四方仪器先进光学技术助力油气行业甲烷排放高精度监测

1. 油气行业甲烷减排势在必行

工业革命以来，大气中的甲烷浓度增加了一倍多，甲烷所产生的温室效应在变暖中贡献了约三分之一。甲烷虽然影响巨大，但它是一种短期的气候污染物，在大气中的寿命大约为10年。如此短的生命周期意味着，通过减少甲烷排放可以较快降低变暖效应，有效调节气候变化。因此，甲烷减排是实现《巴黎协定》1.5℃温控目标的关键支柱之一。

国际能源署（IEA）统计，2023年甲烷排放量为3.49×108 t，能源部门占比为36.8%，其中油气行业占能源部门排放总量的62%，达到0.80×108 t。根据IEA评估，油气行业有75%的甲烷减排可通过现有技术和佳实践措施来实现，其中40%的减排可通过管理实现。因此，油气行业甲烷减排潜力极大，且易于实现。

国际上，欧美针对油气行业甲烷减排正陆续出台更加具体且日益严格的监管要求。在美国，2021年11月美国政府出台指导性文件《美国甲烷减排行动计划》，2022年8月美国总统签署的《通胀削减法案》中提出将对石油和天然气行业甲烷排放进行收费，2024年3月美国环保署（EPA）发布《新的、重建和改造的排放源的性能标准以及现有排放源的排放指南：石油和天然气行业气候审查》修订文件，2024年5月EPA发布《温室气体报告规则 石油和天然气系统》修订文件。在欧洲，2020年10月欧盟委员会出台指导性文件《欧盟甲烷减排战略》，2024年6月欧洲议会和理事会正式签署发布了欧盟首部旨在遏制欧洲和能源部门甲烷排放的法规《欧洲议会和理事会关于能源部门甲烷减排和修订（欧盟）2019/942的法规》。

在我国，2023年11月生态环境部联合11部门发布国家政策文件《甲烷排放控制行动方案》，该文件提出了“十四五”和“十五五”期间甲烷排放控制目标，并明确指出，在“加强甲烷排放监测、核算、报告和核查体系建设”和“推进能源领域甲烷排放控制”中油气行业需要承担多项重要任务。

2. 油气行业甲烷减排行动中关于先进监测设备的市场需求

油气行业甲烷排放主要来自勘探、生产、加工和储运分销环节中的逃逸、放空和火炬不燃烧。逃逸性排放是指在各种设施及部件上无意或意外产生的泄漏。放空和火炬排放是维护安全等原因导致的有组织排放。油气行业甲烷排放呈现以下特点：

（1）排放点数量多：每个生产现场或设施可能由成千上万个部件组成，其中可能包含几个到数百个排放点。

（2）排放点地理分布广：每个井场、压缩站、天燃气厂和管道段都是潜在排放源，这些设施经常散布在偏远地区。

（3）排放率的可变性：受许多因素影响，类似设备和工艺的排放率可能存在较大差异；此外，一些排放点是间歇性的。

（4）难以感知：甲烷排放经常是无色无味的，在不使用专用检测设备情况下很难识别和估计排放。

油气行业甲烷排放的这些复杂性特点给甲烷减排行动中的排放监测带来了巨大挑战。

泄漏检测和修复（LDAR）以及测量、报告和验证（MRV）是油气行业甲烷减排行动中的两种重要系统方法。表1总结了这两种系统方法的基本定义、主要作用及相关甲烷排放监测的发展方向、法规进展和设备需求。

表1  LDAR和MRV的基本定义、主要作用及相关甲烷排放监测的发展方向、法规进展和设备需求

在国内高度重视甲烷减排的政策背景下，国内油气生产企业正在积极推动企业级甲烷减排行动，在LDAR和MRV应用中必然需要使用大量先进的场站级和源级甲烷排放监测设备。然而，国内高精度甲烷传感技术长期落后于水平，还没有国内设备制造商能够系统提供这些先进设备。在部分油气企业的试点和研究项目中，还是主要依赖使用进口设备。进口设备不仅存在使用成本过高的问题，也难以响应国内特定应用需求。因此，面对国内油气企业甲烷减排行动中对先进设备的广泛应用需求，迫切需要国内设备制造商加快研发高精度甲烷传感技术，并提供具备自主技术的场站级和源级甲烷排放监测设备。

3. 油气行业甲烷排放监测的整体解决方案

四方光电（武汉）仪器有限公司（简称四方仪器）是专业研制气体传感器及仪器仪表的高科技企业。四方仪器依托气体传感技术研发平台基础优势，成功研制了高精度TDLAS甲烷传感器模组，并为油气行业甲烷排放监测推出了一套整体解决方案，能够为油气生产企业提高LDAR检测效率、助力温室气体核算和构建MRV技术体系提供高精度甲烷排放监测及准确的定性与定量分析结果。

3.1 四方仪器整体解决方案的框架体系

本方案框架分为监测感知层、数据解析层和业务应用层。监测感知层主要产品包括：场站级水平的甲烷排放连续监测系统、车载甲烷排放监测系统和无人机甲烷排放监测系统；源级水平的便携式红外热像仪和便携式大流量采样器。多款监测设备和传感器组合适用于天然气生产开采、加工、储存、运输等不同环节，全流程采集和测量甲烷排放浓度等关键信息。数据解析层的软件平台基于5G网络通讯实时传输并显示测量数据，实时计算排放率，并判定排放事件和量化排放。数据解析层各软件平台分析结果相互结合可为业务应用层的油气生产企业应用目标提供关键技术支撑。

图1 四方仪器整体解决方案的框架体系

3.2 高精度TDLAS甲烷传感技术

可调谐半导体激光吸收光谱法（TDLAS）是一种特别适用于高精度探测空气中甲烷含量的先进光学技术。TDLAS基本原理为，使用可调谐半导体激光器发射出特定波长激光束穿过被测气体，通过测量激光穿透气体后的强度衰减度，可以定量地分析计算获得被测气体的体积浓度。

图2 TDLAS传感器原理图

四方仪器研制的高精度TDLAS甲烷传感器模组具有以下技术特点：测量精度高，小检测限可达ppb级；响应快，高检测频率可达10Hz；具有很高的甲烷选择性，抗干扰能力强；环境适应性强；使用寿命长；模块化设计，易于安装与集成。

图3 四方仪器TDLAS甲烷传感器模组

3.3 四方仪器场站级和源级甲烷排放监测设备的核心技术、主要功能和应用范围

图4 l四方仪器-油气行业甲烷排放监测整体解决方案的应用示意图

3.4 油田生产区域的甲烷排放监测应用设计

图5 联合站区域甲烷排放连续监测的网格化监测点位设计

图6 油井区域甲烷排放连续监测的网格化监测点位设计

图7 油田生产区域车载甲烷排放监测的行驶路线及甲烷浓度示意图