天然气压缩站放空气回收的技术经济评估：考虑甲烷排放收费的见解

《Results in Engineering》：Insights on blowdown gas recovery in natural gas compression stations: A techno-economic assessment considering methane emission charges

本刊推荐：为解决天然气压缩站维护和应急排放导致的甲烷资源浪费及温室效应问题，研究人员开展了放空气回收利用的技术经济评估研究。通过设计三级往复式压缩机将放空气回注输气管线，实现95%以上的气体回收率。结果表明，在年排放量89,000 Nm3条件下，引入1,500美元/吨的废弃物排放收费(WEC)可使投资回报率(ROI)达15.04%，投资回收期(PBP)为6.65年。该研究为小型偏远压缩站提供了兼具环境效益和经济效益的甲烷减排方案。

　　

在应对气候变化的全球行动中，甲烷这种温室气体的管控正受到前所未有的关注。尽管大气中甲烷的浓度远低于二氧化碳，但其温室效应能力却远超后者——在20年时间尺度上，甲烷的全球变暖潜势(Global Warming Potential, GWP)是二氧化碳的86倍。自工业革命以来，约30%的净全球变暖可归因于甲烷排放。特别值得关注的是，在COP26气候大会上，158个国家共同承诺到2030年将甲烷排放量减少30%，这为各国能源行业提出了明确的减排要求。

天然气行业作为甲烷排放的重要来源，其压缩站在运行过程中产生的“放空”操作尤其值得关注。当压缩站需要进行维护、应对紧急情况或调整负荷时，通常需要将管道和设备中的天然气排放到大气中，这一过程被称为“放空”。这些排放不仅导致宝贵的能源资源浪费，更会加剧气候变化。与传统认知不同的是，压缩站放空排放具有浓度高、排放点集中的特点，相较于分散的泄漏点，更易于进行捕获和回收利用。

目前，针对大型管道或生产设施的放空气体管理已有较多研究，但对于遍布各地的偏远小型压缩站，其经济可行性仍是实施减排措施的主要障碍。此外，现有的技术方案多分散于技术说明和行业报告中，缺乏系统化的决策框架。正是这些空白，促使伊朗古昌科技大学能源工程系的Ali Farzaneh、Mostafa Pourali和Seyed Morteza Ashrafi Shahri开展了这项创新研究。

研究人员选择了一个典型的小型偏远压缩站作为案例，该站配备两台涡轮压缩机组，通常一用一备。研究团队开发了一套基于指南的框架，用于选择最优的放空气体利用策略。通过深入分析，他们确定将放空气体回注到附近输气管线是最适合该站的解决方案，并设计了采用三级往复式压缩机的回收系统。

为开展这项研究，团队主要采用了以下几种关键技术方法：首先建立了动态数学模型，通过质量平衡方程结合Peng-Robinson状态方程描述放空过程的瞬态行为；其次采用有限差分法进行数值求解，确定压缩机的关键参数；然后基于化学工程设备成本指数(Chemical Engineering Plant Cost Index, CEPCI)进行技术经济分析，计算投资回报率(ROI)和投资回收期(Payback Period, PBP)；最后还考虑了美国《通胀削减法案》(Inflation Reduction Act, IRA)中规定的废弃物排放收费(Waste Emissions Charge, WEC)政策的影响。

4.1. 排放速率

通过动态模型模拟发现，将排放速率设定为140 m3/h时，整个压缩站可在12.9小时内完成放空，单个压缩单元仅需1.6小时，满足安全操作要求。在此条件下，系统压力从70 bar降至4 bar时，气体回收效率可达95%以上。

4.2. 压缩级数

研究比较了不同压缩级数的温度变化，发现三级压缩系统能将出口温度控制在94°C以内，符合API 618标准要求。而单级和双级压缩会导致温度分别升至207°C和124°C，超出安全限值。每级压缩比为2.6，级间冷却器将气体温度降至40°C。

4.3. 功耗分析

计算表明，最大功耗出现在压缩过程中期，达到108 kW。考虑75%的机械效率后，压缩机驱动功率需144 kW。整个放空过程的单位能耗为0.0222 kWh/Nm3。

4.4. 经济评估

设备投资估算为452,950美元。在年回收89,000 Nm3气体、天然气价格0.07美元/Nm3的条件下，无WEC时项目不具备经济可行性。引入1,500美元/吨的WEC后，ROI提升至15.04%，PBP缩短至6.65年。研究还分析了三种情景下的经济敏感性，发现通过便携式设计共享设备可显著改善经济效益。

4.5. 环境效益与政策启示

该系统年均可减少5,993吨CO₂当量排放，而运行产生的间接排放仅1.48吨，净环境效益显著。WEC等政策工具能有效提升项目经济性，加速甲烷回收技术的推广应用。

研究表明，即使在放空量较小的偏远压缩站，通过合理设计和技术整合，甲烷回收也能实现经济可行。特别是在全球碳定价趋势加速的背景下，此类项目兼具环境和经济双重价值。该研究提出的决策框架为天然气行业甲烷减排提供了实用工具，有助于推动更清洁、高效的燃气输送 operations。未来研究方向包括现场中试验证、实时数据耦合建模以及跨站点的系统优化整合。