城鎮燃氣供應企業甲烷減排技術實踐研究

王杰，劉旭，袁成龍，李旭，崔斌

(北京市燃氣集團有限責任公司第五分公司，北京 100044)

0 引言

隨著全球天然氣消費量的穩步增長，其主要成分甲烷作為僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，排放量已經占全球溫室氣體排放量的16%以上，濃度達到工業化前水平的2.5倍[1]。甲烷是一種有價值的燃料，但同時作為溫室氣體，增溫效應快、壽命短(約為12年左右)是其主要特點，根據IPCC(AR5)的數據，其在20年和100年尺度下的全球增溫潛勢(GWP)約為二氧化碳的84倍和28倍[2-3]。2020年，全球油氣行業的甲烷泄漏量達到了7 200萬噸，按照20年尺度GWP算，相當于60.48億噸CO2當量[4]。從排放源角度來看，全球油氣系統的甲烷逃逸排放約占所有排放源的四分之一，據國際能源署(IEA)的研究表明，全球四分之三的油氣甲烷減排可以通過現有技術解決，其中一半的減排為凈零成本[4]。采取積極有效措施，大幅削減天然氣行業的甲烷排放已經成為全球共識[5]。因此，對于城市燃氣供應企業來說，積極利用現有設備、技術對本行業甲烷控排具有重要意義。文章討論的是一種城鎮燃氣柱塞式封堵系列設備，該系列設備在封堵方式上與傳統封堵設備不同，且在燃氣施工現場應用場景廣泛，經過現場多次案例驗證，該系列設備在應對城鎮燃氣施工過程中因主動放空產生的甲烷排放具有明顯的減排效益。

1 城鎮燃氣柱塞式系列封堵設備

在城鎮燃氣施工工程中，管道的不停輸帶壓封堵作為一種高效節能、經濟實用的施工方式已經得到全面應用，現有的管道不停輸帶壓封堵技術大致包括膨脹筒式封堵、塞式封堵、雙峰球膽封堵等，但在現場施工過程中存在封堵膠皮不能重復使用及對變形管道、管道焊縫等特殊情況封堵效果差、封堵成功率不高、封堵操作不便等的諸多問題。燃氣管道柱塞式封堵設備是吸收了國內外多種封堵形式的成功經驗后，根據城鎮燃氣管網設備的特點和維護需要，本著輕便、簡單、實用、安全可靠的設計原則設計的系列設備。

1.1 設備原理及結構

柱塞式封堵設備剖面圖如圖1(a、b)所示，該設備由固定裝置、傳動裝置、封堵裝置三部分組成。利用力的可傳遞原理，通過旋轉傳遞扭矩內桿對封堵盤施加壓力，擠壓封堵盤上的密封橡膠使其向外膨脹變形進而擠壓管道內壁，以實現對管道的封堵截流。

圖1 柱塞式封堵設備及封堵器結構簡圖

具體來看：

(1)固定裝置：固定裝置由上下移動外桿、支撐外筒兩部分組成。移動外桿是用于封堵定位的裝置，設有可拆卸手柄、位置鎖定裝置、支撐外桿。可拆卸手柄內部設有密封圈；支撐外桿上部和下部分別設有旋轉螺紋，其外壁設有半圓環形凹槽。該結構的功能是快速下放柱塞式封堵盤到管道內壁指定位置，同時設置有位置卡簧，操作性較好。

(2)傳動裝置：傳動裝置由傳遞扭矩內桿和柱塞式封堵器內的橡膠擠壓桿組成。扭矩內桿設有可拆卸手柄、內桿，內桿下部為方形花鍵，該部分設計的功能是可以旋轉手柄，傳遞扭矩到柱塞式封堵器內的橡膠擠壓桿上，擠壓橡膠，直到與管道內壁擠壓，達到密封的效果。(3)封堵裝置：封堵裝置為該設備的核心部件—柱塞式封堵器。柱塞式封堵器由鋼筒、四爪卡盤、橡膠擠壓桿、密封橡膠組成，其作用是通過使擠壓桿受力，在起穩定作用的四爪卡盤保護下擠壓密封橡膠，使其膨脹直到與管道內壁擠壓密封，完成封堵截流。

1.2 設備適用場景及特點

該系列設備是利用現有燃氣管網設備法蘭螺紋等接口對氣源進行有效快速封堵的燃氣管道專用作業設備，設備規格分為DN50、DN80、DN100、DN150、DN200、DN300。該系列封堵設備適用于中低壓(P≤0.4 MPa)燃氣管網，可在對上游燃氣管網不進行降壓或關停的情況下實現切線作業和部分搶修任務，可實現不帶氣對閘井放散截門、引入管更換及燃氣調壓箱的維修、加裝、老舊調壓箱的改造等作業，如圖2(a、b)所示，避免了傳統的區域降壓手工作業或作業前端進行整管切斷封堵的作業模式，在減少對周邊用戶影響的同時減少了因降壓放散或切線吹掃帶來的甲烷排放。

2 柱塞式封堵設備甲烷減排應用案例

2.1 柱塞式封堵設備用于更換閘井放散閥

位于北京市某行政區域的中壓DN80閘井A放散閥因銹蝕發生漏氣，按傳統搶修方式需降壓進行更換，根據管網運營示意圖，如圖3所示，考慮到市中心環路管網多，降壓需關停6個涉及氣源的中壓閘井并在其他閘井放散，影響多個中壓調壓箱、調壓站，共計民用戶23 652 戶，公服用戶23 戶，鍋爐用戶8 戶，DN300、DN200、DN100中壓管線各4.83 km、8.77 km、2.56 km。由于正直冬供期間，降壓后搶修不僅影響用戶范圍大，且降壓放散的天然氣約為636.72 m3。而采用柱塞式封堵器進行操作，只需對泄漏閘井A 一側放散管進行封堵，完全無需降壓就可完成放散閥更換，產生直接經濟效益的同時可減少636.72 m3的甲烷排放，相當于一個集中供暖的普通三口之家近兩年的用氣量。

圖2 老舊調壓箱改造

圖3 管網運營示意圖

2.2 柱塞式封堵設備用于搶修作業

位于北京市某地鐵線路高架橋下且穿過主要市政道路的DN300與DN500中壓燃氣管道連接處疑似漏氣，為進一步確定泄漏的具體位置、大面積減少對用戶影響的同時降低降壓搶修產生的放散量，根據管網運營示意圖，如圖4所示，使用柱塞式封堵設備在接線管接座Q處進行封堵，在不影響DN500管網用戶的同時確定了DN300的泄漏處，最終只需降壓放散Q處至F1處的管道氣，該段距離為0.94 km,估算需放散天然氣66.41 m3，而如果無此設備采用既定管網最小降壓單元進行降壓搶修，則需放散F1、F2、F3之間的管容量，涉及中壓DN500、DN300、DN200、DN100分別為3.23 km、0.94 km、5.53 km、2.62 km，估算需放散天然氣共計894.51 m3，直接減少有組織甲烷排放828.10 m3，可見柱塞式封堵設備具有明顯的甲烷減排效益。

圖4 管網運營示意圖

3 影響柱塞式封堵設備甲烷減排效益發揮的因素

3.1 使用場景對設備甲烷減排效益的影響

柱塞式封堵設備應用場景廣泛，使用場景是否具備條件對設備甲烷減排具有直接影響。其中，在用于切線作業或部分搶修時，需要應用切線點或漏氣點附近的接線管件進行封堵，除了要求現場作業條件允許外，還需要管線圖紙的精確性進行配合，這對由于管網走向與實際不符、歷史接切線點在圖紙無標記、管網運維人員能力與經驗不足等造成的使用場景不匹配問題將影響系列設備的減排效益發揮。而對于閘井放散閥或調壓箱維修或更換、樓前立管截門加裝、引入口漏氣修復等方面，由設備使用案例和其工作原理可推出，該系列設備的使用將發揮較大的的甲烷減排效益。據北京燃氣研究院測算，2019年北京燃氣因各類作業放空甲烷273 t。若柱塞式系列封堵設備可替代傳統作業方式的30%，可產生81.9 t的甲烷減排量，折合113 841 m3天然氣，以2.61 元/m3計算可直接節約近30萬元，若按當年北京市碳市場均價80元/t參與碳交易，可獲得6 552元收益。替代率的升高和碳價的增值直接作用于該系列設備的減排效益。

3.2 使用頻率對設備甲烷減排效益的影響

柱塞式封堵設備使用頻率的高低對其在甲烷減排方面應該發揮的實際作用產生較大影響。柱塞式封堵設備在甲烷減排技術工程實踐方面突出了一定的作用，但在城鎮燃氣供應企業不同管理層對甲烷減排的關注度有一定差異的情況下，在城鎮燃氣管網運營現狀的背景下，柱塞式封堵設備并不是所有作業的首選設備。油氣企業甲烷減排已經是大勢所趨，對于具備機械作業條件的城鎮燃氣供應企業來說，有選擇的在中低壓管網中使用機械作業代替手工作業，用更具有甲烷減排效益的設備代替傳統作業設備及作業方式應該是此類企業運營過程中應該考慮的重點之一；對于還不具備機械作業的城鎮燃氣供應企業應結合實際盡快引入具有明顯甲烷減排效益的機械作業手段代替手工作業方式，且在管道設計時適當在關鍵節點使用管件連接代替三通焊接一次成型，滿足“雙碳”背景下作為天然氣供應企業的中長期發展需要。

3.3 推廣手段對設備甲烷減排效益的影響

推廣手段單一、推廣力度不足、推廣人員專業性不強等對柱塞式封堵設備的應用及甲烷減排效益發揮產生間接影響。目前，在技術持有者系統外推廣方面，該系列設備的推廣方式主要以參加城鎮燃氣設備展覽會為主，輔之以個別的技術交流推廣，推廣方式較為單一，可持續性不強。在其系統內部推廣方面，以分、子公司間的技術交流、設備試用、臨時借用為主，未形成普遍意義上的具有隨時持有、使用設備的具體情況。從推廣人員來說，以其他崗位職工兼職為主，差異性較為明顯，專業度不足、推廣意識欠佳。以上因素間接影響了柱塞式封堵設備的甲烷減排效益在城鎮燃氣供應企業的發揮。

3.4 其他影響因素

影響柱塞式封堵設備甲烷減排效益發揮的其他因素還有政策環境的變化、行業內技術的革新及標準的制定、燃氣供應企業管理側重點及碳交易市場的完善等。具體來說，政策層面，隨著中國“雙碳”目標的持續推進，管道天然氣的甲烷排放相關政策會越來越細致，越來越嚴格，進而會從側面影響具有甲烷減排效益的設備設施應用；行業層面，管道天然氣甲烷泄漏檢測技術、放散天然氣回收利用技術的發展、甲烷排放標準的制定會進一步促進具有甲烷減排效益的設備設施應用；企業層面，隨著燃氣供應企業的管理層甲烷減排意識的增強、管網改造計劃的制定與實施，柱塞式封堵設備的甲烷減排效益會更加明顯；市場層面，隨著碳交易市場的逐步完善，具備條件的甲烷減排項目有望直接參與碳交易，柱塞式封堵設備的推廣使用會在降低燃氣供應企業“購銷差”、帶來直接和間接經濟效益的同時為減緩氣候變化作出一定貢獻。

4 結語

柱塞式封堵設備具有明顯的甲烷減排效益，使用場景、使用頻率、推廣方式及與管道天然氣相關的政策、行業技術及標準、碳交易市場等會直接或間接影響其甲烷減排效益的發揮。隨著中國“3060”目標的提出和持續推進，凝聚甲烷減排共識，提出甲烷排放強度目標或者總量目標或者“雙控”目標，研究并推廣像柱塞式封堵設備一樣的具有明顯甲烷減排效益的控制措施，不斷打造示范項目和工程以切實加強甲烷排放管控，已經成為燃氣供應企業實施甲烷減排戰略的趨勢。各燃氣供應企業應該積極協調企業內部各層級甲烷減排相關的管理意識，發展、利用和推廣自身優勢參與“十四五”國家控制甲烷排放系列行動，積極克服對具有甲烷減排效益的技術或設備有影響的不利因素，持續推動完善燃氣行業甲烷控制政策、技術、標準體系和碳市場交易，最終利用市場機制協調促進甲烷減排工作扎實有序開展。