【论文精选】城镇燃气系统甲烷排放源确定及上报

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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

参考文献示例

杨硕 ，苗艳姝 ，董建锴， 等 .    城镇燃气系统甲烷排放源确定及上报 ［J］.    煤气与热力， 2021，41（11） ：A01-A05.

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防腐

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检测和抢险设备

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阀门（燃气）

1    概述

甲烷作为排放量最大的非二氧化碳温室气体，其 20 年尺度全球增温潜势（ GWP ）为二氧化碳的 84 倍，全球变暖贡献率达到 25% ^{［ 1 ］} ，因此，控制甲烷排放在短期内可取得显著气候效益。气候和清洁空气联盟在《全球甲烷评估》中指出，若不将甲烷排放量在 2030 年前减少 40% ～ 45% ，巴黎协议的目标就无法实现 ^{［ 2 ］} 。

 

天然气行业是美国第二大甲烷排放源，其 2019 年的甲烷排放量占甲烷总排放量的 23.9% ^{［ 3 ］} 。为了管控甲烷排放，美国建立了完备的油气行业甲烷排放测算上报系统。在排放量化方面，美国电子联邦法令（ e-CFR ）规定了油气行业各类排放源甲烷计算方法及数据上报规则 ^{［ 4 ］} ；在甲烷减排方面，美国环境保护署（ EPA ）联合各油气企业建立天然气之星计划，实现甲烷减排技术交流和公司甲烷减排的量化 ^{［ 5 ］} 。在欧洲，欧盟政府联合多家权威环保机构及各油气公司，实行石油和天然气甲烷伙伴关系计划（ OGMP ），制定多层级的油气行业甲烷排放计算方法，以量化和上报各国家油气行业甲烷排放量 ^{［ 6 ］} 。

 

中国目前还没有油气行业甲烷排放量化及减排研究经验，仅是参照联合国政府间气候变化专门委员会（ IPCC ）的要求进行粗略的排放计算，缺乏完整的量化管理体系 ^{［ 7 ］} 。先前，笔者对欧美在燃气输配系统普遍采用的排放因子法进行了介绍，并说明了欧美城镇燃气输配系统主要甲烷排放源及其排放因子测算方法 ^{［ 8 ］} 。本文将通过借鉴欧美国家量化及上报经验，并结合中国燃气系统实际情况，确定中国各类排放源，分析排放速率影响因素，制定具体的上报规则，以完善排放因子法的测算体系，为城镇燃气系统构建甲烷排放测算框架提供方法和思路。

 

2    中国城镇燃气系统甲烷排放源确定

 

文献［ 8 ］对 EPA 及 IPCC 等机构确定的城镇输配系统各类甲烷排放源类型和排放因子定义进行了详细说明，但对影响各类甲烷排放源部件排放速率的影响因素没有进一步的研究，且由于系统上的差异，该方法体系不适合直接在中国使用。因此，在中国城镇燃气系统研究初期，需要基于文献［ 8 ］确定的城镇燃气输配系统排放源类型，结合中国城镇燃气系统的实际情况，对中国城镇燃气系统各类排放源进行补充，分析排放源排放速率的主要影响因素，修改欧美国家对部分排放因子的定义，以适应中国的系统形式和运行模式。

2.1   稳定排放源测算  

2.1.1  管道泄漏

 

从管道泄漏的影响因素考虑，欧美对管道排放因子的分类主要是基于管材类型和 防腐 方式，但实际上，影响管道甲烷泄漏速率的因素多种多样 ^{［ 10 ］} 。

 

①管径：小管径的 管道 强度较低，容易受到地面荷载的影响。

 

②管材：管材会影响管道的耐腐蚀性，大量研究表明 PE 管道泄漏数量明显少于钢管；管材也会影响管道强度， PE 管强度较低，容易因第三方破坏产生泄漏；相比其他管材， PE 管会由于管壁的渗透作用产生泄漏。

 

③土壤：含水和含盐量较大的土壤相比含沙量较大的土壤更具有腐蚀性，因此管道更容易发生泄漏；此外，不同类型土壤内微生物含量不同，对泄漏至土壤中的甲烷分解效率有所差异，会影响实际排放至大气中的甲烷量。

 

④管龄：管龄越长，管道腐蚀和老化情况越严重，管道泄漏点数量越多。

 

⑤维护频率：高频的维护可有效降低管网的泄漏点数量。

 

⑥管道压力：研究表明，通常管道压力越高，管道泄漏点数量越少，但管内压力增大会导致泄漏速率的增加。

 

⑦管道连接方式：不同的连接方式通常在连接严密性上存在差异。

 

目前，针对上述所列出的各类影响因素，我国应尽快展开相关研究，确定各类影响因素对管网甲烷泄漏速率的影响规律。

 

从管道的具体排放形式考虑，管道 泄漏 具体包括管道腐蚀泄漏、管道接口连接不严密造成的泄漏以及管道上阀门垫圈老化或垫圈上的杂质造成密封不严密导致的泄漏。在我国初期的研究阶段，可通过使用高流量甲烷泄漏测量仪（ HI FLOW ）测量等方法详细确定各种管道泄漏形式的排放量，分析各类型管道的甲烷主要排放形式，并结合各类影响因素对管网甲烷泄漏速率的影响规律，找到有效的管网甲烷减排途径 ^{［ 11 ］} 。

 

国外城镇天然气公司对输配系统的管理范围是以用户计量表为终点，但国内燃气系统管理到末端燃具，因此，从用户计量表至燃具间的管道及最终的各类燃具排放也应纳入城镇燃气系统的甲烷排放计算范围。相比于欧美确定的城镇燃气输配系统管道排放源类型 ^{［ 8 ］} ，还需新增末端用户管道类型排放源，对于居民用户和商业用户应新增的管材类型有：镀锌钢管、无缝钢管、铝塑复合管、薄壁不锈钢管、铜管、不锈钢波纹软管和胶管。

 

2.1.2  厂站

 

由于中国的城镇燃气系统压力分级方式与美国有所差异，因此，在对厂站进行分类时需对入口压力进行调整，中国城镇燃气系统厂站类型和压力分级方式应根据 GB 50028 — 2006 《城镇燃气设计规范（ 2020 年版）》（以下简称 GB 50028 — 2006 ）确定。

 

在对中国厂站类型进行分类后，应开展厂站排放因子的测算工作。测算方法除了采用较为简单方便的示踪气体法外，还应通过使用 HI FLOW 对厂站内法兰等连接部件及设备进行甲烷泄漏检测，一方面可将此结果与示踪气体法的结果互相验证，另一方面以此确定厂站内具体部件和设备排放源类型及各类排放源排放量，便于确定更具针对性的减排措施。

 

2.1.3  用户末端设备

 

欧美设定的城镇燃气输配系统终点为用户计量表，但若要完整计算城镇燃气系统甲烷排放，则需全面考虑包括用户末端燃烧设备的排放源，因此，对于居民用户和商业用户，需增加的设备、部件排放源如下。

 

①天然气 阀门 ：由于部件密封不严导致的泄漏。

 

②安全用途阀：为了保证用气安全，许多公司会在表后加装自闭阀、定时阀等安全用途阀门，其甲烷排放速率需进行研究测试。

 

③末端用气设备：燃气灶、燃气热水器及燃气供暖热水炉等，设备在点火、关火及燃烧时的不完全燃烧会导致甲烷的瞬时排放，以及设备密封性导致的持续泄漏排放。

 

由于不同类型工业用户的生产模式差别较大，工厂内燃气管网敷设、用气设备类型多样，同时考虑到工厂的管理和保密性要求，难以针对各类工业用户进行详细的部件级排放源测算量化。为了简化工业用户甲烷排放测算流程，可对该类用户采用示踪气体法等，直接确定单个工业用户全厂站的甲烷排放量。

 

2.2   不稳定排放源测算  

2.2.1  安全阀

 

城镇燃气系统中的安全阀主要设置在门站及各类调压站中，作为调压器故障时的紧急放散。 EPA 对该类排放因子的确定方法是通过调研得到两家公司的该类排放总量，除以公司经营管道总长度得到单位管长的排放因子 ^{［ 12 ］} 。

 

但实际上，将该类排放平均到单位管长上缺乏理论依据。通过向燃气公司员工的调研发现，调压器发生故障的概率较低，每年产生的该类排放次数较少。因此，该类排放源的排放因子的单位应为 kg/ 次，由燃气公司记录每年的安全阀放散次数，以此确定安全阀放散总排放量。

 

2.2.2  管道放散吹扫

 

城镇燃气系统中的管道放散吹扫是指管道在废弃、安装及维修时需要将管道中的天然气放散至大气中的过程。 EPA 通过调研得到 4 家公司的管道放散吹扫甲烷排放总量，除以 4 家公司经营管道总长得到单位管长的排放因子。

 

EPA 将该类排放平均到单位管长上缺乏理论依据，管道放散吹扫仅发生在管道更换、维修等情况，与公司经营管道总长并无直接联系。更为合理的做法应是考虑该类排放与废弃、安装及维修管道长度间的关系。

 

欧洲燃气研究院（ GERG ）对设备吹扫的排放因子计算方法具有借鉴性，即该类排放因子被定义为每次吹扫的甲烷排放体积与操作设备容积之比。对管道，德国对该比例的取值不小于 1 . 5 ^{［ 10 ］} 。

 

我国在测算单次管道放散吹扫活动的甲烷排放量时，除了需要确定甲烷排放量外，也应记录操作管道长度和容积数据，分析对比两种活动水平因素与排放量的关联性，以确定中国该类排放因子。

 

2.2.3  管道第三方破坏

 

目前欧美量化该类甲烷排放主要是采用来自各燃气公司对事故的估算值或按公式法进行确定。 EPA 将该类排放量平均至单位管长上以简化计算，但此做法误差较大 ^{［ 12 ］} 。实际上，随着城镇燃气系统管网建设长度逐年增加，中国近年来事故发生数量逐年减少 ^{［ 13 ］} 。由此可以确定影响管道第三方破坏泄漏量的主要因素是管网监管维护水平，与管道总长并无直接关系。 GERG 给出了计算每次排放量的公式，但这需要每次排放事故的破口管道尺寸、形状以及排放持续时间等信息，若详细计算每次事故的排放量，可能在技术实施上具有一定难度。

 

对于中国城镇燃气系统，可考虑通过调研大量事故案例，使用计算法或 CFD 模拟事故排放，确定单次平均甲烷排放量作为排放因子，结合国内各家燃气公司事故数量上报统计数据，确定该类事故的总排放量。

 

3    中国城镇燃气系统上报规则构建

 

根据排放因子法，在确定中国城镇燃气系统的各类排放源后，可在全国范围开展各类排放源活动水平统计汇总工作。

 

3.1   中国城镇燃气系统上报体系现状

 

由于统计全国范围内的活动水平，涉及的燃气企业较多，且样本数量大，复杂程度高，因此，建立统一完备的体系至关重要。针对目前国内城镇燃气行业缺乏规范完整系统的活动水平上报体系的现状，我国政府方面宜建立天然气行业官方机构，负责相关上报规则的制定、管理和信息的收集统计，以确定我国天然气行业各类设备、管道的数据，便于行业管理和甲烷泄漏量化等工作，同时促进燃气行业甲烷减排工作的进行，提升燃气行业的规范性和安全性，减少重大燃气事故的发生。

 

3.2   中国城镇燃气系统上报内容细则

 

根据上述确定的中国城镇燃气系统排放源类型，本节制定中国城镇燃气系统各类型排放源活动水平的具体上报内容，便于各公司数据填写和汇总统计。

 

①上报公司的基本信息

 

包括公司名称、所在经营城市、年售气量（单位为 m ³ ）、建设管道长度（单位为 km ）、居民用户数量和工商业用户数量。

 

②城镇燃气系统室外管道的经营情况

 

室外输配管道包括主干管和庭院管。

 

主干管：从城市门站出口开始，至庭院管前的管道。

 

庭院管：在欧美国家，庭院管的定义为末端用户入户前的最后一根没有分支的管道。此处将城市区域的庭院管定义为从小区红线外的总入口开始，经过小区内的管道、接至用户楼栋引入管总阀门前的管道。

 

燃气公司需要上报主干管和庭院管不同管材的各类压力级制管道长度（单位为 km ），管材类型包括钢管（有阴极保护）、钢管（无阴极保护）、 PE 管、铸铁管，压力分级包括高压 A 、高压 B 、次高压 A 、次高压 B 、中压 A 、中压 B 和低压。对于上述未涉及的管道类型，燃气公司在上报时可进行补充说明。

 

③城镇燃气系统室内管经营情况

 

该类管道的起点为用户楼栋引入管总阀门后，直至用户末端各类燃具入口前的管道。燃气公司需上报经营范围内的镀锌钢管、无缝钢管、铝塑复合管、薄壁不锈钢管、铜管、不锈钢波纹软管、胶管和补充管材的长度（单位为 km ）。

 

④厂站经营情况

 

燃气公司需根据 GB 50028 — 2006 对厂站的分类类型，汇报经营范围内各类调压站、调压柜和调压箱的经营数量。

 

⑤用户末端设备数量

 

燃气公司上报公司经营居民和工商业用户中各类末端设备的数量，包括燃气计量表、燃气灶、燃气热水器、燃气供暖热水炉，以及各类工业用户的数量，包括一般工业用户、燃气发电厂、加气站等。

 

⑥紧急事故数量

 

燃气公司需要对安全阀紧急泄压和第三方破坏管道事故的数量进行统计，并估算这两类事故各自的甲烷排放总量（单位为 m ³ ）。

 

⑦新建、更换和废弃管道的长度

 

燃气公司需要上报每次新建管道、更换管道和废弃管道的管道长度数据（单位为 km ），以及每次活动的管道压力、管道内直径等影响管道放散吹扫甲烷排放量的信息，同时给出管道在放散吹扫过程甲烷排放量计算值或估算值（单位为 m ³ ）。

 

⑧减排量统计

 

为了保证最终量化结果的准确性，在公司上报活动水平后，可上报说明在实际工程中对甲烷的减排回收情况。公司需详细说明该项回收技术用在燃气输配系统的哪个甲烷排放环节，例如管道放散吹扫等。同时，公司还应说明该项技术名称、技术使用次数及累计甲烷回收量（单位为 m ³ ）。

 

4    结论

通过借鉴欧美国家量化及上报经验，结合中国燃气系统实际情况，确定中国各类排放源，分析排放速率影响因素，制定上报内容细则，以完善排放因子法的测算体系。主要结论如下：

 

①我国在借鉴欧美排放因子法量化城镇燃气系统甲烷排放时，需结合国内情况对排放源和排放因子进行修正。

 

②我国构建油气行业甲烷排放体系时，需充分考虑影响排放源排放速率的关键因素，为油气行业减排路径、方案的确定、系统安全管理提供技术支撑。

 

③我国需尽快建立中国油气行业甲烷排放量化统计、数据分析、安全管理和减排技术交流组织和平台，促进甲烷减排和实现碳中和目标。

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（本文责任编辑：鲁德宏）

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