美國天然氣輸配系統甲烷減排經驗及啟示

朱瑞娟，朱子涵，車 明

(北京市燃氣集團研究院，北京 100011)

1 概述

由于天然氣是清潔的化石能源，因此天然氣將在實現雙碳目標過程中發揮基礎性保障作用，降低國內天然氣行業的甲烷排放是最具有經濟效益的手段。國內甲烷減排起步較晚，因此本文對美國近年來天然氣行業甲烷減排經驗進行總結，提煉出適合國內天然氣行業甲烷減排的經驗和啟示。

2 美國天然氣系統甲烷排放時空特征

探究1990年—2020年美國天然氣生產量、消費量與天然氣系統甲烷排放總量的關系，提煉出對應的時空特征。1990年—2020年美國天然氣系統甲烷排放總量、天然氣消費量、生產量見圖1。

圖1 美國天然氣系統甲烷排放總量、天然氣消費量、生產量

由圖1可知，1990年—2019年美國天然氣生產量和天然氣消費量總體呈上升趨勢，2020年由于疫情影響，生產量和消費量都大幅下跌。天然氣系統甲烷排放總量總體處于波動中穩步降低的趨勢。

美國天然氣系統勘探、開發、處理、長輸儲運、輸配、用戶使用等各環節甲烷排放量見圖2。

圖2 1990年—2020年美國天然氣系統各環節甲烷排放量

由圖2可知，1990年—2020年，天然氣勘探環節甲烷排放量在2008年達到峰值，2009年—2020年處于緩慢降低的狀態。天然氣開發環節甲烷排放量在2008年達到峰值，2009年—2016年緩慢下降，2017年—2018年又出現增長趨勢，2019年—2020年下降幅度明顯。長輸儲運環節甲烷排放量1990年—2012年處于下降趨勢，2013年—2020年在波動中緩慢上升。處理、輸配環節甲烷排放量在1990年—2020年穩中有降，輸配環節甲烷排放量下降幅度最大。用戶使用環節甲烷排放量1990年—2020年處于緩慢上漲的狀態。

3 天然氣系統各環節甲烷減排相關性分析

3.1 天然氣系統甲烷減排相關性分析

對1990年—2020年天然氣系統甲烷排放總量和勘探、開發、處理、長輸儲運、輸配、用戶使用6個環節的甲烷排放量進行相關性分析，提取出1990年—2020年和天然氣系統甲烷排放總量降低趨勢一致且貢獻度最大的環節。天然氣系統6個環節甲烷排放量與甲烷排放總量的相關系數見表1。

表1 天然氣系統6個環節甲烷排放量與甲烷排放總量的相關系數

各環節甲烷排放量和甲烷排放總量趨勢一致稱為正相關，趨勢相反稱為負相關。從圖1可知美國天然氣系統甲烷排放量總體呈下降趨勢。由表1可知，1990年—2020年開發、用戶使用環節甲烷排放量與天然氣系統甲烷排放總量呈負相關，這主要是由于美國頁巖氣的大規模開發及下游工業居民等用戶甲烷泄漏導致甲烷排放上升。勘探、處理、長輸儲運、輸配4個環節甲烷排放是降低趨勢，其中對美國天然氣系統甲烷減排貢獻度最大的是輸配環節。

3.2 輸配環節甲烷減排相關性分析

輸配環節是美國天然氣系統甲烷減排最大的貢獻者，輸配環節甲烷排放來源包含管道泄漏、燃氣廠站逸散、用戶表逸散、日常維護、開挖5類，探究這5類來源的甲烷減排量對輸配環節甲烷減排的最大貢獻者，有利于提取美國輸配環節甲烷減排經驗。計算管道泄漏、燃氣廠站逸散、用戶表逸散、日常維護、開挖5類來源甲烷排放量和輸配環節甲烷排放量的相關系數，見表2。

表2 5類來源甲烷排放量與輸配環節甲烷排放量的相關系數

由表2可知，1990年—2020年和輸配環節甲烷排放量相關性最強的為燃氣廠站逸散甲烷排放量，相關系數為0.996。其次為管道泄漏甲烷排放量，相關系數為0.993。這2類來源的甲烷排放量對輸配環節甲烷減排貢獻度最高。根據美國輸配管網統計數據，單位長度甲烷排放量較低的PE管道里程逐年增加，單位長度甲烷排放量較高的未保護鋼管里程逐年降低。美國大規模進行老舊管道的更新改造，帶來了天然氣系統的甲烷減排。《美國油氣行業危險空氣污染物新污染源執行標準和新排放標準(2012)》要求天然氣行業針對甲烷實行泄漏檢測及修復(LDAR)。老舊管道更新改造和實施泄漏檢測及修復兩個因素促使管道泄漏和燃氣廠站逸散造成的甲烷排放大規模降低。呈負相關的是用戶表逸散和開挖甲烷排放量，這2類來源的甲烷排放量在1990年—2020年處于增長趨勢，對甲烷減排呈現負貢獻，但是增排量較小。

3.2.1管道泄漏甲烷減排相關性分析

管道泄漏是對輸配環節甲烷減排貢獻度較高的來源，探究管道泄漏造成的甲烷排放量與各類型管道泄漏造成的甲烷排放量的相關性，尋找出相關性較強且是降低趨勢的管道類型，非常有意義。1990年—2020年各類型管道泄漏甲烷排放量與管道泄漏甲烷排放量的相關系數見表3。

由表3可知，1990年—2020年與管道泄漏甲烷排放量走勢一致且相關性很強管道類型分別為：未保護鋼管主干管道、鑄鐵管主干管道、未保護鋼管庭院管道、保護鋼管庭院管道、銅管庭院管道、PE管主干管道。從美國管網統計數據可以看出，美國主干管道長度一直在增加，但是單位長度甲烷排放量較高的鑄鐵管、未保護鋼管主干管道長度在逐年減少，單位長度甲烷排放量較低的PE管長度在逐年增加，管道的更新促進了甲烷減排。與管道泄漏甲烷排放量呈負相關的管道類型為PE管庭院管道、保護鋼管主干管道。統計數據顯示，多年來保護鋼管主干管道長度基本不變，隨著年限增加，保護鋼管泄漏的概率逐年增大，對管道泄漏甲烷減排作出負貢獻。2020年PE管庭院管道長度相比1990年增加176%，雖然PE管單位長度甲烷排放量低，但是庭院管道長度的暴增，也導致這種類型的管道1990年—2020年甲烷排放增加，對管道泄漏甲烷減排作出負貢獻。

表3 各類型管道泄漏甲烷排放量與管道泄漏甲烷排放量的相關系數

3.2.2燃氣廠站逸散甲烷減排相關性分析

燃氣廠站逸散是輸配環節甲烷排放相關性最強的來源之一，探究燃氣廠站逸散甲烷排放量與各類型調壓站甲烷排放量的相關性，尋找相關性較強的調壓站類型，非常有意義。不同類型的燃氣調壓站甲烷排放量與燃氣廠站逸散甲烷排放量的相關系數見表4。表4數據來自美國統計數據，和中國調壓站壓力劃分標準不同。計量調壓站指具有計量功能的調壓站，地下調壓站指建在地下的調壓站，只有調壓功能且建在地上的稱為普通調壓站。由于美國統計數據中不含進站壓力小于0.27 MPa的計量調壓站和地下調壓站，故本文不討論該情況。

由表4可以看出，1990年—2020年與燃氣廠站甲烷減排走勢一致且相關性很強的類型分別為：計量調壓站A、計量調壓站B、普通調壓站A、普通調壓站B、地下調壓站A，這5類調壓站對燃氣廠站的甲烷減排貢獻度最大，主要由于美國在進站壓力0.68 MPa以上的計量調壓站和普通調壓站實施了泄漏檢測及修復(LDAR)措施。呈負相關且相關性最強的為地下調壓站C，這個類型調壓站對廠站甲烷減排起負作用，但是增排量極小。

表4 不同類型的燃氣調壓站甲烷排放量與燃氣廠站逸散甲烷排放量的相關系數

4 對中國天然氣行業的啟示

注重老舊管道更新。隨著服役時間增長，我國的管道越來越舊，面臨的管道泄漏壓力也越來越大。因此要注重老舊管道更新，優選甲烷排放因子低的管材，既能保障天然氣管道的安全性，又能提高甲烷減排潛力。

加大泄漏檢測及修復(LDAR)。通過LDAR，可以對閥門、法蘭等進行檢測，精準度極高，因此我國天然氣廠站要想達到高精準度泄漏檢測，應加大實施LDAR措施。燃氣廠站甲烷檢測可以參考美國成熟的泄漏點定位、確定泄漏量、檢測組件、修復泄漏組件以及記錄保存流程[1]，提高燃氣廠站甲烷減排潛力。

加大甲烷排放實測。下游城市燃氣行業甲烷排放歷史數據缺乏，有時根據天然氣排放因子和活動水平進行理論計算的甲烷排放數據低于實測值。因此，要鼓勵燃氣企業采用多種檢測、監測方法進行本企業所屬天然氣設施的實測，獲得甲烷實測排放數據，同時和理論計算排放數據進行交叉驗證[2]。