天然气具有热值高、燃烧稳定、低碳环保等特点，占中国一次能源消费总量的15％左右，并将于2040年达峰至6 000×10⁸ m^3[1]。从天然气消费安全角度考虑，中国需建设储气能力达1 200×10⁸～1 300×10⁸ m³的地下储气库，满足天然气调峰、战略储备需求^[2]。然而，地下储气库设备密封点处的甲烷逸散泄漏不仅会导致资源浪费，还会对安全运行与环境产生严重的影响^[3−4]。近年来，国内外学者主要针对地下储气库甲烷泄漏特征、泄漏量计算、减排措施等进行了大量研究。张博等^[5]从总体管控思路、甲烷排放控制方向、减排措施等方面，阐明了中国中长期甲烷排放控制的行动逻辑，并提出了甲烷排放的管控对策。胥洪成等^[6]梳理了储气库天然气损耗量评价与控制方法，并对预防储气库天然气损耗提出了管理建议。曹冬冬等^[7]对中国某油田3座油气处理场站进行甲烷泄漏排放特征研究，发现储罐是首要排放源，占站场总排放量的94.1％。杨石刚等^[8]提出了一种适用于盐岩储库气体泄漏量计算的方法，可对盐岩储库的气体泄漏速率、泄漏质量随时间的变化进行评估。陈虹燕等^[9]针对储气井直径分别为2 mm、20 mm的泄漏孔径进行了泄漏量的计算。Johnson 等^[10]使用光学气体成像相机对地下储气库逃逸排放物进行识别，并量化了15个站点的224个井场质量排放速率。Thorpe等^[11]利用遥感检测技术，对美国加利福尼亚州12个活跃的地下储气库设施的甲烷排放量进行了检测。陈春赐等^[12]对1980—2020年中国油气系统的甲烷逸散排放进行了评估，发现天然气系统在2020年的甲烷逸散排放约200×10⁴ t。王建夫等^[13]基于油气藏监测中常用的气体示踪检测技术，依托高分辨质谱仪建立了SF₆痕量气体示踪剂地下储气库微泄漏检测方法。孔祥军等^[14]在石化企业进行LDAR（Leak Detection and Repair）实践，对泄漏点情况进行分析，并核算了排放量。

地下储气库的地面设施逸散主要发生在注采井、地面管道及设备^[15]。阀门、连接件、开口管及法兰是地下储气库的常用设备，由于老化、操作失误等原因，极易发生逸散、泄漏，进而威胁整个储气库的安全与环境稳定。因此，对地下储气库地面设施中4类主要设备的甲烷逸散情况进行探讨，以期为地下储气库的安全运行、环境保护提供技术支持^[16]。

选取中国中东部地区某典型的地下储气库作为检测站场，其由枯竭气藏改建而成。该储气库库容规模较大、工作气量高、调峰能力强，注气能力约为2 500×10⁴ m³/d，采气能力约为4 000×10⁴ m³/d。通常每年4—10月为注气期，11月—次年3月为采气期。该储气库地面区域较大，工艺区较多，包括进出站区、分离区、压缩机区、计量区、自用气橇区及井场。

1.1 检测设备及流程

氢火焰离子化检测器（Flame Ionization Detector, FID）具有精度高、灵敏度高、携带方便、使用简单等优点，因此用其对储气库地面设施甲烷逸散体积分数进行检测。完成甲烷逸散浓度检测后，再选取满足检测条件的逸散点，使用HI-FLOW3（High-flow Samplers）进行甲烷逸散速率检测。该仪器可从泄漏元件处以较高流量采集泄漏气体、环境空气进行排放速率测试（表1）。地下储气库地面设施甲烷逸散检测流程：①制定检测计划，确定检测顺序与检测区域。②准备仪器，通入燃料气（选取高纯氢气作为燃料气，供气压力不低于10 MPa^[17]），仪器开机预热，并进行零点与示值检查。③本底值检测（检测空气中的甲烷浓度），在不同的环境中，风速会影响环境本底值，故至少需要对站场进行一次本底值检测。④开始检测甲烷逸散体积分数与逸散速率，并记录数据。⑤对检测数据进行漂移核查，若发生漂移超限，则校准仪器重新检测；反之，则录入数据。

表1 储气库地面设施甲烷逸散体积分数与逸散速率检测仪器参数表Table 1 Parameters of instruments for measuring methane escape volume fractions and escape rates from surface equipment of the gas storage

1.2 检测结果

对该地下储气库地面设施的2 030个设备（图1）进行了检测，具体设备包括阀门、法兰、连接件、开口管共4类。根据该地下储气库不同功能区域甲烷逸散体积分数C检测结果（表2）可见：96.55％的设备甲烷逸散体积分数为0～0.01％，仅有0.44％的设备甲烷逸散体积分数超过1％。

图1 某地下储气库地面设施不同功能区域设备数量统计图Fig. 1 Statistics on the quantity of surface equipment in different functional areas of the underground gas storage

表2 某地下储气库地面设施甲烷逸散体积分数分布表Table 2 Distribution intervals of methane escape volume fractions from surface equipment of the underground gas storage

将甲烷逸散体积分数大于0.01％的设备视为发生泄漏，则该储气库96.55％的地面设施未发生泄漏，整体泄漏率较低（图2）。其中，分离区泄漏率最高，达到4.66％；压缩机区泄漏率最低，仅为2.35％。将检测结果按密封点进行分类（图3），可以发现阀门、法兰、连接件的泄漏率较低，依次为3％、4％、2％；开口管的泄漏率较高，达到13％。其主要原因与检测样本较少有关，而其中大部分泄漏是由于开口管针型阀存在松动引起的。

图2 某地下储气库地面设施不同功能区域泄漏率图Fig. 2 Leakage rates of surface equipment in different functional areas of the underground gas storage

图3 某地下储气库地面设施不同类型设备泄漏数量及泄漏率图Fig. 3 Leakage quantities and rates of different types of surface equipment for the underground gas storage

采用HI-FLOW3检测得到该储气库地面设施不同功能区域甲烷逸散速率（表3），其中超量程的数据代表其甲烷逸散体积分数超过5％。可见，同一类设备甲烷逸散体积分数与甲烷逸散速率满足正比关系。

利用FID检测得该储气库地面设施不同功能区域的设备泄漏率（图4）可见：①进出站区阀门、连接件、法兰的泄漏率较低，分别为3.38％、1.52％、4.47％；开口管的泄漏率较高，达到13.8％，其主要原因为开口管针型阀存在松动，未及时更换。②分离区阀门、法兰、连接件的泄漏率分别为11.32％、2.17％、2.22％。该区域开口管由于检测样本数量仅4个，泄漏率为0。③计量区的阀门、法兰未检测到泄漏现象，而连接件、开口管的泄漏率分别为6％、20％。④井场阀门、法兰、连接件的泄漏率分别为3％、1％、4％，开口管未检测到泄漏现象。⑤压缩机区的阀门、连接件未检测到泄漏现象，法兰、开口管的泄漏率分别为9％、17％。⑥自用气橇区法兰未检测到泄漏现象，而阀门、连接件、开口管的泄漏率分别为1.92%、3.57%、25%。

表3 某地下储气库地面设施不同功能区域甲烷逸散速率统计表Table 3 Statistics of methane escape rates from surface equipment in different functional areas of the underground gas storage

图4 某地下储气库地面设施不同功能区域的设备甲烷泄漏率对比图Fig. 4 Comparison of methane leakage probabilities for surface equipment in different functional areas of the underground gas storage

EPA（Environmental Protection Agency）提出了将甲烷逸散体积分数换算为甲烷逸散速率的反演方程^[18]。兰发聪^[19]发现检测值与相应泄漏速率的真实数据差异较大，波动非常剧烈，甚至跨越数个数量级。基于此，在EPA反演方程的基础上引入校正因子S，其表达式为：

式中：n为待检测设备总数，个；x_i为甲烷逸散体积分数的自然对数； y_i为甲烷逸散速率的自然对数；α为线性回归方程的截距；β为线性回归方程的斜率。

由此，兰发聪提出了校正的反演方程：

式中：v为甲烷逸散速率，kg/a。

将上述检测到的甲烷逸散体积分数与逸散速率代入式（3），可得到阀门、法兰、连接件等4类设备新修正后的反演方程（表4），并与EPA反演方程^[20]及兰发聪校正反演方程^[19]进行对比。

表4 某地下储气库地面设施甲烷逸散速率3类不同计算反演方程对比表Table 4 Comparison of three calculation equations for methane escape rates from surface equipment of an underground gas storage

使用表4中新修正后的反演方程，将该储气库甲烷逸散体积分数换算为甲烷逸散速率，最终计算出储气库设备密封点年逸散泄漏总量约为2.4 t/a。同时，0.44％的密封点产生了约90％的逸散量，即地下储气库站场中密封设备的总逸散量主要由少部分的大泄漏点造成。因此，建议定期开展甲烷逸散检测工作，及时发现大泄漏点，并实施维修。

图5 某地下储气库地面设施甲烷逸散速率3类不同反演方程计算结果对比图Fig. 5 Comparison of calculation results for methane escape rates from surface equipment of an underground gas storage using three different inversion equations

当甲烷逸散体积分数为0～2%时，由于法兰、阀门计算结果差异较大，为更好地对比3种方程计算结果及数据增长趋势，将甲烷逸散速率（纵坐标）进行对数化处理（图5）。可见，开口管、连接件两类设备的计算结果相近；法兰、阀门甲烷逸散速率的计算结果排序为修正后的反演方程、EPA反演方程、兰发聪校正反演方程，其原因为：修正后的反演方程是计算整个设备的甲烷逸散总量，小口径设备计算结果与已有的两类方程相近，但大口径设备的计算结果较其他两类更大。法兰、阀门口径一般较大，一个设备可能有多处发生逸散，在记录时仅记录最大甲烷逸散体积分数，但检测甲烷逸散速率时采用“包袋法”将整个设备包裹后测量，所得数据为多个泄漏点的逸散速率总和，因此法兰、阀门等大口径设备的甲烷逸散速率相对于连接件、开口管的更大。同时，也与数据来源的年代、检测站场等因素有关。

对地下储气库将甲烷逸散体积分数换算为甲烷逸散速率的反演方程进行修正后，可计算阀门、法兰、开口、连接件4类设备的排放因子^[21]：

式中：Z为平均排放因子，kg/（a·个）；Q为地下储气库地面某一类型设备甲烷逸散总量，kg/a； n^′ 为某一类型设备的数量，个。

基于式（4），计算得到该地下储气库4类主要设备的排放因子（表5）。同时，统计了甲烷逸散体积分数大于0.01％的甲烷逸散总量与设备数量，计算出泄漏排放因子，从而估算站场泄漏设备逸散总量。因此，泄漏排放因子通常为平均排放因子的数倍。

表5 某地下储气库4类主要设备排放因子计算结果表Table 5 Emission factor calculation results for four main equipment types of the underground gas storage

阀门、连接件、法兰、开口管是地下储气库地面设施中最常见、数量最多的设备，其密封点处逸散量最高可达702.83 kg/a，对4类设备的甲烷逸散及泄漏管控提出以下建议^[22−23]：

1）定期巡检维护。由于4类设备处于站场的不同位置，且设备甲烷逸散排放量主要由少部分的大泄漏点构成，在巡检时务必全面检查，避免忽略较大的泄漏点。若闻到异味、听见气体泄漏的声音、看见管道上出现凝液等，应当及时使用喷壶、激光甲烷浓度检测仪开展进一步检测，一旦发现泄漏点，及时维修，减少泄漏损失并避免其他安全风险。对于高风险作业区域，应在现场挂牌标明温度、压力、流量等参数波动范围。此外，应加强对受限空间设备的检测。

2）建立设备的使用预警系统。对设备投入使用时间、所处区域、位置、编号等信息进行记录，当设备接近使用年限时，可发送警报，系统自动推送设备所处位置，从而使巡检人员能重点关注此类可能发生老化的设备。

3）确保阀门零部件齐全完好，确保连接密封部位无“跑、冒、滴、漏”。开口管泄漏概率相对较高，主要泄漏原因是开口管针型阀存在松动。因此，需加注高品质润滑油，保证开关能够正常使用，并定期清洗阀门内部积存污物。

4）改进密封形式。在保证生产安全与工艺允许的条件下，减少不必要的开口管、焊缝、延出管道等。同时，当检测过程中发现部分开口管针型阀存在松动但缺少更换的配件时，可暂时通过丝堵、管帽、盲板等进行控制，在配件到货后及时更换。

5）规范操作流程。设备泄漏情况与企业管理维护水平关系较大，应对站场内相关人员进行培训，建立严格的制度，力争及时维修，降低运维成本。

1）修正后的反演方程可计算法兰、阀门、连接件、开口管主要设备的逸散总量，法兰、阀门等大口径设备的计算结果相对EPA反演方程、兰发聪校正反演方程的计算结果更大，但小口径（连接件、开口管）设备的计算结果相对更小。新修正后的反演方程计算更完整全面、符合国情，设备排放量核算更加准确，为地下储气库地面设施的甲烷减排提供了支撑。

2）在地下储气库地面设施中，96.55％的设备甲烷逸散体积分数小于0.01％，绝大多数的密封设备处于正常状态。发生泄漏的设备主要集中在注气站的压缩机组区、进出站区、自用气橇区、分离区。泄漏点类型以连接件为主，其次是法兰、阀门，开口阀或开口管道最少。发生泄漏的具体位置主要为以下3种：①就地仪表或变送器上的小尺寸排口、各式螺纹连接及针型阀；②压缩机气缸法兰密封处；③天然气输送管道上的阀门。

3）目前中国油气行业甲烷逸散检测与量化尚处于起步阶段，检测数据有限、检测流程需优化、检测设备准确率有待提高。为了进一步提升反演方程的准确性，还需增加检测样本，并开展不同检测方法的对比分析。