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【论文精选】欧美城镇燃气输配系统甲烷排放数据调研分析

时间：2021-11-24 来源：浏览：

【论文精选】欧美城镇燃气输配系统甲烷排放数据调研分析

原创杨硕，等煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

功能介绍《煤气与热力》始于1978年，创刊于1981年，中国核心期刊，中国土木工程学会燃气分会会刊。筛选燃气供热行业最有价值的技术信息，新闻分类整理、政策标准、热点讨论、投稿查询、论文检索、写作指导、编委风采、精品会议……

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作者：杨硕，苗艳姝，董建锴，解东来

第一作者单位：哈尔滨工业大学建筑学院

摘自《煤气与热力》2021年11月刊

1 概述

作为温室气体排放量最大的发展中国家，中国的减排工作在国际上广受关注 ^［ ¹ ^］。天然气的主要组分为甲烷，是一种非常强势的温室气体，其 20 年尺度的全球增温潜势（ GWP ）为二氧化碳的 84 倍 ^［ ² ^］。只有严格控制天然气系统中的甲烷泄漏，才能使天然气的使用带来气候效益，实现减排目标 ^［ ^3-5 ^］。

目前，我国天然气行业对甲烷排放量进行估算时采用联合国政府间气候变化专门委员会（ IPCC ）提供的第一层次方法排放因子。由于该方法准确性较低，且国内外天然气系统形式和设备上存在差异，使用该排放因子导致甲烷排放量计算结果产生较大差异 ^［ ^6-7 ^］，也无法针对该结果确定我国天然气系统的排放特性，制定合理的减排措施。为了提升甲烷排放量的计算精度，可采取欧美国家普遍采用的第二层次计算方法，但由于国内缺少天然气排放量化相关研究，目前缺少用于第二层次计算方法的排放因子数据。

本文调研美国环境保护署（ EPA ）燃气输配环节的甲烷排放量化研究，并对比欧美第二层次计算方法排放因子测量结果，为中国排放因子结果给出参考。根据美国 1990 — 2018 年的燃气输配系统甲烷排放量、排放因子和活动水平变化趋势，分析美国城镇燃气输配系统的特点及取得显著减排成效的原因，以指导中国城镇燃气输配系统甲烷排放量化和减排方法研究。

2 欧美排放因子数据对比分析

2.1 排放因子的定义

2.2 欧美排放因子调研

2015 年之前， EPA 一直使用 1992 年测算的排放因子数据进行燃气输配系统甲烷泄漏量化计算。但由于设备的更新换代以及维护减排措施的更新，各项排放源的排放因子数据已发生了明显变化。文献［ 9 ］研究得出了基于 2011 年美国燃气输配系统测算实验确定的排放因子测算结果。文献［ 9 ］根据与 EPA 相同的排放因子测算方法，采用高流量甲烷泄漏测量仪（ HI FLOW ）和示踪气体法对管道和厂站的排放因子进行测算，并确定了例行维护排放和事故排放的排放因子。 EPA 基于文献［ 9 ］的研究成果，对美国燃气输配系统各项排放源的排放因子进行了修订，将 2011 年以后的排放因子更改为文献［ 9 ］的测算结果， 1992 — 2011 年间的排放因子采用线性插值确定。

为了更全面地展现燃气输配的排放特性，我们将 EPA 基于文献［ 9 ］研究的排放因子与加州气候行动登记处（ CCAR ）、文献［ 10 ］、欧洲燃气研究院（ GERG ）及欧洲天然气工业技术协会（ MARCOGAZ ）研究结果进行对比，分析不同国家燃气输配系统甲烷排放的差异。各项研究的排放因子测算结果见表 1 ～ 3 ^［
9-15 ^］。表 1 中每根庭院管平均长度根据美国管道和危险品安全管理局（ PHMSA ）的标准，取 27.4 m ^［
15 ^］。表 2 中列出了 EPA 与文献［ 9 ］的排放因子研究结果， CCAR 仅给出了所有类型厂站的通用甲烷排放因子，结果为 3 968 kg/ （座· a ） ^［ ¹¹ ^］。 GERG 与 MARCOGAZ 得出的城市门站排放因子为 179 kg/ （座· a ），得出的表 2 中第① ~ ⑨类厂站排放因子都为 678 kg/ （座· a ），第⑩类厂站排放因子为 163 kg/ （座· a ） ^［ ^13-14 ^］。 EPA 与文献［ 9 ］和 CCAR 的研究中调压站包括了城市门站。 EPA 与文献［ 9 ］排放因子结果发表于 2015 年，并逐年更新，表 1~3 中给出了 2018 年更新的数据 ^［ ¹² ^］， CCAR 结果发表于 2007 年，文献［ 10 ］结果发表于 2020 年， GERG 与 MARCOGAZ 结果发表于 2018 年。

2.3 排放因子对比分析

根据表 1 ～ 3 ，分析如下。

表 1 管道排放因子对比 ^［ ^9-15 ^］

表 2 厂站排放因子 ^［ ⁹ ^，
12 ^］

表 3 计量表及放散吹扫排放因子对比 ^［ ⁹ ^，
11-12 ^］

①管道排放因子方面，对比美国的 3 项研究数据可以发现，文献［ 9 ］测量的主干管（设有阴极保护的钢管）以及主干管（塑料管）排放因子分别仅为文献［ 10 ］研究结果的 9% 和 2% 。这两种管道的使用量较大，分别占美国燃气输配环节主干管长度的 36% 和 58% 。假使按文献［ 10 ］的主干管排放因子结果计算， 2018 年的美国输配环节甲烷排放量为 18.3 × 10 ⁸ kg ，是 EPA 等计算结果的 3.9 倍。且文献［ 10 ］对使用时间超过 80 a 的管道计算较为保守，实际排放因子可能更大。

②由于没有充分考虑管材和管道保护形式对管道排放的影响，且欧洲天然气系统压力仅分为 3 级，导致欧洲对于排放源的分类方法较为粗糙，因此，从量化方法上考虑，欧洲的结果相对于 EPA 可靠性较低。

③美国 2018 年主干管（未设阴极保护的钢管）和主干管（设有阴极保护的钢管）长度比例分别为 10% 和 90% ^［
12 ^］，根据 EPA 与文献［ 9 ］排放因子计算得出美国主干管（钢管）排放因子为 106.4 kg/ （ km · a ）。将几项研究结果换算对比可以发现， EPA 与文献［ 9 ］得出的各项排放因子均小于欧洲的结果。 CCAR 和文献［ 10 ］得出的排放因子则大于欧洲的结果。美国各项研究结果之间存在巨大差异性，因此，难以确定目前欧美燃气输配系统减排效益与成果优劣。但整体上，美国目前对于天然气系统的研究内容更为详细，因此，美国的研究方法和结果对我国更具有参考意义。

3 美国排放量计算结果及历年趋势分析

3.1 排放量计算结果

EPA 对美国燃气输配系统的减排量化研究自 1990 年开始， EPA 计算得出美国 1990 年城镇燃气输配环节的总排放量为 17.4 × 10 ⁸ kg ，美国 2018 年城镇燃气输配环节的总排放量为 4.7 × 10 ⁸ kg ^［
12 ^］。

在美国开始实施减排研究前，燃气输配系统的主要排放源为管道和厂站的逸散排放。通过实施有效减排措施，燃气输配环节的甲烷排放量从 1990 年至 2018 年减少 73% ，其中管道排放减少 6.3 × 10 ⁸ kg ，厂站排放减少 6.2 × 10 ⁸ kg ，计量表和放散吹扫排放略有增加 ^［ ¹² ^］。目前，美国燃气输配系统排放占比较大的排放源类型为管道和用户计量表的逸散排放，具有较大的减排潜力。

3.2 美国燃气输配系统排放变化趋势分析

美国燃气输配环节取得了巨大的减排收益。我们根据 EPA 统计的美国 1990 — 2018 年共 29 a 来燃气输配环节各排放源排放因子、活动因子及甲烷排放量的变化趋势，分析其达成该减排成就的原因 ^［ ¹² ^］。

美国燃气输配系统排放源排放因子在 29 a 间整体呈下降趋势。其排放的减少得益于设备和材料质量的提升、安装技术的进步、维护活动频率的增加和新型减排技术的应用，使得部分排放源排放因子显著下降 ^［ ¹⁶ ^］。

①管道方面。主干管（铸铁管）的排放因子最大，这是因为铸铁管的承插连接方式严密性较差，在输送干气体时易在接口处产生排放。其次是主干管（未设阴极保护的钢管），该类型管道易产生腐蚀孔洞。以上两种管道的排放因子远大于其他类型管道， 2018 年相比 1990 年主干管（铸铁管）和主干管（未设阴极保护的钢管）排放因子分别减少了 75% 和 59% ^［
12 ^］，但排放量依旧远大于其他管道。在满足管道承压能力的条件下，美国大量使用排放因子较低的塑料管道替代原有的钢管，塑料主干管和庭院管长度分别增长 142% 和 167% ^［
12 ^］。

②厂站方面。厂站入口压力与排放因子成正相关关系，同入口压力等级的厂站，地上厂站的排放因子大于地下厂站。相比 1990 年， 2018 年美国厂站减排成效显著，甲烷减排量高达 93% ^［
12 ^］。厂站排放因子方面，高排放厂站排放因子大幅降低，最高减少 98% ^［
12 ^］，可见美国在厂站内连接件、阀门等主要排放源的密封性能得到了巨大提升。厂站建设方面，各类型厂站建设数量并没有随管道建设总长度的增长呈线性增加的趋势，除排放因子较低的地下调压站（入口压力 >2.00 MPa ）和地下调压站（入口压力 0.69 ～ 2.00 MPa ）在建设数量上分别增加了 41% 和 92% ，其他类型的高排放因子厂站数量都有 10% 左右的减少 ^［ ¹² ^］。由此可见，使用低排放因子的地下厂站代替高排放因子的地上厂站，也是达成厂站甲烷减排的有效方法。

但部分排放源，例如用户计量表、安全阀放散、管道吹扫和管道挖断排放量都有不同程度的上升，这是因为该类排放因子数据未更新，但管道总里程增加，导致计算甲烷排放量增加。考虑设备的更新换代，实际排放量应少于 EPA 的计算结果。

4 数据在我国的适用性

考虑到排放因子数据结果的可靠性及我国燃气输配系统的特点，欧美测算的排放因子不适合在我国直接使用。

4.1 数据的可靠性

由表 1 可以看出，文献［ 10 ］得出的管道排放因子总体上远大于文献［ 9 ］的研究结果，使用文献［ 10 ］得出的排放因子，计算得出的美国燃气输配系统排放量为 EPA 研究结果的 3.9 倍。两者排放因子差异过大的原因主要有以下两点：文献［ 10 ］研究采用了高灵敏分析仪系统，由于文献［ 9 ］未使用该类方法，其发现的泄漏会比前者少 85% ；文献［ 10 ］选择调研城市时并未指明城市的选取是否具有某种规律或随机性，因此，难以证明其能完全代表美国的排放因子，而文献［ 9 ］的研究对其样本在全国范围的代表性进行了研究分析，证明了其抽样的合理性。

文献［ 17 ］的研究中，美国东海岸 6 个城市的甲烷排放量是 EPA 研究结果的 2 倍。文献［ 18 ］计算的美国天然气系统甲烷排放量结果比 EPA 高出了 60% 。二叠纪甲烷分析项目（ PermianMAP ）得出的美国天然气系统甲烷排放量为 EPA 结果的 3.2 倍 ^［ ¹⁹ ^］。造成计算结果差异性的原因可能为文献［ 9 ］在对排放源进行分层抽样时未计入超级排放源，该类排放源数量仅占排放源总量的 10% ，但能产生的甲烷排放量达总量的 50% ，导致确定的排放因子结果偏小 ^［ ¹⁸ ^，
20 ^］。此外， EPA 与文献［ 9 ］使用的高流量甲烷泄漏测量仪（ HI FLOW ）设备灵敏度相对较低，可能会忽略部分微小排放源的甲烷泄漏，导致计算结果偏小。因此，在参考 EPA 的排放因子时，应结合其他研究结果适当增大排放因子。

4.2 系统的差异性

欧美国家与中国的燃气输配系统存在形式和运行方式上的差异。管道方面，管道连接件的气密性将会导致排放因子产生差异。厂站方面，不同国家厂站内附件的设置数量、形式、规模及天然气压力分级方式上的区别都会对排放因子产生影响。此外，不同国家对设备检修维护的频率差异也会导致设备排放因子的区别。

我国的燃气输配系统在借鉴此数据时应充分考虑和对比不同国家系统上的差异 ^［ ²¹ ^］。针对目前国内相关研究几乎空白的情况，当前亟需借鉴欧美的研究理论和方法，开展中国燃气输配环节甲烷排放源的测算调研工作。需要进行排放因子测算的排放源包括阀门、法兰、用户计量表、 调压器 等设备材料，不同入口压力等级调压站及不同类型管材等。

5 结论

调研欧美研究机构城镇燃气输配系统不同排放源甲烷排放因子测算数据，对比分析不同结果的可靠性，分析美国环境保护署（ EPA ）计算得出的美国历年燃气输配环节的甲烷排放量化研究结果。主要结论为：

①欧美多家研究机构对城镇燃气输配系统不同类型甲烷排放源给出了各自的排放因子结果，其中美国环境保护署（ EPA ）对排放源的分类方法和测算结果最具有借鉴性。

②美国在 1990 — 2018 年间甲烷排放量减少 73% ，主要原因为大量使用低排放管道、提升连接件和阀门密封性能、设备更新换代、提升维护频率和采用减排新技术。

③美国环境保护署（ EPA ）得出的美国燃气输配系统甲烷排放量结果偏小，可能是在确定排放因子时忽略了部分超级排放源。

④我国应尽快开展燃气输配系统排放源的排放因子测算工作，首要工作是开展用户计量表、调压站、管道及其各类部件的排放因子测算。

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（本文责任编辑：鲁德宏）

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