基于IOW的高含硫氣田集輸管網(wǎng)操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

譚清磊 陳國(guó)明 付建民

1.青島理工大學(xué)安全工程系 2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源需求的不斷增大，我國(guó)開(kāi)始開(kāi)發(fā)重慶、川東北等地的高含硫氣藏。高含硫天然氣中的H2S、CO2等物質(zhì)對(duì)集輸管網(wǎng)具有強(qiáng)烈的腐蝕作用，并且高含硫天然氣容易發(fā)生硫沉積和生成天然氣水合物，極易導(dǎo)致管網(wǎng)發(fā)生故障［1－3］。此外高含硫天然氣中H2S具有劇毒。設(shè)備失效、操作失誤、設(shè)計(jì)不合理、管理疏忽等容易造成輸氣中斷、環(huán)境污染、燃燒爆炸及人員中毒等惡性后果。因此，高含硫氣田集輸管網(wǎng)安全運(yùn)行至關(guān)重要，為確保高含硫氣田集輸管網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的運(yùn)行，進(jìn)行高含硫氣田集輸管網(wǎng)操作風(fēng)險(xiǎn)分析具有重要意義。

在過(guò)去的幾十年里，已開(kāi)發(fā)和使用各種工藝安全技術(shù)，安全檢查表、What－If分析法、故障樹(shù)（FT）、事件樹(shù)（ET）、危險(xiǎn)與可操作性分析法（HAZOP）、失效模式和影響分析法（FMEA）、保護(hù)層分析法（LOPA）等是比較常用的方法，可用來(lái)辨識(shí)工藝故障和確定安全保護(hù)措施。完整性操作窗口（Integrity Operating Window，簡(jiǎn)稱IOW）技術(shù)是近年來(lái)新興的一種更為本質(zhì)的工藝安全技術(shù)［4－6］。目前國(guó)內(nèi)在利用IOW技術(shù)對(duì)工藝進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析方面的研究較少，陳煒等［7］介紹了石化裝置IOW 技 術(shù) 及 應(yīng)用。國(guó) 外，Kim J等［4，6］利 用IOW技術(shù)預(yù)防腐蝕，提高化工裝置的可靠性，Kelleher A［5］利用IOW技術(shù)對(duì)壓力設(shè)備進(jìn)行腐蝕管理。本文利用IOW技術(shù)對(duì)高含硫氣田集輸管網(wǎng)進(jìn)行操作風(fēng)險(xiǎn)分析，預(yù)防影響正常輸氣的冰堵，減輕管網(wǎng)的腐蝕，預(yù)防事故的發(fā)生。

1 IOW技術(shù)

IOW技術(shù)是指通過(guò)預(yù)先設(shè)定工藝參數(shù)臨界值、操作邊界，使工藝或操作嚴(yán)格限制在這些設(shè)定的區(qū)域范圍內(nèi)，一旦工藝或操作超出這個(gè)范圍，將反饋一個(gè)警報(bào)，提示工藝或操作已越界，從而提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，預(yù)防設(shè)備故障［7］。

IOW分析的基本依據(jù)是對(duì)整個(gè)操作空間的工藝參數(shù)進(jìn)行分類(lèi)。Lou等［8］建議分別劃分工藝輸入和輸出空間為4個(gè)操作區(qū)域：①區(qū)域Ⅰ，正常操作區(qū)域；②區(qū)域Ⅱ，安全警戒區(qū)域，安全敏感的工藝變化必須處理；③區(qū)域Ⅲ，安全危險(xiǎn)區(qū)域，必須立即采取安全保障措施；④區(qū)域Ⅳ，災(zāi)難區(qū)域，發(fā)生了嚴(yán)重的不可逆的工藝變化，并導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。圖1描述了一個(gè)普通工藝的操作區(qū)域分類(lèi)以及輸入輸出空間之間的映射。基于區(qū)域分類(lèi)，得到一個(gè)定量化工藝安全狀態(tài)的工藝操作安全指數(shù)（POS）。

大多數(shù)工藝模型能夠有效描述工藝的正常操作（區(qū)域Ⅰ），但應(yīng)認(rèn)真核實(shí)描述異常區(qū)域（其他3個(gè)區(qū)域）系統(tǒng)行為的能力，在區(qū)域Ⅰ中使用的假設(shè)可能在其他區(qū)域中無(wú)效，工藝安全模擬重點(diǎn)集中在區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ上，兩者合起來(lái)稱為警戒危險(xiǎn)區(qū)（SAT區(qū)），SAT區(qū)域計(jì)算模型稱為工藝安全模型（ProSec模型），沒(méi)有必要模擬區(qū)域Ⅳ，因?yàn)楫?dāng)操作進(jìn)入此區(qū)域，災(zāi)難已經(jīng)發(fā)生。

圖1 輸入?yún)^(qū)域和輸出區(qū)域之間的映射圖

1.1 SAT－O區(qū)域和SAT－Ⅰ區(qū)域之間的映射

SAT－O區(qū)域的系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)由SAT－Ⅰ區(qū)域的輸入決定，根據(jù)工藝輸入可以知道工藝安全狀態(tài)。對(duì)一個(gè)普通的工藝，輸入紊亂影響輸出需要一定的時(shí)間，即時(shí)間延遲（記為Δtd），提前知道安全狀態(tài)的變化，有利于提前采取主動(dòng)安全措施。圖1用函數(shù)M（X，Y）描述了輸入X和輸出Y之間的映射［8］，函數(shù)可以從ProSec模型得到。在每對(duì)鄰近區(qū)域邊界的3個(gè)映射函數(shù)是比較關(guān)鍵的：Xan→Yan；Xta→Yta；Xdt→Ydt。

SAT－Ⅰ區(qū)域的辨識(shí)非常重要，有利于采取早期措施預(yù)防事故。因?yàn)槿绻繶（t）進(jìn)入?yún)^(qū)域SAT－Ⅰ，那么Y（t）在時(shí)間 Δtd將進(jìn)入SAT－O區(qū)域。

1.2 工藝操作安全指數(shù)

工藝操作安全指數(shù)（POS）表示偏離工藝正常操作區(qū)域的程度，取值0與1之間，“0”表示安全的狀態(tài)，“1”意味著災(zāi)難性事故發(fā)生：

式中Y（t）為包含工藝安全敏感輸出變量（如溫度、壓力等）的向量；Yan為包含區(qū)域Ⅰ外邊界輸出變量的向量；Ydt為包含區(qū)域Ⅲ外邊界輸出變量的向量。因此‖Ydt－Yan‖為SAT－O空間大小?！琘（t）－Yan‖為系統(tǒng)進(jìn)入SAT－O區(qū)域的程度。如果Y（t）位于區(qū)域Ⅰ，POS不能應(yīng)用，因?yàn)闆](méi)有安全問(wèn)題。注意POS是時(shí)間變量，依賴于輸出Y（t）。因此，POS可以反映工藝操作安全程度的變化。

2 高含硫氣田集輸管網(wǎng)簡(jiǎn)介及敏感性變量辨識(shí)

2.1 高含硫氣田集輸管網(wǎng)簡(jiǎn)介

以川東北某高含硫氣田集輸管網(wǎng)3號(hào)線為研究對(duì)象，如圖2所示，其采用濕氣集輸工藝，天然氣從井口采出后，在集氣站加注水合物抑制劑、緩蝕劑，加熱節(jié)流，單井或多井計(jì)量后進(jìn)入集氣干線保溫混輸，然后在集氣末站分離計(jì)量后進(jìn)入天然氣凈化廠，井站及管網(wǎng)設(shè)施簡(jiǎn)單。此外集氣站具有對(duì)天然氣進(jìn)行放空和智能清管接收與發(fā)送等功能［9－10］。

圖2 高含硫天然氣集輸管網(wǎng)圖

2.2 安全敏感性變量辨識(shí)

2.2.1 SAT－O區(qū)域變量辨識(shí)

根據(jù)管道強(qiáng)度、水合物生成的主要影響因素及管道腐蝕影響因素，確定4條管道安全敏感性輸出變量為管道中天然氣壓力、溫度、流速。

2.2.2 SAT－Ⅰ區(qū)域變量辨識(shí)

SAT－Ⅰ區(qū)域變量辨識(shí)十分重要，因?yàn)樗峁撛谑Э貭顟B(tài)的早期信息。L4、L3、L2、L1管道的敏感性輸入變量如下所示。

1）L4管道：P304集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度。

2）L3管道：①P303集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；②P304集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度。

3）L2管道：①P302集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；②P303集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；③P304集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度。

4）L1管道：①P301集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；②P302集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；③P303集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；④P304集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度。

3 安全敏感性輸出變量區(qū)域邊界辨識(shí)

管道安全敏感性輸出變量區(qū)域邊界的確定考慮以下因素：管道關(guān)鍵操作參數(shù)（如管道承受壓力的極限）及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)；天然氣水合物生成、單質(zhì)硫沉淀等異?，F(xiàn)象；天然氣的物理和化學(xué)性質(zhì)（如腐蝕性等）。分析這些因素時(shí)不僅要研究單根管道的安全性敏感擾動(dòng)，辨識(shí)整個(gè)工藝系統(tǒng)的安全狀態(tài)，而且要研究貫穿系統(tǒng)的擾動(dòng)傳播的綜合影響。

3.1 管道壓力輸出變量區(qū)域邊界辨識(shí)

天然氣壓力對(duì)管道的安全運(yùn)行非常關(guān)鍵。管道承受最大的壓力取決于其設(shè)計(jì)和所用的材料。管道的最大允許工作壓力（MAWP）可以根據(jù)安全和健康法規(guī)表示為［11］：

式中Ts是材料的極限強(qiáng)度；t為材料厚度；E為縱向焊縫系數(shù)；R為管道內(nèi)徑；FS為允許的安全系數(shù)。MAWP設(shè)置為安全警戒區(qū)的邊界。對(duì)于壓力管道，應(yīng)當(dāng)用壓力釋放裝置保護(hù)，防止壓力上升超過(guò)MAWP的10%，故1.1 MAWP設(shè)為安全危險(xiǎn)區(qū)域邊界。認(rèn)為比正常操作壓力大10%的壓力為正常操作區(qū)域邊界。集氣管線的管材選用直縫埋弧焊鋼管（SAW），等級(jí)為L(zhǎng)360，遵 循 的 標(biāo) 準(zhǔn) 為 GB／T 9711.3—2005 （ISO 3183—3：1999）《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件 第3部分：C級(jí)鋼管》［9］。對(duì)無(wú)縫鋼管，E 為1。L360鋼管極限強(qiáng)度為460MPa。管道L1、L2、L3、L4壓力輸出空間區(qū)域邊界見(jiàn)表1。

3.2 管道中天然氣溫度輸出變量區(qū)域邊界辨識(shí)

由于高含硫天然氣中H2S和CO2等物質(zhì)含量較高，水合物形成溫度較高，天然氣溫度輸出變量區(qū)域邊界主要取決于天然氣水合物的形成溫度。天然氣水合物是在天然氣開(kāi)采、加工和運(yùn)輸過(guò)程中在一定溫度和壓力下，天然氣中的某些組分和液態(tài)水形成的冰雪復(fù)合物，嚴(yán)重時(shí)能堵塞井筒、管線、閥門(mén)和設(shè)備，影響天然氣的開(kāi)采、集輸和加工［1，12］。

氣田采用濕氣輸送方案時(shí)，應(yīng)加熱輸送使集輸管網(wǎng)中天然氣最低溫度高于水合物形成溫度3～5℃，根據(jù)普光氣田已獲氣井氣質(zhì)報(bào)告，使用HYSYS軟件計(jì)算出不同壓力下天然氣水合物的形成溫度如圖3所示，進(jìn)末站天然氣水合物形成溫度約24.7℃，考慮5℃的溫度裕量后，末站溫度應(yīng)為29.7℃。溫度合格判定方法為沿線各節(jié)點(diǎn)及末站接氣點(diǎn)原料天然氣溫度不小于30℃［10］。

表1 管道壓力輸出空間區(qū)域邊界表 MPa

圖3 不同壓力下天然氣水合物的形成溫度圖

天然氣水合物的生成依次包括晶核形成和生長(zhǎng)聚集兩個(gè)階段。當(dāng)天然氣壓力不變時(shí)，溫度必須低于理論平衡溫度若干攝氏度，并經(jīng)過(guò)一定時(shí)間誘導(dǎo)才能形成水合物晶核。有關(guān)文獻(xiàn)把給定壓力下形成水合物的平衡溫度（Te）與工藝實(shí)際運(yùn)行操作溫度（To）的差值定義為過(guò)冷度（ΔT），如式（3）所示。而把一定過(guò)冷度下形成水合物晶核的時(shí)間定義為誘導(dǎo)時(shí)間，誘導(dǎo)時(shí)間與過(guò)冷度之間存在式（4）所示的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

式中t表示誘導(dǎo)時(shí)間，min；ΔT表示過(guò)冷度，℃。

實(shí)踐表明過(guò)冷度不大于7.49℃時(shí)，一般不會(huì)形成天然氣水合物；而過(guò)冷度大于11.1℃時(shí)，在25min以內(nèi)（甚至瞬間）就會(huì)形成天然氣水合物［13］。因此可以確定天然氣溫度輸出空間區(qū)域邊界，見(jiàn)表2。

表2 某氣田高含硫天然氣溫度輸出空間區(qū)域邊界表

3.3 管道中天然氣流速輸出變量區(qū)域邊界辨識(shí)

氣田采用濕氣集輸方案，使集輸管道內(nèi)氣體流速在3m／s以上，并定期清管消除積液，減少管道內(nèi)腐蝕［14］。在整個(gè)集輸管網(wǎng)壓力允許的前提下，選擇經(jīng)濟(jì)合理的管徑，控制管內(nèi)氣體流速在3～6m／s范圍內(nèi)［3，15］，以保證攜液能力，減少積液，同時(shí)達(dá)到緩蝕劑應(yīng)用效果。研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明氣體流速是影響管道CO2、H2S腐蝕的非常重要的因素。高流速產(chǎn)生的沖刷作用不僅極易破壞管道的腐蝕產(chǎn)物膜，而且阻礙腐蝕產(chǎn)物膜的形成，使管道內(nèi)表面處于裸露的初始腐蝕狀態(tài)。因此，通常是流速增加，腐蝕速率也增加［16］。此外，高流速還會(huì)影響緩蝕劑發(fā)揮作用，研究認(rèn)為當(dāng)流速大于10m／s時(shí)，緩蝕劑不再發(fā)揮作用。流速最大不能超過(guò)30m／s，流速太高不僅加速腐蝕和沖蝕，而且會(huì)引起管系的閥門(mén)（包括控制閥）、特殊管件、管道中物料流向突變的管系、安全閥放空管系等工作時(shí)因高流速湍流產(chǎn)生高噪聲［2，17］。因此可以確定天然氣流速輸出變量區(qū)域邊界，如表3所示。

表3 天然氣流速輸出空間區(qū)域邊界表

4 安全敏感性輸入變量區(qū)域邊界辨識(shí)

通過(guò)了解安全敏感輸出變量，根據(jù)輸出變量的限制，研究各種安全敏感輸入變量的區(qū)域界限。一個(gè)輸入變量的變化可能導(dǎo)致多條管道移動(dòng)到不同的操作區(qū)域，在這種情況下，導(dǎo)致任何管道先越過(guò)輸出區(qū)域邊界的最嚴(yán)格的約束，作為整個(gè)集輸系統(tǒng)的特定區(qū)域的邊界。利用HYSYS軟件建造的模型，研究輸入變量變化時(shí)對(duì)不同管道的影響，在軟件中用混合器把來(lái)自4個(gè)集氣站的高含硫天然氣并到集氣干線，使用管段模塊模擬集氣站間的集輸管道。因?yàn)樗幍匦味嘧?，管段模擬中必須考慮海拔變化，使用HYSYS的穩(wěn)態(tài)功能模擬處于不同地形的集輸管網(wǎng)。集輸管網(wǎng)所處地形如圖2所示。

在本文的研究中，當(dāng)一個(gè)輸入變量變化時(shí)，所有其他的輸入變量和運(yùn)行參數(shù)保持在正常操作區(qū)域，然后進(jìn)行模擬，將來(lái)再研究不同干擾的綜合影響。本文將對(duì)下列工藝敏感性輸入變量進(jìn)行研究：①供氣量的變化；②供氣溫度的變化；③供氣壓力變化。詳細(xì)說(shuō)明供氣量、供氣壓力、供氣溫度的變化對(duì)不同管道安全敏感擾動(dòng)的“連鎖效應(yīng)”。

4.1 P304集氣站供氣量的影響

利用模擬結(jié)果研究P304集氣站供氣量的變化對(duì)L4、L3、L2、L1管道中天然氣流速、壓力、溫度的影響，其中對(duì)管道中天然氣流速的影響最為明顯。根據(jù)模擬結(jié)果研究L4、L3、L2、L1管道流速變化情況。正常條件下，P304集氣站供氣量為200×104m3／d，當(dāng) P304正常供氣時(shí)，最低流速出現(xiàn)在L4管道，管道氣體流速隨地形變化如圖4所示。當(dāng)P304供氣量減少時(shí)，管道氣體流速會(huì)減小。

圖4 L4管道氣體流速隨地形的變化圖

當(dāng)P304供氣量為170×104m3／d時(shí)，L4管道最低流速為3m／s。當(dāng)P304供氣量達(dá)到249×104m3／d時(shí)，L2管道最大流速達(dá)到6m／s。當(dāng)P304供氣量達(dá)到282×104m3／d時(shí)，L3管道中的最大流速達(dá)到6m／s。當(dāng)P304供氣量達(dá)到337×104m3／d時(shí)，L4管道最大流速達(dá)到6m／s。表4列出了P304集氣站供氣量對(duì)整個(gè)集輸系統(tǒng)的輸入?yún)^(qū)域邊界。

4.2 P304集氣站供氣溫度的影響

研究P304集氣站供氣溫度對(duì)整個(gè)集輸管網(wǎng)的影響。P304集氣站供氣溫度設(shè)計(jì)值為55℃，對(duì)P304集氣站不同的供氣溫度進(jìn)行模擬，檢查L(zhǎng)4、L3、L2、L1管道中天然氣溫度的情況。P304集氣站供氣溫度的減小，會(huì)導(dǎo)致L4、L3、L2、L1管道中天然氣溫度的降低。L4、L3、L2、L1管道中天然氣最低溫度隨P304集氣站供氣溫度變化如圖5所示。基于管道中天然氣溫度輸出區(qū)域邊界可以確定P304集氣站供氣溫度輸入?yún)^(qū)域邊界。如圖5所示，當(dāng)P304集氣站供氣溫度為17.2℃時(shí)，L4管道最低溫度為17.2℃，當(dāng)P304集氣站供氣溫度為24.7℃時(shí)，L4管道最低溫度為24.7℃，當(dāng)P304集氣站供氣溫度為30℃時(shí)，L4管道最低溫度為30℃。當(dāng)P304集氣站供氣溫度為17.2℃時(shí)，L4管道最低溫度為17.2℃，其他管道最低溫度沒(méi)有低于30℃。因此，基于管道中天然氣溫度的P304集氣站供氣溫度的輸入?yún)^(qū)域邊界見(jiàn)表5。

表4 P304集氣站供氣量輸入?yún)^(qū)域邊界表

圖5 管道中天然氣最低溫度隨P304集氣站供氣溫度的變化趨勢(shì)

表5 P304集氣站供氣溫度的輸入?yún)^(qū)域邊界表

4.3 P304集氣站供氣壓力的影響

P304集氣站供氣壓力增加會(huì)對(duì)管道有影響，并且影響水合物的形成溫度。當(dāng)壓力為25MPa時(shí)，天然氣水合物的形成溫度為27.6℃。L4、L3、L2、L1管道中，L3管道溫度最低為32.5℃，仍高于天然氣水合物的形成溫度。P304集氣站供氣壓力對(duì)管道強(qiáng)度的影響大于對(duì)天然氣水合物形成的影響。P304供氣壓力變化對(duì)管道最大壓力的影響如圖6所示。當(dāng)P304集氣站供氣壓力為9.81MPa、10.45MPa、11.49MPa時(shí)，L4管道最大壓力達(dá)到9.9MPa、10.55MPa、11.60 MPa。而L2、L3、L4管道最大壓力均在正常操作區(qū)間內(nèi)。

圖6 管道最大壓力隨P304集氣站供氣壓力的變化趨勢(shì)圖

根據(jù)《川氣出川天然氣管道工程可行性研究報(bào)告》要求，凈化氣首站進(jìn)站壓力為8.0MPa，考慮凈化廠凈化工藝壓力損失0.2～0.3MPa，故普光氣田內(nèi)部集輸工藝在出末站壓力最低壓力為8.2MPa。當(dāng)P304集氣站供氣壓力為8.93MPa時(shí)，L1管道末端輸出壓力為8.2MPa。因此基于管道最大壓力的P304集氣站供氣壓力的輸入?yún)^(qū)域邊界見(jiàn)表6。

表6 基于管道最大壓力的P304集氣站供氣壓力的輸入?yún)^(qū)域邊界表

根據(jù)類(lèi)似的原理和方法，可以得出P303、P302、P301集氣站的供氣溫度、供氣壓力、供氣量的輸入?yún)^(qū)域邊界。

5 結(jié)論

1）以高含硫氣田集輸系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于IOW技術(shù)對(duì)其操作風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估進(jìn)行研究。首先辨識(shí)工藝安全敏感輸出和輸入變量，然后根據(jù)物理極限、法規(guī)、工程實(shí)踐等確定每條管道的安全敏感輸出變量的區(qū)域邊界。最有意義的是安全敏感輸入變量區(qū)域邊界的辨識(shí)。通過(guò)模擬各種情形下的工藝狀態(tài)，仔細(xì)分析每個(gè)輸入變量的變化對(duì)整個(gè)集輸系統(tǒng)的影響，對(duì)輸入變量操作空間分級(jí)，評(píng)價(jià)工藝的安全狀態(tài)，為制定集輸系統(tǒng)運(yùn)行操作方針提供參考，預(yù)防事故的發(fā)生。

2）當(dāng)選擇一個(gè)輸入變量進(jìn)行SAT－Ⅰ空間分類(lèi)時(shí)，是建立在固定其他剩余輸入變量在正常操作區(qū)域的基礎(chǔ)上。當(dāng)不僅僅一個(gè)輸入變量變化時(shí)，區(qū)域邊界應(yīng)當(dāng)重新確定。為了確保工藝安全，如果任何一條管道的輸出變量越過(guò)一個(gè)特定的區(qū)域邊界，那么就認(rèn)為整個(gè)集輸系統(tǒng)某個(gè)安全敏感輸入變量進(jìn)入一個(gè)特定的區(qū)域。

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