近年来，甲烷检测和定量技术发展迅速。甲烷检测仪器也得到重大发展，但不同的甲烷技术在技术能力、局限性、成本和不确定性方面各有优劣，美国ITRC（州际技术和监管委员会）盘点了甲烷泄漏检测技术，一起来看看吧！

BP（英国石油公司）将在未来的油气加工项目中部署甲烷排放连续监测技术，这是其广泛长期战略的关键部分。

甲烷检测和量化设备简史

甲烷泄漏检测的实施由来已久，自从企业首次收集天然气并通过管道输送给消费者时就已出现。最初操作员仅仅依靠人工观察来检测泄漏，采用简单的AVO（听觉、视觉和嗅觉）技术。尽管现在有很多先进技术和设备，AVO技术今天仍在使用。应用AVO技术的优势在于检测“工具”随时可用，但需要经过规范培训、对气味和声音敏感的工作人员。因此在日常检查中，AVO技术不可作为唯一的泄漏识别方法。

皂液检测法也得到长期应用，这一方法主要与其他检测方法结合使用。该方法不适用于大规模泄漏检测，因为它需要将皂液涂在特定位置，从而确认或进一步缩小泄漏范围。

皂液检测法。

随着天然气系统和管网的发展，以及法规的不断完善，更准确的泄漏检测方法和更严格的周期性检测要求给甲烷泄漏检测带来了新变化。美国EPA的《METHOD21》要求使用FID检测仪实施LDAR，从而提供了泄漏源的可量化浓度。

与上游开采环节类似的是，集输和存储公司也已经部署了各种检测技术，过去10年中，一些上游公司使用手持式OGI相机和手持式TDLAS（可调谐半导体激光吸收光谱）设备实施泄漏检测。随着商业化发展，OGI相机准确性大大提高，TDLAS的应用之一CRDS（光腔衰荡光谱）技术也已被部署在汽车上进行环境空气研究。

研究调查则为整个供应链的泄漏检测带来全新发展，从20世纪90年代初开始，温室效应被赋予新的政治意义，为确定天然气供应链的泄漏量，排放清单和现场检测得到发展，新技术如大流量稀释采样设备由此产生，并成为商业化产品，至今仍然是唯一可以直接量化泄漏率的设备。

随着中美两国政府政策的推进，在未来，相关研究以及商业企业的开发工作将推出新的检测设备和技术。

检测技术

1可燃气体传感器

可燃气体传感器基于VOCs或碳氢化合物气体与催化剂材料之间的反应进行检测，催化剂会促进气体氧化。此方法通常使用传感器来补偿环境条件，例如环境温度和湿度。传感器被加热到目标气体燃烧的程度，导致电阻发生变化，电阻变化量与气体浓度成正比。

技术指标。

该方法适用于VOCs和碳氢化合物的泄漏检测。它对气体种类没有要求，通常用于便携式气体检测仪或固定监测设备。这种传感器技术最常用于可燃气体指示器和个人防护设备中，用于检测气体的爆炸水平。

便携式可燃气体检测仪示例。

2MOS（金属氧化物半导体）

MOS传感器是专门添加了氧化物材料的半导体电路，这些氧化物材料会与预期的目标气体发生反应，例如甲烷和VOCs检测通常会使用二氧化锡。当气体颗粒与氧化物材料发生反应时，传感器电阻会发生变化，电阻量的变化与气体浓度成正比。传感器通常包括一个加热元件，用于提高传感器温度，从而最大限度地减少水蒸气的影响并提高对目标气体的反应。

技术指标。

MOS适用于VOCs和碳氢化合物的泄漏检测。它对气体种类没有要求，并且对其他气体高度敏感。该技术常用于便携式气体检测仪，最常用于不需要非常高灵敏度且气体浓度不高的检测，例如检测组件周围的情况。

安装MOS传感器的便携式气体检测仪。

3FID（火焰离子化检测仪）

火焰离子化传感器技术使样气通过燃烧室，在纯净的氢火焰中经过高温燃烧，VOCs和碳氢化合物分子通过燃烧过程带电成为离子，然后将带正电的离子收集到电极上，电极上的正电荷量与气体浓度成正比，从而实现对样气的量化。

技术指标。

FID适用于VOCs和碳氢化合物的泄漏检测。它对气体种类没有要求，通常该技术用于便携式气体检测仪，汉洁自主研发的便携式VOCs检测仪FID4也可用于检测甲烷、VOCs和碳氢化合物。

采用FID技术的便携式VOCs检测仪FID4。

4GC（气相色谱法）

GC技术用于分离不同种类气体，然后通过其他检测技术（例如使用FID）对气体进行检测。典型的系统由气体注入口、载气口、分离柱、检测传感器和数据处理系统组成，设备通常会对分离柱进行加热。当气体通过分离柱时，气体将根据不同成分的分子量相互分离，因为分子量更大的气体需要更长的时间才能通过分离柱。当气体离开分离器并通过检测器时，会产生信号与时间的关系曲线，各种峰值的时间将指示气体的类型。高灵敏度的系统通常用于实验室仪器，便携式仪器则通常需要更高的气体浓度。GC技术的响应速度较慢，并且会受到分离器的设计影响。

技术指标。

市场上可以购买到便携式和固定式设备，便携式仪器通常用于识别可能存在的气源。例如，天然气会含有一定百分比的乙烷，为了确定地下气体泄漏是来自天然气管道还是来自生物源，企业会使用便携式GC仪器来确定是否存在乙烷。

用于识别含乙烷天然气的便携式GC检测仪示例。

5大流量稀释采样设备

这是一种排放率量化方法，它通过吸收具有较大气流的排放源总量来检测单点排放率（例如单个组件的泄漏）。通过确定气流中泄漏物质的浓度，可以计算出泄漏的总排放率。

与仅检测极少量样气浓度的其他同类设备相比，该仪器吸入的气体流速非常大，因此该设备可以根据已知的吸入气体流量和检测的浓度计算排放率。汉洁自主研发的大流量甲烷分析仪HI-FLOW3就是这样一款便携式设备。

汉洁的大流量甲烷分析仪HI-FLOW3可以为上下游企业的大流量甲烷泄漏检测提供有力支持。

6MS（质谱法）

MS可识别和量化简单/复杂混合物中的分子，并帮助阐明离子-分子的相互作用。MS通常与GC或液相色谱结合使用，从而提高该方法的特异性/选择性。MS的应用范围非常广泛，可用于检测环境污染物和确定甲烷排放。MS是一个相对成熟的领域，在实验室和现场环境中都拥有功能强大的仪器。

技术指标。

MS有一些限制：

所有质谱仪都需要真空，一些设备需要高真空；

构造异构体通常可以区分，而立体异构体可能难以区分；

某些烃类化合物（例如正构烷烃）的离子源（EI）碎片模型高度稳定导致分子的绝对识别变得困难。为此，常使用串联技术（例如添加色谱系统）来表征复杂的碳氢化合物样品；

目前正在开发各种微型和现场便携式质谱仪，例如可连续采样的微型质谱仪传感器，提高了甲烷和其他VOCs的特异性和灵敏度。

质谱仪示例。

73D打印碳纳米管传感器

3D打印碳纳米管传感器主要由功能化和/或掺杂的CNT（碳纳米管）组成，可以检测包括甲烷在内的一系列大气物种。甲烷分子被动地传输到碳纳米管并改变碳纳米管的电响应，可以检测到并转换为甲烷浓度。由于原材料成本低且与可扩展制造方法相结合时所需用量少，传感器成本可能非常低。对于该技术的研究还在进行中，未来将会确定该技术的限制、化学和工程解决方案，包括制造具有各种校准的传感器矩阵，用于对各种化合物进行分类和量化。

技术指标。

传感器可以固定到各种表面或连接到运行装置周围的杆子上。随着风向的变化，甲烷羽流将沿传感器的方向扩散，传感器将读取样气浓度变化。可以将多个传感器部署在井口、管道、压缩机站或其他石油和天然气装置中，将它们读取到的信号组合，就可获知关于排放源和泄漏量大小的信息。

传感器示例。

8DCS（双频梳状光谱）

双频梳状激光器是一种低功率激光源，能产生两束相干光束，激光的每一个“梳”都是特定频率的窄峰，分布在很宽的频率范围内，噪音很小。光的光谱特性可以调谐，以便系统研究不同的分子。DCS提供广泛的可调谐性，具有高光谱分辨率、快速检测和高亮度。由于频率梳是一种稳定的激光源，可以检测少量的化学物质，因此它提高了检测化学品的灵敏度。

技术指标。

DCS检测部分基于吸收光谱，其中一个频率梳与样品相互作用，例如空气中的分子。透射光的频率和强度因样品中化学物质的类型和浓度而异，通过与第二个频率梳的外差进行相干检测，同时执行所有波长的采集。

NIST（美国国家标准与技术研究院）研究人员使用DCS（图中右下角）在两条往返路径（箭头所指的位置）上同时检测多种空气中的温室气体，包括一氧化二氮、二氧化碳、水蒸气、臭氧和一氧化碳。

9LAS（激光吸收光谱）

LAS是过去几十年开发的用于检测甲烷和其他几种气体的众所周知的技术。该技术利用激光的波长依赖性吸收来量化混合物中所有气体的浓度。此外，光量取决于特定气体、气体浓度、波长和光通过介质（空气）的总路径长度。该技术非常通用，随着时间的推移，已经发展出几种变体。

LAS分类。

封闭路径

实践证明，封闭路径LAS比开放路径LAS更精准，封闭路径LAS还能够在更恶劣的环境条件下（例如强降雨天气和低能见度条件）检测气体。

封闭路径技术指标。

激光穿过整个待检测区域后，可以连续收集路径上的平均甲烷浓度值。如果在设计阶段获得甲烷和可能的干扰物的光谱，可以将干扰效应降到最低。

开放路径

开放路径LAS技术基于对大气开放的激光路径。根据仪器和操作模式的不同，路径可以是固定的距离，也可以是可变的。

开放路径技术指标。

用于检测甲烷泄漏的便携式手持LAS检测仪。

10标准具气体传感器

标准具气体传感器基于双折射晶体的法布里-珀罗效应来创建干涉波纹。通过使用标准具晶体，可以创建与目标气体的多条吸收线（即特征）相匹配的特定干涉波纹。匹配多条吸收线可提高灵敏度和交叉物种形成抑制，使基于标准具的气体传感器对甲烷具有高度选择性。最近的技术进步使得低成本、低功率检测器的开发成为可能。

技术指标。

在开放路径配置中，光发射器和接收器位于对大气开放的直接路径中。车载设备将通过气体羽流，使光路与羽流相交，从而进行检测。手持设备的探头则沿地面或沿采样组件移动，当气体通过样品池时，会得到气体检测结果。

用于检测甲烷泄漏的标准具检测仪。

11OGI（光学气体成像）

OGI是一种专门的红外或热成像相机，用于将肉眼无法看到的气体泄漏可视化。这些相机由IR（红外）透射镜头、红外响应图像传感器（探测器）、冷却系统、显示屏或取景器和集成电子设备组成，可提供例如图像处理、分析、内存存储、无线通信等功能。

技术指标。

有两种类型的OGI相机：被动红外成像和主动红外成像。被动红外成像相机通过检测环境背景红外辐射和气体羽流辐射，得到两者之间的强度差异。主动红外成像使用红外光源（即红外激光），该光源发射到待检测区域并反射，与路径上的气体物质相遇时光束会被吸收或衰减，反射的衰减红外光信号随后被红外检测器捕获，从而得到检测结果。

OGI相机和拍摄到的泄压阀泄漏图像。

12FTIR（傅里叶变换红外）光谱

FTIR光谱能够同时检测多种化合物（无机和有机），该技术利用红外光的波长吸收来量化混合物中所有气体的浓度。此外，光的吸收取决于总路径长度、光通过介质（即空气）所经过的气体浓度以及化合物的吸收系数。

技术指标。

与太阳能FTIR与被动FTIR类似，使用外部红外源（例如太阳）进行红外辐射，可以提供有关FTIR和太阳之间的气柱总量信息。还有一些技术以移动式设备使用太阳能FTIR获取空气柱总量中化合物的背景值，从而了解一个或多个源的贡献。

13GFCR（气体过滤器相关辐射检测法）

GFCR仪器是一种光电传感器，能够使用待测气体样本作为光谱过滤器进行识别，从而检测大气中存在的各种气体。它限制了其他分子种类的干扰和误报，从而实现了非常高的精度和信噪比。它还消除了对高光谱成像仪复杂光谱处理特性的需求，产生低数据速率和小传输带宽。这些特性使GFCR成为通过机载或星载微卫星平台检测甲烷的理想选择。

技术指标。

GFCR非常适合在飞机/无人机和微型卫星上实施痕量气体检测，因为传统的光谱仪技术无法达到操作所需的尺寸，而且GFCR不会显著损失性能和空间分辨率。一些服务企业目前正致力于在微型卫星上部署GFCR传感器，用于检测来自太空的甲烷排放和地面泄漏，结合图像处理人工智能，将以非常高的频率覆盖全球泄漏点，提供地球上每个发射器的准确检测结果。

GFCR传感器的检测画面。

检测技术的应用

从石油和天然气的生产加工现场到整个天然气供应链，甲烷检测和定量技术可广泛应用于甲烷减排相关的场景，这些应用的物理场景指现场排放类型和预期的检测规模。在实际应用中需要考虑甲烷排放检测的具体策略、设备和具体部署方法，这些内容对应用户的预期目标、应用规模、检测精度和频率，以及关于排放分布的假设。

目前用于甲烷泄漏检测的技术有很多，其中大多数呈现出的检测结果是图像、点位信息或路径甲烷浓度，这些技术得到广泛应用，其中个别技术对特定方法的适用性取决于它们在检出限和响应时间等关键指标上的表现。

随着技术的发展，利益相关者对现有技术的了解会越来越深，未来这些技术的商业化可用性、成本和技术指标等细节可能会发生重大改变，相信甲烷的泄漏和排放控制也会取得更加深刻的成果。汉洁也在数字驱动的基础上，为上游甲烷检测及减排研发更安全、高效的解决方案。

引用

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