海上CCS 項目CO2在線監測技術研究*

田文爽 （中國海洋石油集團有限公司節能減排監測中心）

工業革命以來，大氣中溫室氣體濃度顯著增加，全球應對氣候變化形勢日趨嚴峻，極端氣候事件對民眾生活的影響越來越大。全球變暖背景下，國際社會邁向碳中和的共識不斷增強。但近年來，國際環境錯綜復雜，能源市場存在明顯的不穩定性和不確定性，為全球溫升控制目標的實現帶來負面影響。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC） 2021 年第六次評估報告，全球溫升已達1.1 ℃，導致極端氣候發生頻率明顯升高[1]。隨著時間推移，各國越來越需要采取更有力的手段來推動減排。CO2捕集與封存（CCS） 作為實現大規模降碳的技術，普遍被國際作為未來減少碳排放、實現可持續發展的重要手段。中國海油深入貫徹落實國家“雙碳”戰略部署，于2021 年啟動了我國首個海上CO2封存示范工程，全面推進CCS 產業發展。CCS 項目運營的關鍵是要確保CO2得到長期封存。隨著全球范圍內越來越多的CCS 項目開發，由于CO2封存泄漏而給環境、人員安全帶來的風險逐漸受到關注。因此，從保障海上CCS 項目相關平臺人員作業環境安全性的角度出發，開展海上CCS 項目平臺環境CO2在線監測技術研究。

1 CO2監測現狀

CO2捕集、利用與封存項目全流程都涉及到CO2介質，作為窒息性氣體，環境中CO2濃度超過一定限值，將對人體健康產生嚴重危害。根據童朝陽等[2]的研究，人體吸入的空氣中CO2濃度超過2%（體積分數）就會激活呼吸換氣的生理反應，對周圍其他有害氣體的耐受性也將會大幅下降。美國政府工業衛生專家協會（ACGIH）公布的職業接觸限值（OELs） 中，CO2的時間加權平均容許濃度為9 000 mg/m3，短時間接觸容許濃度為54 000 mg/m3，我國相關標準規定的CO2時間加權平均容許濃度為9 000 mg/m3，在數據上與ACGIH 要求一致，短時間接觸容許濃度為18 000 mg/m3，比ACGIH 要求更嚴格[3]。

雖然大多數CO2封存項目被驗證是安全的，但潛在的泄漏風險也不容忽視。2010 年12 月與2011年2 月，美國丹伯里（Denbury）公司位于洛杉磯和德克薩斯州的CO2輸送管道因焊接缺陷發生泄漏[4]；2011 年8 月，丹伯里公司在密西西比開展的CO2強化驅油項目中發生井噴，大量CO2、原油和鉆井泥漿持續噴出，造成井口附近的鹿等動物窒息[5]；2020 年2 月，丹伯里公司的一條CO2輸送管道再次發生故障，導致密西西比州Satartia 附近的49人生命安全受到威脅，約300 名居民被迫撤離[6]。因此，環境中CO2濃度是影響海上CCS 設施及周邊平臺人員作業環境的重要因素之一，在項目中對CO2進行重點監測是十分必要的。

在已實施的眾多項目中，建設方或運營方采取了多種監測技術進行監測實踐，以確保CO2封存安全性，主要包括以地震監測、測井技術等為代表的地球物理監測技術，以井流體化學分析、示蹤劑技術、土壤氣體分析、大氣監測等技術為代表的地球化學監測技術以及地下模擬技術等[7]。如神華煤制油深部咸水層CO2地質封存示范項目采用井下溫度壓力監測和時移VSP 地震監測技術，確認了CO2運移范圍。采用淺層地下水監測、原位通量監測、近地表CO2/SF6監測等，從不同角度對CO2泄漏進行了監測[8]。挪威國家石油公司在Sleipner 項目中的地震監測結果顯示了CO2層狀羽狀體在咸水層內的發展和運移狀況；加拿大Weyburn 項目中，定期取樣對pH 值、Ca2+、Mg2+、溶解固體（TDS）總量等進行分析，監測CO2與儲層流體及巖石基質發生的短期化學反應，而注入碳的同位素能監測到CO2向儲層的運移[9]。李琦等分析了SECARB、Otway、Lacq、Weyburn、 Gorgon、 Sleipner、 In Salah、 Sn?hvit、CO2SINK 等全球幾個項目的監測內容，根據分析結果，所參考的各海外油氣田在監測對象及監測技術應用中僅有SECARB，Otway，Lacq 對大氣CO2濃度進行了監測[10]。

國內外對CCS 項目的監測以地面設備運行狀態監測、地面管線完整性監測、CO2注入流量監測、井筒完整性監測、羽流前沿跟蹤、封存箱體蓋層/斷層完整性監測、地面/近地表土壤與水質監測、地面沉降監測等為重點，對大氣CO2濃度，特別是對人員活動空間的CO2濃度實時監測重視程度相對較低，研究應用涉及較少。

2 在線監測系統

2.1 監測范圍

海上CCS 項目監測范圍包含海平面以上、海洋水體及海底地質多個維度，相比陸地項目監測難度及成本更高。注入平臺及周邊油氣田生產設施具有空間緊湊、生產環境復雜、有多種有毒有害氣體存在的可能等特點，加之受限空間較多，人員疏散的及時性也難以保障。因此，平臺環境CO2監測是海上地質封存監測系統中的核心之一。建設適合海上CCS 項目的在線監測系統，需要結合海上生產設施的特點并兼顧項目的監測需求做好規劃。

2.2 系統架構

結合當前海上CCS 項目的環境CO2監測需求，系統架構主要包括數據采集層、數據傳輸層、系統平臺層以及應用展示層。監測系統功能架構見圖1。

圖1 監測系統功能架構Fig.1 Functional architecture of the monitoring system

監測系統通過上述功能架構，將監測數據流、信息流集成統一的管控展示體系。監測系統工作流程見圖2。

圖2 監測系統工作流程Fig.2 Workflow of the monitoring system

數據采集層由多個CO2氣體濃度監測傳感器、氣象參數傳感器等監測設備組成，根據海上平臺監測場景，在注入設施泄漏風險點重點布置，可以對CO2濃度、氣象參數進行連續、自動在線監測；同時預留第三方接口，滿足系統對海洋環境原位監測、海底地質監測等的可擴充性。數據傳輸層主要包括數據采集器及傳輸模塊等，接收到來自采集層的實時數據后，通過傳輸模塊把監測數據傳送到系統平臺層進行進一步存儲和處理。系統平臺層搭建數據接口，對網絡設備、服務器、存儲設備等基礎設施進行整合，滿足數據的存儲、管理、計算、交換需求，實現對前端監測設備上傳的數據進行數據存儲、統計分析、趨勢分析、查詢比較，進行信息的處理和歸集整理，提供給用戶實現終端數據展現。應用展示層包括根據系統具體需求實現的應用功能模塊，并對數據信息進行可視化，提供豐富的界面展示（濃度云圖、GIS、BIM 模型等）和多維數據展示形式（監控圖、報表、趨勢圖、統計圖）；直觀、形象的實時顯示各監測點位和整個區域的CO2濃度情況，并提供異常報警、區域定位等多種服務，以方便管理人員使用。

2.3 系統安全性

系統安全性主要從網絡安全和數據安全兩方面考慮。在網絡安全方面，海上平臺生產設施的信息網絡相對封閉，因此系統及網絡的安全性能夠得到有效保障。考慮未來在陸地建立監測中心的需要，規劃利用公司已有的云平臺進行部署。規劃利用公司已有的云平臺進行部署，并通過網關確保數據傳輸的安全性。特別是考慮到生產安全，在DCS 和PMS 系統的數據出口以及平臺與陸地通信數據出口分別設置界面防火墻和IT 防火墻，對關鍵系統實施隔離。

在數據安全方面，監測系統采用嚴密的身份驗證和訪問控制機制，從賬號管理、口令安全、認證授權、日志配置、IP 協議安全、系統服務及端口、數據執行保護、SNMP 服務管理等多方面考慮，并設計核心數據隔離功能，避免無關人員接觸這些數據，從而保障數據安全。

3 監測傳感器原理及選擇

3.1 常用氣體監測傳感器原理

環境CO2在線監測工作的開展，最重要的工作內容是監測技術及傳感器的選取和應用。在大氣環境氣體的監測技術中，按照原理主要有化學法和光譜學方法。

1）化學法可以根據氣體的化學性質，通過化學反應進行環境氣體測量，如以酸堿反應為基礎的指示劑滴定法等，受限于檢測時間長等難以進行連續監測，常用于實驗室檢測。化學法更多的應用原理為電化學分析方法，主要包括色譜、質譜分析和色譜-質譜聯用技術等。氣相色譜法是利用氣體在不同物理化學條件下移動速度不同導致分離的分析方法，常用檢測設備有火焰電離檢測器（FID）與熱導檢測器（TCD）等；質譜分析是在高真空下將樣品離子化，通過測量離子的譜峰強度而實現分析目的，常與氣相色譜聯用，廣泛應用于復雜組分的分離與鑒定，相比氣相色譜法靈敏度更高。氣相色譜、質譜檢測設備對樣品預處理要求較高，完成一次檢測通常需要幾分鐘到幾十分鐘，難以實現實時監測，用于連續監測還受限于成本偏高、設備體積較大；電化學分析是將氣體在電極處進行電化學反應，通過電流或電壓等信號反映被測氣體濃度。常見的傳感器有電解式氣體傳感器、伽伐尼電池式氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器、半導體式傳感器等。電化學傳感器監測精度容易受到溫度波動及其他干擾氣體的影響，通常壽命只有六個月到一年。

2）光譜學方法基于不同氣體分子對特定波長光的吸收特性不同，從而實現對氣體的準確監測。該方法具有快速、非破壞、高效、動態等優點，適用于現場快速檢測以及實時在線分析，廣泛應用于環境監測、工業安全等領域。常用于氣體在線分析的光譜學方法主要有非分散紅外（NDIR）、傅立葉變換紅外光譜（FTIR）、 差分吸收激光雷達（DIAL）、差分光學吸收光譜（DOAS）和可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS） 等。NDIR 技術基于氣體在紅外波段的特定吸收特性進行檢測，通過計算光譜強度的變化量可以反演出氣體濃度；CO2氣體吸收光譜的峰值主要集中在4.3 μm 區域，且在此區域幾乎不受其他氣體干擾，因此在CO2氣體濃度檢測領域具有獨特的優勢。FTIR 技術是使樣品路和參考路的光產生干涉，并通過傅立葉變換轉換為紅外光譜圖，具有掃描速度快、光通量大和靈敏度高等技術優勢；但價格相對較高，容易受到水蒸氣等雜質的干擾。DIAL 技術將兩束高能激光引導到大氣中，將散射回來的光強信號進行比較分析，得到氣體的吸收量；但整套系統非常復雜，運行成本高，占地面積大。DOAS 是在紫外和可見波段對氣體分子的特征吸收進行檢測分析的技術，具有無需采樣、高時間分辨率及低檢測限等特點；但一般6個月需要更換一次氙燈，并進行零點校準，運行維護成本較高。TDLAS 技術利用了半導體激光器可調諧和窄線寬的特性，進而避開其他氣體吸收譜線，具有高選擇性和高靈敏度；但目前設備價格較高，不適用于大規模布置。

3.2 傳感器選擇與布置

海上平臺設施環境具有濕度大、干擾氣體成分復雜等特點。在傳感器選擇上應當注意幾個方面：一是靈敏度，靈敏度是保障檢測精度的重要依據；二是抗干擾能力及防腐、防爆能力，由于海上環境較為復雜，因此傳感器的干擾性以及應對氯離子腐蝕、電氣防爆也是保障性能和安全性的重要部分；三是體積與價格，由于海上設施復雜性，往往需要網格化布置傳感器，因此便于布置和性價比也是需要綜合考慮的重要部分。根據不同類型傳感器的優缺點，選取NDIR 傳感器作為海上CO2在線監測系統主要傳感器，并進行人員活動區域網格化布置，TDLAS 傳感器在泄漏高風險點位進行局部布置，同時做好防腐、防爆處理。

對于傳感器布置點位的選擇，一般在海上設施各個甲板層上布設的傳感器越多，監測系統就能夠獲得越多的數據，但實際的監測中需要考慮功能與成本最優原則。因此，在實際監測環境中，應在滿足監測系統功能的前提下，利用有限的傳感器獲取最有價值的數據。布點的選擇遵循下列原則：一是范圍覆蓋，在人員重點活動區域如生活甲板層和外操活動區域等開展網格化布置；二是重點監測，在CO2壓縮機房和管路沿線封閉環境等點位加強監測。

4 數據傳輸模式

數據傳輸主要是通過不同通信協議之間的轉換，實現系統與監測設備之間的通信。數據傳輸層接收到來自分布式數據采集設備的實時數據傳送到系統平臺層進行進一步存儲和處理。綜合多方面因素考慮，海上平臺環境CO2在線監測系統在數據傳輸部分采用有線傳輸和無線傳輸兩種形式。

1）有線傳輸。對于新建平臺設施部署監測系統，在設計階段做好規劃，盡量采取有線傳輸模式。考慮到傳輸距離，選用RS485 串口通信協議進行數據的有線傳輸，減少數據傳輸過程的丟失。監測終端的表頭式傳感器通過RS485 通信協議將采集到的數據上傳至數采儀中，數采儀整合數據后再通過TCP/IP 協議將數據上傳至服務器。其他箱體式監測儀如TDLAS 氣體傳感器、CO2紅外線氣體分析儀直接采用TCP/IP 協議，將數據上傳至服務器，平臺分析服務器獲取數據并于前端展示。在平臺間及平臺到陸地的數據傳輸過程中，可以使用海油海底光纜進行數據傳輸，并在陸地機房中部署服務器、操作平臺。

2）無線傳輸。無線傳輸具有不依賴現有基礎設施、擴容能力強等優點。因此，既有平臺設施增設監測系統時，對海上平臺設施無法布線的局部區域，在就近區域的數據采集儀與服務器之間采用無線LoRa（Long Range Radio）傳輸的形式。LoRa 通過無線射頻進行通信，能夠將采集數據通過點對點的方式發送到網關節點，并進一步傳輸到服務器，在同樣的功耗下比其他無線方式通信的距離更遠，對平臺內監測點位的數據傳輸有較強適用性。對于超遠距離傳輸，可以采用衛星通信的形式，但考慮到衛星通信延時高、帶寬低、成本高的缺點，只有未來在遠離平臺的海床、海洋中的原位傳感器采用衛星通信數據傳輸方式。

5 應用與展示層

監測系統在設計中采用主流B/S 框架結構和面向對象的開發理念，系統規劃有平臺概覽、數據查詢、統計分析、報警管理、報表管理、基礎配置、系統配置等主要功能模塊。監測系統功能界面見圖3。

圖3 監測系統功能界面Fig.3 Functional interface of the monitoring system

在平臺概覽展示方面，結合監測系統對空間及點位監測的需求，將BIM+GIS 技術應用于在線監測系統中。該模塊能夠在界面上顯示海上平臺分布及實時監測信息，包含設備編號、經緯度、負責人等；通過對海上平臺的三維建模和監測數據動態擬合，繪制濃度云圖，實現BIM 數據和GIS 數據的融合及三維可視化展示。

數據查詢及統計分析模塊能夠通過自定義搜索選擇平臺和點位名稱，并實時監測設備遠程狀態，滿足用戶根據需求進行監測數據篩選；支持以天、月及自定義等方式進行歷史數據查詢和同比、環比趨勢分析，從時間和空間的角度進行多樣化監測數據展示和分析對比。

在報警管理中的報警限值模塊可以對環境CO2濃度的報警值進行增、改、查、刪操作，除了常規超值報警外，監測值短期波動值過大時系統進行預警。報警查詢模塊可以展示報警信息情況，以列表的形式顯示監測數據、報警點位、記錄時間等信息，用戶能夠便捷的對監測指標異常的報警信息進行查看。

報表管理模塊能夠在歷史數據的基礎上，顯示海上平臺各個點位環境CO2濃度監測的信息，可以通過自定義搜索選擇平臺和點位名稱，根據實際需要對查詢時間段進行選擇，并以列表的形式顯示監測數據、時間、氣象參數等數據信息，使用戶能夠以時間、位置、指標為基本統計維度，直觀、清楚地查看及導出報表。

基礎配置與系統配置模塊可以對監測指標、監測點位、用戶信息、用戶權限等信息進行管理，以列表的形式顯示對應信息，并進行增、改、查、刪操作。

6 結論及展望

CCS 技術在碳減排領域有廣闊的應用前景，但其潛在的泄漏風險也在一定程度上制約著技術的發展。結合“雙碳”背景以及海上CCS 項目的發展，介紹了海上平臺CO2在線監測系統技術研究情況，重點闡述了系統架構、系統安全性、監測傳感器的原理及選擇，以及系統的數據傳輸模式和應用與展示功能。該系統以CO2監測傳感器為基礎，實現了對海上平臺環境CO2的實時監測，具有同比和環比分析、趨勢分析、報表管理、報警管理以及基礎配置和系統配置等功能，為海上CCS 項目順利開展提供了平臺環境CO2監測的解決方案。

現階段，由于技術和成本問題，海上平臺環境CO2在線監測的布點仍局限在平臺及周邊區域，對于遠離平臺的區域開展連續、實時監測仍面臨設備供電、數據傳輸、點位選擇及固定、傳感器回收維護等諸多問題。未來海上CCS 項目CO2在線監測仍有很大發展空間，引入更多先進的監測技術和多維度的監測參數，建設集成更先進的監測設備與通信設備的海陸空一體的CCS 項目綜合監測中心，優化監測布點的選擇，實現覆蓋整個封存區域的連續、實時、在線監測，對于了解海上CCS 項目生態環境影響狀況、量化風險評估和進行泄漏預警等具有重要的意義。