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1内容提要压缩天然气驱动的气动装置被广泛用在天然气工业中作为液位控制器、压力调节器和阀门控制器。据估计，生产环节中每年从气动装置排放的甲烷量有310亿立方英尺、加工处理环节有160亿立方英尺、输送环节有140亿立方英尺，气动装置中的甲烷排放是天然气工业中昀大的甲烷排放源之一。使用低排气装置更换高排气装置、改进高排气装置和提高装置维护保养水平等方法来减少甲烷排放量能取得很好的经济效益。天然气STAR合作伙伴通过更换、改进和维护保养高排气装置节省了大量成本并减少了甲烷排放量。合作伙伴发现，绝大多数改进设备的投资在1年内就能收回，更换设备的投资在6个月内就能收回。迄今为止，合作伙伴通过改进设备或用低排气气动装置更换高排气气动装置已经节省了204亿立方英尺的甲烷气体，也即节省了0.612亿美元。每种方法的节约费用存在差异，这取决于控制器的结构、使用条件和具体工作环境。措施节省气体的费用（美元/年）1实施费用（美元）实施费用（美元/年）投资回收期（月）在使用寿命期末更换成低排气装置50～200150～600150～25025～12早期更换高排气装置260780135021改进装置2306905009保养装置45～260135～780忽略不计～3500～5更换装置1天然气价格按3美元/千立方英尺计算2低排气设备比高排气设备增加的费用OPTIONSFORREDUCINGMETHANEEMISSIONSFROMPNEUMATICDEVICESINTHENATURALGASINDUSTRY天然气工业中减少气动装置排放甲烷的方案LessonsLearnedFromNaturalGasSTARPartners2技术背景天然气工业使用一系列的控制装置来自动地操作阀门和控制压力、流量、温度或液面。当技术经济上可行时，控制设备一般由电力或压缩空气来驱动。然而在绝大部分的应用中，天然气工业使用依靠压缩天然气提供能量的气动装置。天然气驱动的气动装置在天然气工业的三个环节中发挥着不同的功能。在生产部门，用于监控脱水器和分离器中气体和液体的流量与液面、脱水器再沸器中的温度以及闪蒸罐中压力的气动装置估计有250000台。在加工处理部门，大约有13000台气动装置在天然气集输站和增压站中用于控制压缩机和乙二醇脱水、在天然气处理厂中用于操作隔离阀（天然气处理厂中的过程控制主要使用仪表风）。在输送部门，估计有90000～130000台气动装置在压缩站、管道设施以及储存设施中用于操纵隔离阀、控制天然气流量和压力。气动装置同样也用在分配公司控制站的流量计导管上以调节流量、压力和温度。作为正常操作的一部分，气动装置向大气中释放或排出天然气，这是天然气工业中甲烷泄露的一个主要来源。实际排放速度或排放水平主要取决于装置结构。图1给出了气动控制系统的示意图。纯净干燥的压缩天然气调节到常压状态，通常为20psig。这种气体既可用作信号气源也可用作动力供应。一小股气流被传送到测量工艺操作条件（如液面、气体压力、流量和温度）的装置中。该装置将这一小股气流的压力调节到与工艺操作条件成比例的压力（3～15psig）。气流接着流到气动阀控制器中，利用变化的压力来调节阀门执行器。天然气工业中减少气动装置排放甲烷的方案高排气气动装置定义按照天然气STAR项目规定，排气量超过6标准立方英尺/小时（即超过50千立方英尺/年）的气动装置称为高排气气动装置。图1:高排气气动装置定义为了关闭图1所示的阀门，向执行器直接施加压力为20psig的气动天然气，将隔膜向下推向弹簧，通过阀杆，推动阀塞向下运动关闭阀门。当气体从执行器中排出时，弹簧推动阀门向上运动打开阀门。这些少量的信号气源被连续排放到大气中。电动－气动装置利用微弱电流而不是微弱气流为驱动气动阀提供执行信号。一般情况下，不管品牌是否相同，同样结构设计的控制器通常都具有相同的稳定排放速度。气动装置有三种结构：（1）连续的排放装置可用于调节流速、液面或者压力，一般以稳定的速度排放气体；（2）致动或间歇的排放装置执行快速动作控制，仅当装置动作打开或关闭阀门或节流气体流动时才排放气体；（3）自成系统的（密闭的）排放装置将气体排放到下游管线中，而不是排放到大气中。为了减少气动装置排放量，可以单独应用或结合应用下述措施：（1）利用具有相同性能的低排气装置更换高排气装置；（2）在运行装置上安装低排气量的改进型配套部件；（3）加强保养、清理/调整、维修/更换泄漏垫圈、管道接头和密封。现场试验表明：在所有的高排气装置中，80%的装置能够更换成低排气装置或者进行改进。表2给出了适合于不同控制器要求的常用方案。一般情况下，排放速度会因供气压力、启动频率和设备使用时间或使用条件的不同而不同。由于精度的要求，那些必须快速操作的控制器将比操作速度较慢的装置排出更多的气体。气动装置的工作条件比使用时间更能现实出潜在的排放趋势。精心保养的气动装置可以有效地工作多年。天然气工业中减少气动装置排放甲烷的方案措施液位控制器压力控制器位置控制器/传感器替换高排气换为低排气×××（电动-气动）改进安装改进型的配套部件×××保养较低的供气压力/更换弹簧/更换工作台×××修复泄漏，清理和调整×××改变增益设置×××去掉不必要的位置控制器×××气动装置类型表2减少不同类型控制器气体排放的方案3经济效益和环境效益通过上述方案来减少高排气装置的甲烷排放量将产生巨大的效益，包括：（1）减少气体损失所带来的经济回报。天然气价格按照3美元/千立方英尺计算，每台装置每年因减少气体排放量将节省135美元～780美元或更多的费用。在很多情况下，不到一年即可以收回成本。（2）提高经营效率。改进或完全更换已磨损的装置能提供更好的系统性能和可靠性，并能提高气体流动、压力或液面等参数的监测质量。（3）降低甲烷泄露量。每台装置每年可以减少45～260千立方英尺的甲烷排放量，具体数值取决于装置情况和具体应用。4．决策步骤根据下面的决策步骤，操作人员就能确定出昀适合于现场条件的减少气体排放量的方案。根据所考虑的装置类型，适合用于减少气动装置气体排放的方案可能有一种或多种。第1步：确定并描述高排气装置。合作伙伴首先应该确定出作为更换、加装或者修理候选对象的高排气装置。确定和描述工作在正常保养过程中或者在整个系统或具体气动设备调查过程中完成。对各个气动装置，记录其位置、功能、铭牌和型号、工作条件、使用时间、预计的剩余使用寿命以及排气特点（排放体积，间歇排放还是连续排放）。气动装置的排气速度可以通过直接测量或根据厂商提供的数据来确定。直接测量包括在选定设备上进行装袋测量、大容量采样器测量（参考“在压缩站进行针对性检修”一文）或进行标准的泄漏测量。操作人员发现，没有必要在各个设备上测量其排气速度。在大多数情况下，对少数装置进行采样测量就足够了。经验表明，厂商提供的排气速度偏低，所以当可以取得测量数据时，应该使用测量数据。附录A列出了厂商提供的各种气动装置的种类、型号以及气体排放信息。该表并不是一个详尽列表，但它涵盖了绝大多数常用的装置。已有的实际现场的排气速度数据也包括在内。然而，某些高排气装置不应更换成低排气装置。那些需要对压力变化作出快速和/或精确响应的大型阀门的控制通常需要采用高排气控制器。在大型压缩机放空控制器和旁路压力控制器中经常看到这类设备。美国环保署（EPA）推荐与供货商接触以获取新型的、动作快速的低排气速度设备。第2步：确定技术可行性和备选方案费用。几乎所有的高排气装置都可更换成或者改成低排气装置。操作者应向气动设备供应商或仪器专家咨询设备的可利用性、规格和费用。低排气装置的排气速度应小于6标准立方英尺/小时。值得注意的是并不是所有厂商都按相同的方式提供排气速度数据，所以公司在购买低排气装置时应格外注意。天然气工业中减少气动装置排放甲烷的方案减少气动装置甲烷排放的5个步骤（1）确定并描述高排气装置；（2）确定技术可行性和备选方案费用；（3）估计节省量；（4）经济评价；（5）制定实施计划。附录B列出了许多低排气装置的费用数据，总结了配备不同控制器的改进部件的兼容性。该表并不是一个详尽列表，但它涵盖了大多数常用的装置。气动装置保养是减少气体排放的一种经济有效的方法。所有公司都应将装置保养看作是实施方案的一个重要组成部分。除了修理泄漏垫圈、管道接头和密封外，进行设备清理和调整工作，每台装置每小时可以节省甲烷5～10标准立方英尺。将设备调整到一个更宽的使用范围内工作，通常能将排气速度降低10标准立方英尺/小时。移去多余的阀门位置传感器，每台装置每小时可以节省甲烷18标准立方英尺。第3步：估计节省量。利用高排气装置和在用的同类型低排气装置的现场测量数据，确定出利用低排气控制器所能节省的气体量。如果不能获得实际的排气速度数据，可利用厂商提供的数据来进行计算。气体价格按3美元/千立方英尺计算，将减排量（单位通常为标准立方英尺/小时）乘以8670小时/年，则可将气体节省量转换成年节省费用。节省气量=（高排气速度，标准立方英尺/小时）-（低排气速度，标准立方英尺/小时）年节省费用=节省气量（标准立方英尺/小时）×8670小时/年×1千立方英尺/1000立方英尺×3美元/千立方英尺。第4步：经济评价。利用简单的经济分析，能评价更换、改进或维护高排气设备的成本效益。对更换或改进设备进行成本效益分析是恰当的，除非因操作原因，要求使用高排气特性的设备。表3给出了更换高排气液位控制器的成本效益分析情况。通过给出成本（用圆括弧表示）和效益的大小和时限，分析了五年内的现金流情况。在本例中，初始投资380美元购买一台液面控制器，每小时可以节省19标准立方英尺的气体。以气体价格按3美元/千立方英尺计算，一台低排气装置每年可以节省498美元。表中列出了新旧控制器的年保养费用。旧的高排气装置的保养费用作为收益列在表中，因为它是一种可避免费用。净现值（NPV）等于收益减去5年内应计成本（每年折旧10%）。投资收益率（ROI）为NPV等于零时的贴现率。表4给出了业已证实的气体减排方法所带来的节省幅度。为简单起见，假设气动设备更换、改进或加强保养活动前后的维护保养费用相同。天然气工业中减少气动装置排放甲烷的方案成本类型第0年第1年第2年第3年第4年第5年实施成本（基建费用）1，美元(380)年度节省资金（新设备与旧设备对比）2，美元498498498498498保养费用（新控制器）3，美元(24)(24)(24)(24)(24)可避免的保养费用（更换控制器）3，美元5050505050净收益(380)524524524524524表3更换设备的成本效益计算NPV4=1606美元ROI=138%注：1引用Fisher2680装置的成本，参照附录B。2每台装置年节约成本按照如下方法计算：排气速度为19标准立方英尺/小时×8760小时/年×气体价格3美元/千立方英尺=166千立方英尺/年×气体价格3美元/千立方英尺＝498美元3估计的保养费用4基于5年内贴现率为10%的净现值（NPV）如表4所示，对于某种给定的应用情况，恰当且经济有效的气体减排方案有时可能不止一个。对于所列方案，实施成本的投资回收期从少于1个月到2年不等。天然气工业中减少气动装置排放甲烷的方案表4减少气动装置气体排放的经济效益1实施成本表示安装Fisher品牌气动设备的平均费用2排气速度减少值=排气速度的变化值（标准立方英尺/小时）×8760（小时/年）3基于天然气价格按3美元/千立方英尺计算的节省费用4计算5年内的投资收益率（ROI）措施成本1 （美元）排气速度减少值2 （千立方英尺/年/台）年度节省费用3 （美元/年）投资回收期 （月）投资收益率4 （%）更换设备液位控制器380166498931高排气更换为低排气压力控制器高排气更换为低排气13402286842442将金属阀座更换为软阀座772196571.4800改进设备液位控制器改为Mizer设备5002196579131大孔板改为小孔板3018455211800大喷嘴改为小喷嘴1401313934250压力控制器大孔