甲烷泄漏检测与修复（LDAR）计划在实践中的有效性

《ACS ES&T Air》：The Efficacy of Methane Leak Detection and Repair (LDAR) Programs in Practice

本研究对比分析加拿大BC省三年期LDAR监管数据与航空LiDAR测量结果，发现地面检测仅捕获总排放的较小比例（约1/3），且漏检了87%大于0.5kg/h的高排放源。航空测量显示实际排放量是LDAR的12倍，其中燃烧源（压缩机、发电机等）贡献率达89%。研究揭示现有LDAR技术存在漏检大中型泄漏源（尤其是室内设备）、检测精度不足（QOGI误差达831%）等缺陷，强调需结合航空监测与地面高频率检测，并建立独立验证框架（如OGMP 2.0）。

　　本研究对加拿大不列颠哥伦比亚省（British Columbia, BC）的监管性泄漏检测与修复（LDAR）计划进行了深入分析，并将其与独立的空中测量数据进行对比。研究发现，尽管LDAR计划在实践中显著降低了检测到的排放量，但其实际捕捉的总排放量却非常有限，仅占一小部分。这一发现对当前甲烷减排政策的评估和新替代技术的开发具有重要意义，因为它揭示了现有监管体系在实际应用中的局限性，以及如何通过结合多种测量手段来提高对甲烷排放的全面理解。

### 甲烷排放的现状与挑战

石油和天然气行业是人为甲烷排放的主要来源之一。近年来，多项研究表明，国家层面的甲烷排放清单可能低估了实际排放量，误差范围在50%到100%之间。然而，该行业也具备最大的短期减排潜力。因此，国际社会将减少甲烷排放作为应对气候变化的关键策略之一，目标是在2030年前大幅降低大气中的甲烷浓度，以控制全球气温上升幅度在1.5至2摄氏度之间。美国和加拿大已实施并持续完善针对上游石油和天然气行业的甲烷减排法规，而欧盟等地区也推出了类似政策。这些政策通常包括对有意排放的限制以及定期进行的泄漏检测与修复（LDAR）计划，旨在发现并修复非故意释放的甲烷泄漏。

### LDAR计划的运行方式与局限性

典型的LDAR计划要求企业每年多次进行泄漏检测，通常采用光学气体成像（OGI）技术，即手持式红外相机，或使用EPA的Method 21气体浓度测量方法。检测到的泄漏源需在规定时间内进行修复。虽然模拟研究表明频繁的LDAR计划对减少排放至关重要，但实际操作中，评估LDAR计划的减排效果却面临诸多挑战。一些研究表明，现有的LDAR计划可能并未达到预期的减排效果，这引发了对替代技术有效性的质疑。

例如，Tyner和Johnson的研究发现，空中激光雷达（LiDAR）测量的甲烷排放量是OGI检测结果的18倍。Cheadle等人分析了加州的LDAR数据，发现虽然泄漏数量和排放量在两年内有所下降，但这种下降并不能完全反映实际的减排效果，因为缺乏独立的排放量验证。此外，Ravikumar等人在阿尔伯塔省的初步研究中发现，LDAR计划虽然能发现大量泄漏源，但这些泄漏源的排放量相对较小，仅占观测到的甲烷排放总量的15%以下，表明LDAR计划在实际操作中可能未能捕捉到主要的排放源。

### LDAR计划的合规性与实施效果

在BC省，LDAR计划要求对运行超过30天的设施和运行超过90天的井进行检测。然而，合规率仍然较低，尤其是在计划实施的第一年。根据BC省能源监管局（BCER）的数据，2020年只有约28%的设施完全符合LDAR检测要求，而2022年这一比例上升至86%。尽管如此，仍有28%的设施未完成所有检测任务。这一现象部分归因于疫情对行业运营的影响，以及企业适应新法规所需的时间。对于井来说，合规率略高，约为92.5%。然而，即使合规率有所提高，实际的减排效果仍需进一步验证。

从检测结果来看，每年进行三次全面LDAR检测的设施，其平均检测到的泄漏源数量和排放量均显著下降，这表明LDAR计划在减少泄漏方面是有效的。然而，由于检测技术的局限性，如OGI相机的灵敏度较低、无法有效捕捉高排放源，以及Hi-Flow采样器在某些情况下的低估问题，这些数据并不能准确反映实际的甲烷排放总量。因此，尽管LDAR计划在减少检测到的泄漏方面表现良好，但其对总排放量的覆盖范围仍然有限。

### 空中测量与LDAR检测的对比分析

为了更全面地评估LDAR计划的效果，本研究将BC省的LDAR数据与独立的空中测量数据进行了对比。研究选择了326个仅进行全面LDAR检测的站点，并在2021年9月11日至10月8日期间，利用Bridger Photonics的气体测绘LiDAR（GML 1.0）技术进行了空中测量。结果显示，空中测量发现的甲烷排放量是LDAR检测结果的12倍，这表明LDAR计划在实际操作中可能未能捕捉到大部分排放源。

进一步分析发现，空中测量捕捉到了更多高排放源，如燃烧源和排放口，而LDAR检测主要集中在较小的泄漏源，如连接器和阀门。这说明两种方法在检测源的类型和分布上存在显著差异，且在某些情况下是互补的。例如，LDAR检测主要发现的是小型泄漏，而空中测量则更擅长发现大型排放源。这种差异可能源于两种技术的物理特性，如OGI相机在没有温度差异的情况下难以检测到泄漏，而GML技术则能够更精确地量化高排放源。

### 检测技术的局限性与改进方向

本研究还探讨了检测技术本身的局限性。OGI相机在实际操作中表现不佳，特别是在风速较高或泄漏源与背景气体混合度较高时，其检测能力显著下降。此外，Hi-Flow采样器在测量高浓度泄漏时存在低估问题，尤其是在传感器切换失败的情况下。这些技术问题可能导致LDAR计划的检测结果与实际排放量之间存在较大偏差。

相比之下，GML技术在多个受控实验和现场测量中表现出较高的准确性和可靠性。其检测误差范围在可接受范围内，并且能够捕捉到更多高排放源。然而，即使如此，空中测量仍未能完全覆盖所有排放源，特别是在某些情况下，如泄漏源位于建筑物内部或受到物理限制时，仍可能遗漏部分排放。

### 实际减排效果与政策建议

尽管LDAR计划在减少检测到的泄漏方面取得了成效，但其对总排放量的覆盖仍然有限。研究指出，LDAR计划的减排效果可能被高估，因为检测到的泄漏数量并不能代表所有排放源。因此，替代技术的评估应基于更全面的排放数据，而不是仅仅与LDAR计划进行比较。此外，本研究强调了独立测量和验证框架的重要性，如OGMP 2.0，这些框架能够整合不同技术的检测结果，提供更准确的排放量评估。

为了提高LDAR计划的检测效果，研究建议引入持久的泄漏标识符，以便追踪泄漏的复发率和修复效果。这将有助于制定更有效的检测和修复策略，优先处理高排放源。同时，应加强对LDAR计划的监管，确保企业按照要求进行检测和修复，避免因合规性不足而影响减排效果。

### 结论与展望

本研究的分析表明，当前的LDAR计划在减少检测到的泄漏方面是有效的，但其对总排放量的覆盖范围仍然有限。因此，LDAR计划应被视为整体减排策略的一部分，而非唯一手段。为了更全面地管理甲烷排放，需要结合多种检测技术，如空中测量和地面检测，以获取更准确的排放数据。此外，政策制定者应考虑引入独立的测量和验证框架，以确保减排措施的有效性和准确性。

未来的研究应进一步探索不同检测技术的优缺点，以及如何在实际操作中结合这些技术，以提高甲烷排放监测的全面性和准确性。同时，应加强对企业合规性的监督，确保LDAR计划的实施效果达到预期。只有通过多技术结合和独立验证，才能实现对甲烷排放的全面管理和有效控制，从而推动全球范围内的减排目标。