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  石油与天然气化工  2025, Vol. 54 Issue (1): 158-164
引用本文
李惠, 李巩, 孙峰, 江丽, 徐炳科, 刘斯琪, 陈建军. LDAR技术在天然气净化厂甲烷减排中的应用[J]. 石油与天然气化工, 2025, 54(1): 158-164.   DOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2025.01.021
LI Hui, LI Gong, SUN Feng, et al. LDAR technology application of methane emission reduction in natural gas purification plants[J]. Chemical Engineering of Oil & Gas, 2025, 54(1): 158-164. DOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2025.01.021
LDAR技术在天然气净化厂甲烷减排中的应用
李惠1,2 , 李巩3 , 孙峰1,2 , 江丽1,2 , 徐炳科1,2 , 刘斯琪1,2 , 陈建军1     
1. 中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院;
2. 国家能源高含硫气藏开采研发中心;
3. 中海油能源发展有限公司工程技术公司
收稿日期：2024-08-29
作者简介：李惠，1984年生，工程师，大学本科，2006年毕业于西安石油大学化学工程与工艺专业，现从事环境监测工作。E-mail: lihui0101@petrochina.com.cn.
摘要：目的 针对天然气净化厂的甲烷逸散排放问题，试点开展甲烷泄漏检测与修复（LDAR）技术，以研究其甲烷减排效果。方法 通过在天然气净化厂开展甲烷泄漏检测与修复，对比修复前后的甲烷排放量，确定LDAR技术在天然气净化厂甲烷减排中的应用效果。结果 对天然气净化厂装置进行泄漏检测，共发现甲烷泄漏密封点57个，全厂甲烷排放量11 696 kg/a，进行泄漏点修复后，甲烷排放量减至531 kg/a，减排甲烷11165 kg/a，减排率达95.46%。结论 针对天然气净化厂的甲烷逸散排放，通过开展泄漏检测与修复，显著减少了甲烷排放量，为LDAR技术在油气行业甲烷减排的推广应用提供参考。
关键词：天然气净化厂    甲烷减排    逸散排放    泄漏检测与修复(LDAR)    
LDAR technology application of methane emission reduction in natural gas purification plants
LI Hui1,2 , LI Gong3 , SUN Feng1,2 , JIANG Li1,2 , XU Bingke1,2 , LIU Siqi1,2 , CHEN Jianjun1     
1. Research Institute of Safety, Environment Protection and Technology Supervision, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu, Sichuan, China;
2. National Energy R&D Center of High Sulfur Gas Exploitation, Chengdu, Sichuan, China;
3. CNOOC Energy Development Co., Ltd. Engineering Technology Branch, Tianjin, China
Abstract: Objective In response to the methane emission problem during the natural gas treatment process of purification plants, the pilot of methane leak detection and repair (LDAR) technology was carried out to study its effect of methane emission reduction. Method By conducting methane leak detection and remediation in natural gas purification plants, and comparing the methane emissions before and after remediation, the application effect of LDAR technology in methane emission reduction in natural gas purification plants was determined. Result A leak detection was conducted on the natural gas purification plant equipment, and a total of 57 methane leakage sealing points were found. The total methane emissions of the plant were 11 696 kg/a. After repairing the leakage points, the methane emissions decreased to 531 kg/a, reducing methane emissions by 1 1165 kg/a, and the emission reduction rate reached 95.46%. Conclusion In response to the methane emissions from natural gas purification plants, leak detection and remediation have significantly reduced methane emissions, providing reference for the promotion and application of LDAR technology in methane emission reduction in the oil and gas industry.
Key words: natural gas purification plant    methane emission reduction    emission    leak detection and repair(LDAR)    

甲烷是温室效应比CO2更强的温室气体，尽管甲烷仅能在大气层中存在12年，但它的一百年内变暖潜力是CO2的28倍，20年的增温潜力是CO2的84倍[1]。根据联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的统计，大气中32%的甲烷是通过逸散排放的，这个比例占到大气温室气体排放的6%。与分散式的农业生产相比，天然气工业的甲烷排放更容易控制，经济效益也更高。甲烷作为天然气中占比最多的气体，在气田钻探、开采、处理、输送、存储、分配、终端使用等过程中均会存在甲烷排放[2]。近年来，随着全球各国越来越重视控制温室气体的排放，天然气开发中的甲烷排放管制已逐步成为全球温室气体减排的一个重要内容。降低甲烷的排放量是全球减碳的一个主要方面，同时也是在短期内最直接、最有效的方法。要做到这一点，最有效的方法之一就是瞄准“逃逸的”排放物——在天然气开采、处理和运输中，甲烷的排放伴随着系统的运转全过程，而逃逸排放则是由阀门、连接件、压缩机、天然气发动机和输配线等系统的正常维护、系统扰动（例如超压事故、泄压系统）导致的[3]。针对甲烷逸散排放开展泄漏检测与修复（LDAR）技术，对油气生产装置潜在的泄漏点进行检测，及时发现存在泄漏现象的组件，并进行修复或替换[4-9]，从而减少设备泄漏，降低或消除甲烷逸散排放[10-14]。

LDAR技术在炼油、石化等行业中得到了广泛应用，但在天然气开采和处理中用来控制甲烷排放还未大规模开展。近年来，随着全球各国越来越重视控制全球温室气体排放，天然气开发中的甲烷排放管制已逐步成为全球减排的一个重要内容。我国在加入了应对全球气候变化的《巴黎协定》后，积极进行碳减排工作，提出了“双碳”的战略目标，针对油气行业甲烷逃逸排放，我国生态环境部发布的《碳监测评估试点工作方案》要求重点行业开展温室气体监测试点工作，试点内容明确石油天然气行业以甲烷监测试点为主[15]。中石油某气田天然气净化厂借鉴挥发性有机物泄漏检测与修复技术，试点开展了甲烷泄漏检测与修复。本研究通过对该天然气净化厂开展甲烷泄漏与检测的数据进行统计，并分析各装置密封点的泄漏率、修复率、甲烷排放量、甲烷减排量等，为国内上游油气开采、处理等行业的甲烷逃逸减排提供案例借鉴。

1 LDAR技术在天然气净化厂的应用
1.1 天然气净化厂概况

天然气净化厂（以下简称净化厂）主要涉及的工艺包括脱硫工艺、脱水工艺、硫磺回收工艺等，涉及的装置主要包括过滤分离 、脱硫脱碳、脱水、硫磺回收装置等。净化厂通过净化装置，对来自集气站的原料天然气进行处理，产品气全部进入输气管道，硫化氢等含硫介质通过硫磺回收装置和成型装置生产硫磺产品。

从安全的角度考虑，对天然气生产过程中的甲烷排放进行了严格的控制。然而，在天然气供应链中，所涉及到的大部分设备都是由阀门、连接件、管道等部件构成的，甚至在这些装置的封闭位置，也会有不同程度的甲烷泄漏[16]。因此，利用LDAR技术，对净化厂的甲烷泄漏进行系统地检测，发现泄漏点并及时进行修复，以减少甲烷的逸散排放。

1.2 LDAR检测工作流程
1.2.1 检测方法

针对净化厂开展了甲烷泄漏检测与修复工作，检测标准参考GB 39728—2020《陆上石油天然气开采工业大气污染物排放标准》[17]、GB 37822—2019《挥发性有机物无组织排放控制标准》[18]，HJ 1230—2021《工业企业挥发性有机物泄漏检测与修复技术指南》[19]。

1.2.2 监测范围和点位布设

开展LDAR的范围覆盖净化厂装置的全部设备组件与动静密封点，主要涉及甲烷流经或接触的设备或管道，包括泵、压缩机、搅拌器、阀门、泄压设备、取样连接系统、开口阀或开口管线、法兰、连接件和其他共10大类。监测点位布设满足油气甲烷伙伴关系（OGMP）指导文件《开展甲烷排放调查：排放识别与量化设备》（2017年5月版）、《石化企业泄漏检测与修复工作指南》（环办[2015]104号）等相关标准要求[20-21]。

1.2.3 检测工作流程

梳理统计监测点位，现场检测人员对照点位清单，准备检测仪器与校准仪器，进行环境本底值检测，并完成密封点建档，有序开展现场检测工作，包括记录泄漏点位信息，记录泄漏值等。

参照GB 39728—2020，若出现以下情况，则认定发生了泄漏。

1） 密封点存在渗液、滴液等可见的泄漏现象。

2） 密封点泄漏检测值超过表1规定的泄漏认定值。本次检测采用重点地区泄漏认定标准，检测值大于2 000 μmol/mol即认定发生泄漏。

表 1    设备与管线组件密封点的 VOCs 泄漏认定值

按照工作流程（见图1），分别对受控密封点实施现场检测和泄漏修复工作。

图 1     甲烷泄漏检测及修复流程图

2 数据统计与分析
2.1 检测仪器及核算方法

检测仪器采用火焰离子检测器（FID），检测结果的单位为μmol/mol，检测值显示在显示器上。甲烷排放量核算方法参考《石化行业VOCs污染源排查指南》（环办[2015]104号）相关计算方法。

2.2 密封点数量统计

净化厂按密封点类型进行统计，共计密封点19255个，可达密封点19229个，不可达密封点26个（因空间间隔太小、位置太高或其他技术和安全因素而导致无法进行检测的设备密封点为不可达密封点），不可达率为0.14%。

由统计可知，净化厂检测组件数量最多的为连接件（螺纹连接），占比47.3%；其次为法兰、阀门、开口阀或开口管线，分别占比30.6%、19.5%、2.2%；然后为其他组件，如泵（轴封）、泄压设备（安全阀）、取样连接系统，占比0.4%。

对19 229个可达密封点进行检测，共检测到泄漏点57个，约占总可达密封点的0.30%。其中，泄漏点最多的组件为连接件，有32个，泄漏率为0.35%，其次是法兰泄漏点13个，泄漏率为0.22%，阀门泄漏点11个，泄漏率为0.29%，开口阀检测出泄漏1处，泄漏率为0.23%，泵、泄压设备、取样连接系统未检测出有泄漏。可以看出，不同类型的设备组件泄漏个数与组件的数量成正比，数量最多的连接件、法兰、阀门，其泄漏点数量相比其他组件也就更多（见表2）。

表 2    密封点数量及甲烷泄漏点统计表

2.3 可达密封点甲烷泄漏排放量

目前，甲烷泄漏排放量的计算方法参照《挥发性有机物排污收费试点办法》附件2：《石油化工行业VOCs排放量计算办法》（试行）与《石化行业VOCs污染源排查指南》的计算方法，将测得的净检测值转化为排放量，同时，通过生产装置运行数据记录气体中甲烷气质组分含量，记录装置全年运行时间。本项目的排放速率选择使用相关公式进行核算，如式（1）所示。通过对各可达密封点进行现场检测，将得到的泄漏检测值代入相关方程，可得出设备的甲烷排放速率，组件的设备泄漏率如表3所列。

表 3    石油化工设备组件的设备泄漏率

Q=Vωt (1)

式中：Q为泄漏排放量，kg/a；V为排放泄漏率，kg/h；ω为甲烷质量分数，%；t为年排放时间，h。

检测结果显示，可达密封点转化为无组织的甲烷泄漏排放量为11696 kg/a（见表4）。由表4可知，甲烷泄漏排放量最多的组件为连接件，泄漏量为8411 kg/a，泄漏量占比71.91%，其次为法兰和阀门，泄漏量占比分别为23.04%和4.89%，其他密封点甲烷泄漏排放量占比为0.16%。可见泄漏量与泄漏点数量呈正相关。

表 4    可达密封点甲烷泄漏排放量

2.4 不可达密封点甲烷排放量

本次检测共有26个不可达密封点，不可达密封点因不具备检测条件，根据密封点类型，不可达密封点采用平均排放系数法进行排放量核算。

石油化工平均组件排放系数见表5。

表 5    石油化工平均组件排放系数

通过核算，不可达密封点甲烷排放量为468 kg/a，不可达点占甲烷排放总量的4%，不同类型的不可达密封点的排放情况如表6所列。

表 6    不可达密封点甲烷泄漏排放量

2.5 泄漏原因及修复措施

对泄漏原因进行了初步分析，连接件、法兰和阀门在数量较多的情况下发生泄漏的点位数和泄漏率均会更高，这应该与各组件因设备连续振动导致的连接松动产生的泄漏有关，其修复措施如下述3项，具体的防泄漏措施见表7。

表 7    防泄漏措施实施表

1） 法兰、连接件泄漏为净化厂甲烷泄漏最大的排放源，分析原因是净化厂运行过程中螺栓螺母的松懈、垫片的磨损及生锈造成的，可以通过扭紧螺栓螺母、更换垫片、缠绕密封生料带或涂抹密封胶等对其进行修复。

2） 阀门泄漏主要发生在阀门阀杆与填料压盖或压板之间，通过适当扭紧压盖或压板螺栓上的螺母消除泄漏，对于通过扭紧螺母无法消除泄漏的阀门，则需要退出阀门上下游物料，打开阀门填料压盖或压板（取出压套），检查并更换阀门填料或阀杆。

3） 开口阀或开口管线泄漏的原因可能是末端阀门未关紧，在关紧阀门的情况下发生的泄漏，可以通过加装一道阀门或根据阀门、管线的末端实际状况安装盲板或丝堵。

2.6 修复后甲烷排放量

对净化厂的甲烷泄漏检测出的泄漏点在5日内进行修复，修复率为100%。对泄漏点修复后再次进行测定，连接件修复后测定甲烷排放量为218 kg/a，通过修复减排甲烷8 193 kg/a；法兰测定泄漏量为177 kg/a，通过修复减排甲烷2 518 kg/a；阀门排放量118 kg/a，通过修复减排甲烷454 kg/a，修复后甲烷排放总量为531 kg/a，通过开展泄漏检测与修复减排甲烷111 65 kg/a，甲烷减排率达到95.46%（见表8）。图2所示为进行甲烷泄漏检测与修复前后的排放量对比。

表 8    泄漏检测修复后的甲烷排放量

图 2     净化厂甲烷泄漏检测修复前后排放量对比图

从图2可看出，针对检测出的设备泄漏点进行修复后，连接件、法兰和阀门的甲烷排放量减少非常明显，而泵、泄压设备、取样连接系统、开口阀或开口管线等组件因检测过程中未检出大于2 000 μmol/mol的泄漏点，所以未对检测值＜2 000 μmol/mol的设备组件进行修复。

3 结果与讨论

1） 净化厂设备组件包括了螺纹连接、法兰、阀门、开口管线等8类，组件数量最多的为连接件（螺纹连接），其次为法兰、阀门、开口阀或开口管线，占比分别为47.3%、30.6%、19.5%和2.2%，其他组件占比0.4%。在对净化厂的甲烷泄漏检测中，连接件的甲烷泄漏率最高，占比71.9%，其次是法兰和阀门，泄漏占比分别23.0%和4.89%。净化厂泄漏率和密封点数量多少相关，说明在密封点数量较多的情况下发生泄漏的点位数和泄漏率均更高，分析其原因设备连续振动而导致连接松动产生的泄漏。建议净化厂在运行过程中持续对连接件及法兰等组件进行检查和修复，可以有效地减少甲烷的逸散排放量。

2） 通过对净化厂检测出的甲烷泄漏点进行精准修复，该净化厂的甲烷排放量从11 696 kg/a降低到531 kg/a，共实现甲烷减排111 65 kg/a，减排率达95.46%，说明对泄漏密封点进行的修复有效地减少了净化厂运行过程中因设备组件松动产生的甲烷逸散排放，甲烷减排效果明显。

3） 在进行LDAR技术检测过程中，其中有部分设备密封点因为位置或者安全等因素原因无法进行检测（不可达密封点），其甲烷泄漏值按照《石油化工行业VOCs排放量计算办法》（试行）进行计算，排放量数值与实际排放量存在差异，从而无法准确地反映不可达密封点真实的甲烷泄漏量，此情况可以结合使用红外热成像技术来确定不可达密封点有无气体泄漏。

4） 泄漏检测中的修复主要针对检测值大于2 000 μmol/mol的组件泄漏点，实际甲烷排放小于2 000 μmol/mol的泄漏点在数量很多的情况下，排放的甲烷也不可忽视，建议净化厂按周期对设备组件进行紧固，以减少逸散泄漏。

4 结语

LDAR技术在天然气净化厂的应用展现了其在甲烷减排方面的显著效果，不仅减少了温室气体的排放，而且还带来了经济效益和降低了安全风险。但是，LDAR技术在行业推广应用过程中还需考虑其他相关因素，例如，技术应用的地区性差异、行业具体特点、政策法规制约、经济效益驱动等。综合考虑这些要素，是确保LDAR技术得以高效实施和广泛应用的关键。同时，还需持续投资于检测设备的更新，保证技术水平与时俱进，以提高泄漏检测的准确性和修复工作的有效性。未来，随着检测与修复技术的不断进步，LDAR技术在油气生产甲烷减排的应用前景将更加广阔。

参考文献
[1]
Intergovernmental Panel on Climate Change. Climate Change 2014:Mitigation of Climate Change[M]. Cambridge:Cambridge University Press,2015.
[2]
ALVAREZ R A, ZAVALA-ARAIZA D, LYON D R, et al. Assessment of methane emissions from the U. S. oil and gas supply chain[J]. Science, 2018, 361(6398): 186-188. DOI:10.1126/science.aar7204
[3]
EPA. Inventory of U. S. greenhouse gas emissions and sinks:1990-2015[R/OL]. [2018-08-06]. https://www.epa.gov/sites/production/files/2017-02/documents/2017_complete_report.pdf.
[4]
压缩机厂房可燃气体泄漏扩散的数值模拟[J]. 石油与天然气化工, 2018, 47(1): 115-120.
[5]
含硫天然气管道泄漏事故数值模拟与分析[J]. 石油与天然气化工, 2013, 42(2): 201-204. DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2013.02.023
[6]
某大型LNG储罐泄漏扩散及其影响因素研究[J]. 天然气与石油, 2020, 38(1): 47-53. DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2020.01.008
[7]
泄漏检测与修复技术在某天然气处理厂的应用[J]. 油气田环境保护, 2020, 30(6): 51-54. DOI:10.3969/j.issn.1005-3158.2020.06.014
[8]
泄漏硫化氢干法应急处置安全性及工艺研究[J]. 石油与天然气化工, 2024, 53(3): 1-7. DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2024.03.001
[9]
天然气泄漏扩散实验与高斯预测模型优化[J]. 天然气工业, 2024, 44(7): 154-164. DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2024.07.013
[10]
碳中和目标下我国天然气行业甲烷排放控制及相关科学问题[J]. 中国矿业, 2021, 30(4): 1-9. DOI:10.12075/j.issn.1004-4051.2021.04.038
[11]
碳中和背景下中国“十四五”天然气行业发展[J]. 天然气工业, 2021, 41(02): 171-182. DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2021.02.02(
[12]
“双碳”目标下的中国CCUS技术挑战及对策[J]. 油气藏评价与开发, 2024, 14(1): 1-9.
[13]
推动能源领域科技创新 引领中国新型能源体系建设[J]. 世界石油工业, 2024, 31(1): 1-5.
[14]
碳达峰碳中和目标下国内天然气净化厂运行现状与展望[J]. 石油与天然气化工, 2023, 52(1): 25-31. DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2023.01.005
[15]
生态环境部工作部署. 关于印发《碳监测评估试点工作方案》的通知:环办监测函〔2021〕435号[EB/OL]. (2021-09-12). https://news.sohu.com/a/528181121_484815.
[16]
国家发展和改革委员会应对气候变化司. 2005中国温室气体清单研究[M]. 北京:中国环境出版社,2014.
[17]
中国石油集团安全环保技术研究院有限公司,中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司,中国石油大学(华东),等. 陆上石油天然气开采工业大气污染物排放标准:GB 39728—2020[S]. 北京:中国环境科学出版社,2020.
[18]
生态环境部,国家市场监督管理总局,等. 挥发性有机物无组织排放控制标准:GB 37822—2019[S]. 2019.
[19]
生态环境部. 工业企业挥发性有机物泄漏检测与修复技术指南:HJ 1230—2021[S]. 2021.
[20]
炼油厂VOCs回收装置现状分析及技术升级改造[J]. 石油与天然气化工, 2019, 48(2): 33-36. DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2019.02.006
[21]
环境保护部办公厅. 关于印发《石化行业VOCs污染源排查工作指南》及《石化企业泄漏检测与修复工作指南》的通知:环办[2015]104号[EB/OL]. (2015-11-17). https://www.mee.gov.cn/gkml/hbb/bgt/201511/t20151124_317577.htm.
LDAR技术在天然气净化厂甲烷减排中的应用
李惠 , 李巩 , 孙峰 , 江丽 , 徐炳科 , 刘斯琪 , 陈建军