城镇燃气供应企业甲烷减排技术实践研究

王杰，刘旭，袁成龙，李旭，崔斌

(北京市燃气集团有限责任公司第五分公司，北京 100044)

0 引言

随着全球天然气消费量的稳步增长，其主要成分甲烷作为仅次于二氧化碳的第二大温室气体，排放量已经占全球温室气体排放量的16%以上，浓度达到工业化前水平的2.5倍[1]。甲烷是一种有价值的燃料，但同时作为温室气体，增温效应快、寿命短(约为12年左右)是其主要特点，根据IPCC(AR5)的数据，其在20年和100年尺度下的全球增温潜势(GWP)约为二氧化碳的84倍和28倍[2-3]。2020年，全球油气行业的甲烷泄漏量达到了7 200万吨，按照20年尺度GWP算，相当于60.48亿吨CO2当量[4]。从排放源角度来看，全球油气系统的甲烷逃逸排放约占所有排放源的四分之一，据国际能源署(IEA)的研究表明，全球四分之三的油气甲烷减排可以通过现有技术解决，其中一半的减排为净零成本[4]。采取积极有效措施，大幅削减天然气行业的甲烷排放已经成为全球共识[5]。因此，对于城市燃气供应企业来说，积极利用现有设备、技术对本行业甲烷控排具有重要意义。文章讨论的是一种城镇燃气柱塞式封堵系列设备，该系列设备在封堵方式上与传统封堵设备不同，且在燃气施工现场应用场景广泛，经过现场多次案例验证，该系列设备在应对城镇燃气施工过程中因主动放空产生的甲烷排放具有明显的减排效益。

1 城镇燃气柱塞式系列封堵设备

在城镇燃气施工工程中，管道的不停输带压封堵作为一种高效节能、经济实用的施工方式已经得到全面应用，现有的管道不停输带压封堵技术大致包括膨胀筒式封堵、塞式封堵、双峰球胆封堵等，但在现场施工过程中存在封堵胶皮不能重复使用及对变形管道、管道焊缝等特殊情况封堵效果差、封堵成功率不高、封堵操作不便等的诸多问题。燃气管道柱塞式封堵设备是吸收了国内外多种封堵形式的成功经验后，根据城镇燃气管网设备的特点和维护需要，本着轻便、简单、实用、安全可靠的设计原则设计的系列设备。

1.1 设备原理及结构

柱塞式封堵设备剖面图如图1(a、b)所示，该设备由固定装置、传动装置、封堵装置三部分组成。利用力的可传递原理，通过旋转传递扭矩内杆对封堵盘施加压力，挤压封堵盘上的密封橡胶使其向外膨胀变形进而挤压管道内壁，以实现对管道的封堵截流。

图1 柱塞式封堵设备及封堵器结构简图

具体来看：

(1)固定装置：固定装置由上下移动外杆、支撑外筒两部分组成。移动外杆是用于封堵定位的装置，设有可拆卸手柄、位置锁定装置、支撑外杆。可拆卸手柄内部设有密封圈；支撑外杆上部和下部分别设有旋转螺纹，其外壁设有半圆环形凹槽。该结构的功能是快速下放柱塞式封堵盘到管道内壁指定位置，同时设置有位置卡簧，操作性较好。

(2)传动装置：传动装置由传递扭矩内杆和柱塞式封堵器内的橡胶挤压杆组成。扭矩内杆设有可拆卸手柄、内杆，内杆下部为方形花键，该部分设计的功能是可以旋转手柄，传递扭矩到柱塞式封堵器内的橡胶挤压杆上，挤压橡胶，直到与管道内壁挤压，达到密封的效果。(3)封堵装置：封堵装置为该设备的核心部件—柱塞式封堵器。柱塞式封堵器由钢筒、四爪卡盘、橡胶挤压杆、密封橡胶组成，其作用是通过使挤压杆受力，在起稳定作用的四爪卡盘保护下挤压密封橡胶，使其膨胀直到与管道内壁挤压密封，完成封堵截流。

1.2 设备适用场景及特点

该系列设备是利用现有燃气管网设备法兰螺纹等接口对气源进行有效快速封堵的燃气管道专用作业设备，设备规格分为DN50、DN80、DN100、DN150、DN200、DN300。该系列封堵设备适用于中低压(P≤0.4 MPa)燃气管网，可在对上游燃气管网不进行降压或关停的情况下实现切线作业和部分抢修任务，可实现不带气对闸井放散截门、引入管更换及燃气调压箱的维修、加装、老旧调压箱的改造等作业，如图2(a、b)所示，避免了传统的区域降压手工作业或作业前端进行整管切断封堵的作业模式，在减少对周边用户影响的同时减少了因降压放散或切线吹扫带来的甲烷排放。

2 柱塞式封堵设备甲烷减排应用案例

2.1 柱塞式封堵设备用于更换闸井放散阀

位于北京市某行政区域的中压DN80闸井A放散阀因锈蚀发生漏气，按传统抢修方式需降压进行更换，根据管网运营示意图，如图3所示，考虑到市中心环路管网多，降压需关停6个涉及气源的中压闸井并在其他闸井放散，影响多个中压调压箱、调压站，共计民用户23 652 户，公服用户23 户，锅炉用户8 户，DN300、DN200、DN100中压管线各4.83 km、8.77 km、2.56 km。由于正直冬供期间，降压后抢修不仅影响用户范围大，且降压放散的天然气约为636.72 m3。而采用柱塞式封堵器进行操作，只需对泄漏闸井A 一侧放散管进行封堵，完全无需降压就可完成放散阀更换，产生直接经济效益的同时可减少636.72 m3的甲烷排放，相当于一个集中供暖的普通三口之家近两年的用气量。

图2 老旧调压箱改造

图3 管网运营示意图

2.2 柱塞式封堵设备用于抢修作业

位于北京市某地铁线路高架桥下且穿过主要市政道路的DN300与DN500中压燃气管道连接处疑似漏气，为进一步确定泄漏的具体位置、大面积减少对用户影响的同时降低降压抢修产生的放散量，根据管网运营示意图，如图4所示，使用柱塞式封堵设备在接线管接座Q处进行封堵，在不影响DN500管网用户的同时确定了DN300的泄漏处，最终只需降压放散Q处至F1处的管道气，该段距离为0.94 km,估算需放散天然气66.41 m3，而如果无此设备采用既定管网最小降压单元进行降压抢修，则需放散F1、F2、F3之间的管容量，涉及中压DN500、DN300、DN200、DN100分别为3.23 km、0.94 km、5.53 km、2.62 km，估算需放散天然气共计894.51 m3，直接减少有组织甲烷排放828.10 m3，可见柱塞式封堵设备具有明显的甲烷减排效益。

图4 管网运营示意图

3 影响柱塞式封堵设备甲烷减排效益发挥的因素

3.1 使用场景对设备甲烷减排效益的影响

柱塞式封堵设备应用场景广泛，使用场景是否具备条件对设备甲烷减排具有直接影响。其中，在用于切线作业或部分抢修时，需要应用切线点或漏气点附近的接线管件进行封堵，除了要求现场作业条件允许外，还需要管线图纸的精确性进行配合，这对由于管网走向与实际不符、历史接切线点在图纸无标记、管网运维人员能力与经验不足等造成的使用场景不匹配问题将影响系列设备的减排效益发挥。而对于闸井放散阀或调压箱维修或更换、楼前立管截门加装、引入口漏气修复等方面，由设备使用案例和其工作原理可推出，该系列设备的使用将发挥较大的的甲烷减排效益。据北京燃气研究院测算，2019年北京燃气因各类作业放空甲烷273 t。若柱塞式系列封堵设备可替代传统作业方式的30%，可产生81.9 t的甲烷减排量，折合113 841 m3天然气，以2.61 元/m3计算可直接节约近30万元，若按当年北京市碳市场均价80元/t参与碳交易，可获得6 552元收益。替代率的升高和碳价的增值直接作用于该系列设备的减排效益。

3.2 使用频率对设备甲烷减排效益的影响

柱塞式封堵设备使用频率的高低对其在甲烷减排方面应该发挥的实际作用产生较大影响。柱塞式封堵设备在甲烷减排技术工程实践方面突出了一定的作用，但在城镇燃气供应企业不同管理层对甲烷减排的关注度有一定差异的情况下，在城镇燃气管网运营现状的背景下，柱塞式封堵设备并不是所有作业的首选设备。油气企业甲烷减排已经是大势所趋，对于具备机械作业条件的城镇燃气供应企业来说，有选择的在中低压管网中使用机械作业代替手工作业，用更具有甲烷减排效益的设备代替传统作业设备及作业方式应该是此类企业运营过程中应该考虑的重点之一；对于还不具备机械作业的城镇燃气供应企业应结合实际尽快引入具有明显甲烷减排效益的机械作业手段代替手工作业方式，且在管道设计时适当在关键节点使用管件连接代替三通焊接一次成型，满足“双碳”背景下作为天然气供应企业的中长期发展需要。

3.3 推广手段对设备甲烷减排效益的影响

推广手段单一、推广力度不足、推广人员专业性不强等对柱塞式封堵设备的应用及甲烷减排效益发挥产生间接影响。目前，在技术持有者系统外推广方面，该系列设备的推广方式主要以参加城镇燃气设备展览会为主，辅之以个别的技术交流推广，推广方式较为单一，可持续性不强。在其系统内部推广方面，以分、子公司间的技术交流、设备试用、临时借用为主，未形成普遍意义上的具有随时持有、使用设备的具体情况。从推广人员来说，以其他岗位职工兼职为主，差异性较为明显，专业度不足、推广意识欠佳。以上因素间接影响了柱塞式封堵设备的甲烷减排效益在城镇燃气供应企业的发挥。

3.4 其他影响因素

影响柱塞式封堵设备甲烷减排效益发挥的其他因素还有政策环境的变化、行业内技术的革新及标准的制定、燃气供应企业管理侧重点及碳交易市场的完善等。具体来说，政策层面，随着中国“双碳”目标的持续推进，管道天然气的甲烷排放相关政策会越来越细致，越来越严格，进而会从侧面影响具有甲烷减排效益的设备设施应用；行业层面，管道天然气甲烷泄漏检测技术、放散天然气回收利用技术的发展、甲烷排放标准的制定会进一步促进具有甲烷减排效益的设备设施应用；企业层面，随着燃气供应企业的管理层甲烷减排意识的增强、管网改造计划的制定与实施，柱塞式封堵设备的甲烷减排效益会更加明显；市场层面，随着碳交易市场的逐步完善，具备条件的甲烷减排项目有望直接参与碳交易，柱塞式封堵设备的推广使用会在降低燃气供应企业“购销差”、带来直接和间接经济效益的同时为减缓气候变化作出一定贡献。

4 结语

柱塞式封堵设备具有明显的甲烷减排效益，使用场景、使用频率、推广方式及与管道天然气相关的政策、行业技术及标准、碳交易市场等会直接或间接影响其甲烷减排效益的发挥。随着中国“3060”目标的提出和持续推进，凝聚甲烷减排共识，提出甲烷排放强度目标或者总量目标或者“双控”目标，研究并推广像柱塞式封堵设备一样的具有明显甲烷减排效益的控制措施，不断打造示范项目和工程以切实加强甲烷排放管控，已经成为燃气供应企业实施甲烷减排战略的趋势。各燃气供应企业应该积极协调企业内部各层级甲烷减排相关的管理意识，发展、利用和推广自身优势参与“十四五”国家控制甲烷排放系列行动，积极克服对具有甲烷减排效益的技术或设备有影响的不利因素，持续推动完善燃气行业甲烷控制政策、技术、标准体系和碳市场交易，最终利用市场机制协调促进甲烷减排工作扎实有序开展。