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曹慧哲1、2，王昊1、2，时海生1、2，董建锴1、2，徐先港1、2，解东来3，刘晓东4
（1.哈尔滨工业大学 建筑与设计学院， 黑龙江 哈尔滨 150090； 2.哈尔滨工业大学 寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150090； 3.美国环保协会， 美国 纽约 10010； 4.惠州市惠阳区建设工程质量事务中心， 广东 惠州 516211）
摘要：阐述城镇燃气输配系统泄漏源识别和分类及量化方法，根据甲烷泄漏源规模，将泄漏源划分为部件级、管道级、厂站级。归纳分析欧美城镇燃气输配系统甲烷泄漏量化方法的工作原理、特点及适用范围，结合我国城镇燃气输配系统甲烷排放量化现状，提出建议。
关键词：城镇燃气；输配系统；甲烷泄漏；量化方法
参考文献示例：
曹慧哲，王昊，时海生，等. 欧美城镇燃气输配系统甲烷泄漏量化方法［J］. 煤气与热力，2025，45（1）：B40-B46.
2022年，全国天然气消费量3 646×108 m3，同比下降1.2%；尽管如此，在一次能源消费总量中占比8.4%的天然气，其体量依然巨大［1］。在“双碳”目标和“十四五”规划的背景下，城镇燃气系统用气规模持续增加，天然气泄漏的可能性也随之增加。由于天然气的主要成分甲烷是一种具有快速增温效应的短寿命强势温室气体，其全球变暖潜能在100 a和20 a时间尺度下分别是二氧化碳的29.8倍和82.5倍［2］，可见为了保证城镇燃气行业高速发展的同时减轻其对气候变暖的影响，对城镇燃气系统各环节的甲烷泄漏进行量化尤为重要。
目前，我国油气行业甲烷泄漏量估算采用联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的《1996年IPCC国家温室气体清单指南》中第一层级、第三层级相结合的方法进行，其中的甲烷排放因子主要参考加拿大油气行业的早期数据（2005年）［3］。然而，随着全球范围内计量调压设备的升级、燃气管网的更新改造以及甲烷排放测量新技术的运用，大量关于甲烷泄漏的研究表明，甲烷在温室气体清单中的估算值远低于实际排放量［4］。例如，Lamb等人［5］采用分层抽样法对美国城镇燃气输配系统中的230处埋地管道泄漏点和229个计量调节装置进行直接测量，发现估算的输配系统甲烷排放量比美国环境保护署（EPA）公布的温室气体清单值（GHGI）低36%~70%。由于我国燃气输配系统与欧美国家存在巨大差异，使用现有排放因子得到的估算值与国内实际情况不符，无法准确体现输配系统甲烷排放的实际状况，急需借鉴国外的先进技术对我国燃气输配系统进行大规模的甲烷排放实测，以期得到准确的排放数据。
为此，本文对欧美先进的甲烷泄漏量化技术进行归纳分析，包括原理、仪器和应用实例，以便为国内城镇燃气输配系统甲烷泄漏量的测算以及排放因子的更新提供技术支持。
美国环保协会（EDF）的研究成果表明，城镇燃气输配系统从起始端的门站进站管到末端的用户燃气表之间的所有设备、组件和连接处均存在甲烷泄漏的可能性［6］。因此量化输配系统的甲烷泄漏，需要先识别并区分系统中的泄漏源，以便按类选择合适的方法量化输配系统中各部分的甲烷泄漏。
根据排放类型不同，EPA、美国石油学会（API）、欧洲燃气工业技术协会（MARCOGAZ）将城镇燃气输配系统中的泄漏源分为逃逸排放和放散排放；根据设施类型不同，黄丽丽等人［6］将泄漏源分为埋地燃气管道排放、燃气厂站排放和末端用户排放；欧洲天然气研究小组（GERG）按照固有排放、作业排放和事件排放进行分类，而杨硕等人［7］则提出了稳定排放和不稳定排放的分类方法。
为方便后续甲烷排放现场实测，本文按照排放规模将城镇燃气输配系统中的泄漏源分为部件级、管道级和厂站级，详见表1。
该方法基于质量平衡原理，通过采样器捕获部件泄漏的全部气体以及一定量的周围空气，准确测量采样气流流量、该气流中甲烷的体积分数和甲烷背景体积分数，计算得到甲烷泄漏速率；随后在采样时间内对瞬时的甲烷泄漏速率积分，得到该部件处甲烷的泄漏速率，其计算式［8］为：
Hi-Flow采样器见图1，主要技术参数见表2。在实际测量时，测量人员首先需探明泄漏位置，然后使用防静电袋将泄漏源密封包裹以捕获泄漏气体，同时使用光学气体成像（Optical Gas Imaging，OGI）相机等设备观察部件处泄漏甲烷的捕捉情况，确保采样器捕捉到了部件处泄漏的所有甲烷。为确保测量数据的有效性和准确性，采样器需要在2种采样流量下进行测量，第1次尽可能在最大采样流量qVS，max下测量，第2次在（70%~80%）qVS，max采样流量下测量，若2种采样流量下测得甲烷泄漏速率的相对偏差绝对值在10%以内，则可认定采样器捕获到了该部件泄漏的所有甲烷，测量结果是可信的。
目前，Hi-Flow点源测量法已大规模用于部件级甲烷泄漏速率检测。Zimmerle等人［9］在一项研究中使用其对遍布美国的180处集气压缩站的连接器、阀门、仪表等部件进行了1 153次测量，并进一步得到各种常见部件的排放因子。这些排放因子较EPA温室气体报告计划中的数据高1.6~11.0倍。
鉴于Hi-Flow采样器在催化氧化和热导性模式之间切换时可能发生故障，此时测量得到的甲烷泄漏速率曾受到一定的质疑。Howard等人［10］研究显示，在甲烷泄漏速率测量过程中，采样器在甲烷体积分数低于91%时可能出现模式切换失败，在高于97%时可能低估泄漏源的甲烷泄漏速率［11］。虽然有证据表明部分Hi-Flow采样器在一定条件下会发生故障，但其发生频率和对测量结果的影响程度尚不清晰［12］；当然，当严格遵循仪器的校准和使用程序时，该仪器仍可以提供有效的测量数据。
该方法同样基于质量平衡原理，适用于甲烷泄漏速率稳定的甲烷泄漏源，可测量得到平均甲烷泄漏速率［7］，但无法得到瞬时甲烷泄漏速率。通常在实测时将防静电袋或其他特制塑料袋套在泄漏源处，只要测得固定时间内袋内气体的体积及该气体中的甲烷体积分数，即可得到该时间段内甲烷泄漏速率。
装袋法对泄漏源取样点的要求较高，首先甲烷的泄漏速率不能过大，其次要求防静电袋必须完全封闭泄漏源。如果泄漏源出现无法封闭、表面温度高、操作人员无法安全接触或甲烷的泄漏量超出防静电袋的容量等情况，则不能使用该方法。上述要求导致装袋法的使用频率较低，目前主要应用于城镇燃气输配系统中仪表等部件处甲烷泄漏速率测量。Zimmerle等人［9］在量化集气压缩站部件处的甲烷泄漏时，使用容积为0.914 4 m3的防静电袋对4处排放量超出Hi-Flow采样器测量范围的甲烷泄漏源进行了多次测量。Mandal等人［13］使用聚乙烯塑料袋对城市门站和调压计量站中泄漏速率高于0.3 m3/min的排污阀、管道接头、减压阀等泄漏源进行测量并得到各部件的平均甲烷泄漏速率。
该方法主要用于测量埋地燃气管道的甲烷泄漏速率，是Hi-Flow点源测量法的延伸，二者在原理、计算公式和采样器设置等方面完全一致。使用该方法对埋地燃气管道泄漏源进行检测时，首先使用氢火焰离子化检测器等确定甲烷体积分数高于大气正常水平的甲烷泄漏区域；随后，绘制泄漏区域的平面图并进行网格划分；最后，利用甲烷泄漏捕集设备覆盖该区域，并使用Hi-Flow采样器开展测量［14］。
Lamb等人［5］使用该方法对230处埋地燃气管道的甲烷泄漏速率进行了测量。在硬质PVC框架上覆盖塑料膜制成捕集罩，并在入口处连续测量得到环境中甲烷背景体积分数，并使用Hi-Flow采样器持续测量抽气过程中捕集罩覆盖区域泄漏的甲烷体积分数和采样流量，进而得到甲烷泄漏速率。美国天然气工艺研究院（GTI）［14］采用Hi-Flow管道测量法对76处聚乙烯管、未设阴极保护的钢管以及设有阴极保护的钢管埋地燃气管道泄漏进行了测量，发现不同管道材料对平均甲烷泄漏速率没有显著影响。
计算法主要适用于时间短、不稳定、排放量大且难以及时进行直接测量的甲烷泄漏量化问题，例如管道放散或吹扫等作业排放、管道挖断等事故排放。此外，由于计算原理明了，该方法也可应用于甲烷泄漏速率小且稳定的管道渗漏量化计算。
计算法利用管道特性、气体状态参数等易得数据，结合数学模型来间接确定管道的甲烷泄漏速率。在文献［15］中，给出了被欧美国家广泛使用的单位长度管道甲烷泄漏速率计算式：
目前，由于文献中的甲烷渗透系数单位杂乱，影响了计算法的使用及结果比较，为此欧洲天然气研究小组［16］将所有甲烷渗透系数单位进行了统一，以方便该方法的使用。由于式（2）中的甲烷渗透系数未考虑管道周围土壤温度，故Schütz等人［17］针对此问题展开了研究，他们在不同环境温度下进行了实验，发现甲烷渗透量随着温度降低而显著下降。因此，Schütz等人根据实验数据生成了体现土壤温度影响的补偿函数，以提高计算法的准确性。
由EPA发布的Other Test Method 33A（OTM33A）测量法是一种车载下风向检测方法，基于大气污染地理空间远距离测量技术。该方法适用于在甲烷泄漏源下风侧20~200 m范围内的实时监测，可获取甲烷体积分数、风速、风向、测量点与泄漏源间的距离等，以及检测区域的大气压力、空气温度、湿度等气象参数。再利用上述数据通过数学模型进行反演，得到泄漏源处甲烷泄漏速率。厂站测量中最常用的数学模型是高斯点源扩散方程［18］：
其中σy、σz是关于下风向测量距离和大气稳定度的函数，ρp根据甲烷质量浓度测量值经高斯分布拟合得到［19］。测试人员为便于移动检测，通常将检测设备、全球定位系统、数据采集系统和移动电源［18，20］安装在货车上组成移动实验室，图2为美国怀俄明大学自制的检测车［18］。为了最大限度减少来自车身或地面的气流干扰，在吸入空气、测量气象参数时，三维超风速仪A、便携式气象站B和带进气口的桅杆C需要设在车前保险杠上方一定高度处。
使用OTM33A测量法进行测量时，首先需要将车辆定位在满足下风向观测的位置，确保带进气口的桅杆面向甲烷泄漏源。然后，利用甲烷浓度分析仪测得的实时浓度对观测位置进行微调，以尽可能减少车辆附近障碍物对测量的影响。一旦确定了检测点，关闭车辆发动机，使用移动电源为各设备供电，数据采集系统自动记录所测数据。随后，根据EDF提供的高斯点源算法Matlab程序计算泄漏源甲烷的泄漏速率［19］。OTM33A测量法具有不需进入厂站的优点和较好的泄漏量化精度，但该方法要求实测现场具备开阔的场地和持续稳定的风速条件［20］。
Bhandari等人［21］使用OTM33A测量法对俄亥俄州16处计量调压站冬季的甲烷泄漏速率进行了测量，获得的排放因子为12.47 g/min，远高于GHGI的4.06 g/min。Robertson等人［22］在新墨西哥州采用相同方法测量71处井场甲烷泄漏速率后，发现实测值是EPA公布的国家排放清单（NEI）的5.5~9.0倍。然而，Bell等人［23］采用Hi-Flow测量法、示踪气体法和OTM33A测量法对阿肯色州268处页岩气的生产设施进行测量，发现OTM33A测量法的精度低于其他两种测量方法。
示踪气体法假设泄漏的甲烷和释放的示踪气体完全协同扩散，通过两种气体的体积分数与示踪气体释放速率来测量甲烷泄漏速率。具体操作时：首先，在泄漏源附近以恒定释放速率释放乙炔（C2H2）、氧化亚氮（N2O）、六氟化硫（SF6）等常用的示踪气体；然后，通过车载平台或开放路径仪器在下风侧的羽流处设置横切测点，测量整个羽流中接近地面的甲烷和示踪气体的体积分数；最后，将这些数据代入相应的计算式，估算甲烷的排放量［24-25］。示踪气体法甲烷排放质量流量计算式为：
使用示踪气体法进行甲烷泄漏速率测量需要配备特定的设备并执行一系列步骤。相比于OTM33A测量法，示踪气体法还需要配备示踪剂释放系统以及示踪气体浓度分析仪。在进行测量时，首先驾驶移动实验室遍历研究区域附近的道路，选择合适的测量路径，并记录大气中甲烷背景体积分数。然后，使用OGI相机等设备寻找主要泄漏源，从而确定示踪气体的释放位置并以恒定速率释放示踪气体；为使甲烷和示踪气体充分混合，需根据泄漏源的物理尺寸、大气条件、泄漏源与测量点之间的地形等因素确定测量距离。接下来，驾驶移动实验室多次横切羽流，同时测量甲烷和示踪气体的体积分数，最终计算得到甲烷泄漏速率［26］。示踪气体法对于风向、风速的要求相对OTM33A测量法可适当放宽，但示踪气体的释放可能受到安全许可的限制。
Mønster等人［27］使用示踪气体法测量丹麦垃圾填埋场的甲烷泄漏速率，发现不同时间段的甲烷泄漏速率存在较大差异，通过分析各项气象参数及填埋场内的人为活动，发现可能与大气压力的变化有关。Allen等人［28］为验证等效弥散的假设，采用双示踪气体法在产生甲烷站点的不同位置释放乙炔和氧化亚氮两种示踪气体。结果显示，如果示踪气体和甲烷等效弥散，则它们的羽流将重叠，且浓度增量高度相关。此外，当目标场地面积较大且潜在泄漏源较多时，可以通过在不同潜在泄漏源处释放多种示踪剂来确定泄漏源的大致位置。
无人机测量法是一种基于质量平衡原理进行甲烷泄漏检测的方法。该方法利用无人机在上风向羽流和下风向羽流处的若干设定高度处进行测量，以获取甲烷浓度数据。理想情况下，测量路径应覆盖甲烷羽流扩散的高度和宽度范围，以便创建二维浓度平面。结合测量时的风速和风向，可以计算出甲烷泄漏速率［29］。
目前，无人机测量法主要有3种应用方案。其中，最为广泛使用的方案是利用无人机采集并储存空气样本，然后使用仪器对样本进行分析。Andersen等人［30］设计了一款名为AirCore的主动采集设备，通过内部微型泵连续缓慢地采集空气样本，并将其储存到一个50 m长的容器中。采集完成后，操作人员使用气体浓度分析仪分析样品，并结合飞行中记录的气象参数和地理信息，得到沿飞行轨迹的甲烷浓度间断分布。
第2种方案是通过采样管将飞行器连接至地面检测仪器，从而获取连续分布的甲烷浓度。Allen等人［31］在无人机上安装了一条长达100 m的采样管，连接至地面高精度气体分析仪，实现了对空气的连续采样测量。然而，研究人员发现采样管有可能缠绕在无人机或地面物体上，并且其长度限制了无人机的采样范围。
在厂站级甲烷泄漏量化方法中，目前最广泛使用的是OTM33A测量法，而示踪气体法通常用于规模较大的测量对象，国外研究人员越来越倾向于采用无人机测量方法，这可能是未来的发展趋势。
① 根据甲烷泄漏源规模，将城镇燃气输配系统中的泄漏源划分为部件级、管道级、厂站级。
② 部件级泄漏源主要采用Hi-Flow采样器进行测量，实测时需严格遵循校准和使用程序，以得到更准确的数据。对于部分甲烷泄漏速率超出采样器量程且符合防静电袋使用要求的部件，可以采用装袋法测量。
③ 管道渗漏、事故排放和作业排放的甲烷泄漏速率难以通过设备直接测得，应采用计算法根据公式间接计算获得。管道的甲烷泄漏速率可通过现场制作的捕集罩与Hi-Flow采样器配合得到。
④ 厂站级泄漏源主要采取OTM33A测量法、示踪气体法、无人机测量法进行测量。目前，OTM33A测量法使用最为广泛，示踪气体法常用于规模较大的测量对象，国外研究人员愈发倾向于无人机测量法。
① 加快甲烷量化设备的研发
Hi-Flow采样器国外已经停产且个别厂家仿制的产品尚未得到充分检验，因此国内实测设备存在缺口。此外，国内泄漏检测过程中高度依赖进口的气体浓度分析仪、甲烷传感器、移动实验室等高精尖设备且其价格昂贵，所以迫切需要国内研究机构或厂家研制性能相仿的设备，以期降低现场实测的设备成本。
② 验证现有方法，开发量化新技术
目前国内关于甲烷泄漏的实测研究较少，欧美研究人员采用的各种方法在中国的可行性急需验证。此外，甲烷泄漏速率大且无法使用装袋法的部件等泄漏源缺乏适配的测量方法，国内学者应针对此问题开展创新性研究。
③ 搭建甲烷量化共享平台
高校与科研院所的量化方法、厂家的检测设备和燃气公司的油气系统均具备各自优势，可通过甲烷量化共享平台紧密合作、取长补短，希望通过检测设备、量化方法、实测数据等方面的共享助推国内油气系统甲烷泄漏量化的进程。
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