的場站級和源級甲烷排放監測設備。

3. 油氣行業甲烷排放監測的整體解決方案

四方光電（武漢）儀器有限公司（簡稱四方儀器）是專業研制氣體傳感器及儀器儀表的高科技企業。四方儀器依托氣體傳感技術研發平臺基礎優勢，成功研制了高精度TDLAS甲烷傳感器模組，并為油氣行業甲烷排放監測推出了一套整體解決方案，能夠為油氣生產企業提高LDAR檢測效率、助力溫室氣體核算和構建MRV技術體系提供高精度甲烷排放監測及準確的定性與定量分析結果。

3.1 四方儀器整體解決方案的框架體系

本方案框架分為監測感知層、數據解析層和業務應用層。監測感知層主要產品包括：場站級水平的甲烷排放連續監測系統、車載甲烷排放監測系統和無人機甲烷排放監測系統；源級水平的便攜式紅外熱像儀和便攜式大流量采樣器。多款監測設備和傳感器組合適用于天然氣生產開采、加工、儲存、運輸等不同環節，全流程采集和測量甲烷排放濃度等關鍵信息。數據解析層的軟件平臺基于5G網絡通訊實時傳輸并顯示測量數據，實時計算排放率，并判定排放事件和量化排放。數據解析層各軟件平臺分析結果相互結合可為業務應用層的油氣生產企業應用目標提供關鍵技術支撐。

圖1 四方儀器整體解決方案的框架體系

3.2 高精度TDLAS甲烷傳感技術

可調諧半導體激光吸收光譜法（TDLAS）是一種特別適用于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，使用可調諧半導體激光器發射出特定波長激光束穿過被測氣體，通過測量激光穿透氣體后的強度衰減度，可以定量地分析計算獲得被測氣體的體積濃度。

圖2 TDLAS傳感器原理圖

四方儀器研制的高精度TDLAS甲烷傳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，抗干擾能力強；環境適應性強；使用壽命長；模塊化設計，易于安裝與集成。

圖3 四方儀器TDLAS甲烷傳感器模組

3.3 四方儀器場站級和源級甲烷排放監測設備的核心技術、主要功能和應用范圍

圖4  四方儀器-油氣行業甲烷排放監測整體解決方案的應用示意圖

3.4 油田生產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 油田生產區域車載甲烷排放監測的行駛路線及甲烷濃度示意圖

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