美国天然气输配系统甲烷减排经验及启示

朱瑞娟，朱子涵，车 明

(北京市燃气集团研究院，北京 100011)

1 概述

由于天然气是清洁的化石能源，因此天然气将在实现双碳目标过程中发挥基础性保障作用，降低国内天然气行业的甲烷排放是最具有经济效益的手段。国内甲烷减排起步较晚，因此本文对美国近年来天然气行业甲烷减排经验进行总结，提炼出适合国内天然气行业甲烷减排的经验和启示。

2 美国天然气系统甲烷排放时空特征

探究1990年—2020年美国天然气生产量、消费量与天然气系统甲烷排放总量的关系，提炼出对应的时空特征。1990年—2020年美国天然气系统甲烷排放总量、天然气消费量、生产量见图1。

图1 美国天然气系统甲烷排放总量、天然气消费量、生产量

由图1可知，1990年—2019年美国天然气生产量和天然气消费量总体呈上升趋势，2020年由于疫情影响，生产量和消费量都大幅下跌。天然气系统甲烷排放总量总体处于波动中稳步降低的趋势。

美国天然气系统勘探、开发、处理、长输储运、输配、用户使用等各环节甲烷排放量见图2。

图2 1990年—2020年美国天然气系统各环节甲烷排放量

由图2可知，1990年—2020年，天然气勘探环节甲烷排放量在2008年达到峰值，2009年—2020年处于缓慢降低的状态。天然气开发环节甲烷排放量在2008年达到峰值，2009年—2016年缓慢下降，2017年—2018年又出现增长趋势，2019年—2020年下降幅度明显。长输储运环节甲烷排放量1990年—2012年处于下降趋势，2013年—2020年在波动中缓慢上升。处理、输配环节甲烷排放量在1990年—2020年稳中有降，输配环节甲烷排放量下降幅度最大。用户使用环节甲烷排放量1990年—2020年处于缓慢上涨的状态。

3 天然气系统各环节甲烷减排相关性分析

3.1 天然气系统甲烷减排相关性分析

对1990年—2020年天然气系统甲烷排放总量和勘探、开发、处理、长输储运、输配、用户使用6个环节的甲烷排放量进行相关性分析，提取出1990年—2020年和天然气系统甲烷排放总量降低趋势一致且贡献度最大的环节。天然气系统6个环节甲烷排放量与甲烷排放总量的相关系数见表1。

表1 天然气系统6个环节甲烷排放量与甲烷排放总量的相关系数

各环节甲烷排放量和甲烷排放总量趋势一致称为正相关，趋势相反称为负相关。从图1可知美国天然气系统甲烷排放量总体呈下降趋势。由表1可知，1990年—2020年开发、用户使用环节甲烷排放量与天然气系统甲烷排放总量呈负相关，这主要是由于美国页岩气的大规模开发及下游工业居民等用户甲烷泄漏导致甲烷排放上升。勘探、处理、长输储运、输配4个环节甲烷排放是降低趋势，其中对美国天然气系统甲烷减排贡献度最大的是输配环节。

3.2 输配环节甲烷减排相关性分析

输配环节是美国天然气系统甲烷减排最大的贡献者，输配环节甲烷排放来源包含管道泄漏、燃气厂站逸散、用户表逸散、日常维护、开挖5类，探究这5类来源的甲烷减排量对输配环节甲烷减排的最大贡献者，有利于提取美国输配环节甲烷减排经验。计算管道泄漏、燃气厂站逸散、用户表逸散、日常维护、开挖5类来源甲烷排放量和输配环节甲烷排放量的相关系数，见表2。

表2 5类来源甲烷排放量与输配环节甲烷排放量的相关系数

由表2可知，1990年—2020年和输配环节甲烷排放量相关性最强的为燃气厂站逸散甲烷排放量，相关系数为0.996。其次为管道泄漏甲烷排放量，相关系数为0.993。这2类来源的甲烷排放量对输配环节甲烷减排贡献度最高。根据美国输配管网统计数据，单位长度甲烷排放量较低的PE管道里程逐年增加，单位长度甲烷排放量较高的未保护钢管里程逐年降低。美国大规模进行老旧管道的更新改造，带来了天然气系统的甲烷减排。《美国油气行业危险空气污染物新污染源执行标准和新排放标准(2012)》要求天然气行业针对甲烷实行泄漏检测及修复(LDAR)。老旧管道更新改造和实施泄漏检测及修复两个因素促使管道泄漏和燃气厂站逸散造成的甲烷排放大规模降低。呈负相关的是用户表逸散和开挖甲烷排放量，这2类来源的甲烷排放量在1990年—2020年处于增长趋势，对甲烷减排呈现负贡献，但是增排量较小。

3.2.1管道泄漏甲烷减排相关性分析

管道泄漏是对输配环节甲烷减排贡献度较高的来源，探究管道泄漏造成的甲烷排放量与各类型管道泄漏造成的甲烷排放量的相关性，寻找出相关性较强且是降低趋势的管道类型，非常有意义。1990年—2020年各类型管道泄漏甲烷排放量与管道泄漏甲烷排放量的相关系数见表3。

由表3可知，1990年—2020年与管道泄漏甲烷排放量走势一致且相关性很强管道类型分别为：未保护钢管主干管道、铸铁管主干管道、未保护钢管庭院管道、保护钢管庭院管道、铜管庭院管道、PE管主干管道。从美国管网统计数据可以看出，美国主干管道长度一直在增加，但是单位长度甲烷排放量较高的铸铁管、未保护钢管主干管道长度在逐年减少，单位长度甲烷排放量较低的PE管长度在逐年增加，管道的更新促进了甲烷减排。与管道泄漏甲烷排放量呈负相关的管道类型为PE管庭院管道、保护钢管主干管道。统计数据显示，多年来保护钢管主干管道长度基本不变，随着年限增加，保护钢管泄漏的概率逐年增大，对管道泄漏甲烷减排作出负贡献。2020年PE管庭院管道长度相比1990年增加176%，虽然PE管单位长度甲烷排放量低，但是庭院管道长度的暴增，也导致这种类型的管道1990年—2020年甲烷排放增加，对管道泄漏甲烷减排作出负贡献。

表3 各类型管道泄漏甲烷排放量与管道泄漏甲烷排放量的相关系数

3.2.2燃气厂站逸散甲烷减排相关性分析

燃气厂站逸散是输配环节甲烷排放相关性最强的来源之一，探究燃气厂站逸散甲烷排放量与各类型调压站甲烷排放量的相关性，寻找相关性较强的调压站类型，非常有意义。不同类型的燃气调压站甲烷排放量与燃气厂站逸散甲烷排放量的相关系数见表4。表4数据来自美国统计数据，和中国调压站压力划分标准不同。计量调压站指具有计量功能的调压站，地下调压站指建在地下的调压站，只有调压功能且建在地上的称为普通调压站。由于美国统计数据中不含进站压力小于0.27 MPa的计量调压站和地下调压站，故本文不讨论该情况。

由表4可以看出，1990年—2020年与燃气厂站甲烷减排走势一致且相关性很强的类型分别为：计量调压站A、计量调压站B、普通调压站A、普通调压站B、地下调压站A，这5类调压站对燃气厂站的甲烷减排贡献度最大，主要由于美国在进站压力0.68 MPa以上的计量调压站和普通调压站实施了泄漏检测及修复(LDAR)措施。呈负相关且相关性最强的为地下调压站C，这个类型调压站对厂站甲烷减排起负作用，但是增排量极小。

表4 不同类型的燃气调压站甲烷排放量与燃气厂站逸散甲烷排放量的相关系数

4 对中国天然气行业的启示

注重老旧管道更新。随着服役时间增长，我国的管道越来越旧，面临的管道泄漏压力也越来越大。因此要注重老旧管道更新，优选甲烷排放因子低的管材，既能保障天然气管道的安全性，又能提高甲烷减排潜力。

加大泄漏检测及修复(LDAR)。通过LDAR，可以对阀门、法兰等进行检测，精准度极高，因此我国天然气厂站要想达到高精准度泄漏检测，应加大实施LDAR措施。燃气厂站甲烷检测可以参考美国成熟的泄漏点定位、确定泄漏量、检测组件、修复泄漏组件以及记录保存流程[1]，提高燃气厂站甲烷减排潜力。

加大甲烷排放实测。下游城市燃气行业甲烷排放历史数据缺乏，有时根据天然气排放因子和活动水平进行理论计算的甲烷排放数据低于实测值。因此，要鼓励燃气企业采用多种检测、监测方法进行本企业所属天然气设施的实测，获得甲烷实测排放数据，同时和理论计算排放数据进行交叉验证[2]。