濕天然氣集輸管道系統(tǒng)危險(xiǎn)和可操作性分析

董勇 姚亞男 肖芳（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司）

引言

在高含硫天然氣藏的開發(fā)中，集輸管道輸送工藝對(duì)天然氣集輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有十分重要的意義[1]。集輸管道系統(tǒng)的工藝過程除集聚危險(xiǎn)氣體外，外部環(huán)境的變化（壓力、溫度、緩蝕劑等）也直接影響集輸管道的安全運(yùn)行狀態(tài)。因此，有必要對(duì)集輸管道系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)和可操作性研究，并對(duì)可能造成天然氣管道安全隱患的因素進(jìn)行分析[2]。本文通過采用危險(xiǎn)和可操作性分析方法，結(jié)合動(dòng)態(tài)過程模擬技術(shù)，對(duì)影響集輸管道系統(tǒng)安全的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)過程進(jìn)行危險(xiǎn)和可操作性定量評(píng)價(jià)。

一、濕天然氣集輸工藝過程簡介

隨著高含硫天然氣田開發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大，考慮到集輸系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，高壓濕天然氣集輸管道工藝逐漸受到人們的青睞。濕天然氣集輸工藝是指天然氣不經(jīng)過脫水處理，在水汽飽和條件下輸送。濕天然氣集輸工藝過程主要如下：井口來天然氣經(jīng)一級(jí)節(jié)流降壓后進(jìn)入井口分離器，進(jìn)行氣液分離，分離后的天然氣仍含飽和水蒸氣。由于節(jié)流降壓使天然氣溫度也同時(shí)下降，為避免水合物生成，天然氣進(jìn)入水套加熱爐進(jìn)行一級(jí)加熱后再經(jīng)二級(jí)節(jié)流降壓，然后需進(jìn)入水套爐進(jìn)行二級(jí)加熱，以達(dá)到外輸要求。各井口來氣經(jīng)生產(chǎn)匯管收集計(jì)量后外輸至集氣站進(jìn)行進(jìn)一步處理，也可進(jìn)入單井計(jì)量匯管分別計(jì)量后外輸至集氣站進(jìn)行進(jìn)一步處理。為控制水合物形成和管道內(nèi)腐蝕，設(shè)置水合物抑制劑和緩蝕劑注入口。

二、濕天然氣集輸過程危險(xiǎn)和可操作性分析

濕氣集輸過程的安全評(píng)價(jià)分析方法，主要包括故障類型和影響分析法、i f-wh a t法、事件樹、故障樹、危險(xiǎn)和可操作性分析等。不同方法適用范圍不同，危險(xiǎn)和可操作性方法相較其他方法分析全面且系統(tǒng)，因此，成為廣泛應(yīng)用的危險(xiǎn)性分析方法。

1.危險(xiǎn)和可操作性分析方法

危險(xiǎn)和可操作性分析的基本原理是以引導(dǎo)詞為引導(dǎo)，分析過程工藝中的狀態(tài)參數(shù)，找出參數(shù)變化的前因后果并依據(jù)分析結(jié)果給出改進(jìn)建議或控制措施。危險(xiǎn)和可操作性分析過程如下：

(1)根據(jù)濕天然氣集輸過程工藝儀表安裝圖（P&I D圖）對(duì)工藝單元或節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分并確定邊界；

(2)使用引導(dǎo)詞對(duì)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行偏差分析，偏差通常采用“引導(dǎo)詞+工藝參數(shù)”的形式；

(3)對(duì)產(chǎn)生偏差的原因進(jìn)行確定，在假設(shè)已有的安全措施失效的情況下，對(duì)偏差導(dǎo)致的后果進(jìn)行確定；

(4)進(jìn)行安全保護(hù)的確定，減輕或避免偏差產(chǎn)生導(dǎo)致的后果；

(5)依據(jù)對(duì)偏差分析的結(jié)果，制定改進(jìn)建議或控制措施。

2.濕天然氣集輸工藝危險(xiǎn)和可操作性分析

以高含硫濕天然氣集輸工藝為例，采用危險(xiǎn)和可操作性分析方法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)最重要的偏差主要為3個(gè)方面：(1)防止水合物的生成；(2)燃料氣系統(tǒng)；(3)腐蝕控制。

（1）防止水合物生成

在高含硫天然氣的開發(fā)過程中，必須有措施防止水合物的生成。通常防止水合物生成的方法有注入抑制劑、加熱和放空氣體。

在正常運(yùn)營中，為了提高氣體溫度，主要措施是使用井口加熱爐。如果加熱爐由于某些原因不能使用，則下游天然氣管道會(huì)生成水合物。因此必須對(duì)加熱爐的可用性進(jìn)行分析，并且分析是否需要在加熱爐出口管線上增加低溫報(bào)警/關(guān)井。在高含硫濕天然氣集輸工藝中，主要采用注入抑制劑的措施來防止水合物生成。

（2）燃料氣系統(tǒng)

如果燃料氣中存在水，由于管道材料是碳鋼，會(huì)導(dǎo)致碳鋼發(fā)生腐蝕，因此必須確認(rèn)燃料氣有足夠低的露點(diǎn)。

如果燃料氣供應(yīng)不足，必然導(dǎo)致部分天然氣管道的關(guān)閉，建議對(duì)用戶的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行區(qū)分，以便在緊急情況發(fā)生時(shí)，可以按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行燃料氣供應(yīng)。

（3）腐蝕防護(hù)

高含硫濕天然氣集輸管道系統(tǒng)中的H2O、H2S和 CO2含量很高，容易造成腐蝕，因此必須有腐蝕防護(hù)措施。通?？刂聘g的方法有使用合理的管道材料、防腐探測(cè)和注入緩蝕劑。

如果火炬系統(tǒng)的材質(zhì)是碳鋼，放空未注入緩蝕劑的氣體會(huì)造成腐蝕。雖然火炬系統(tǒng)的低壓力會(huì)降低腐蝕的可能性，但是考慮到安全性，需考慮使用鉻/鎳材料的可能性。

三、結(jié)合動(dòng)態(tài)模擬的危險(xiǎn)和可操作性分析定量評(píng)價(jià)

1.集輸過程風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)模擬的必要性與可行性

在濕天然氣集輸管道系統(tǒng)采用危險(xiǎn)和可操作性分析，由于偏差偏離大小無法定量描述，因此分析結(jié)果對(duì)工程指導(dǎo)作用受限。在實(shí)際工程中，偏差的大小與安全影響之間的關(guān)系往往更有助于制定措施和提出改進(jìn)意見，因此，在參數(shù)較多的情況下，通過危險(xiǎn)和可操作性分析，并結(jié)合動(dòng)態(tài)過程模擬技術(shù)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較大的偏差和對(duì)集輸管道安全運(yùn)行影響較大的偏差進(jìn)行識(shí)別和模擬分析，并最終得到定量評(píng)估結(jié)果。

2.集輸工藝動(dòng)態(tài)建模過程

首先采用危險(xiǎn)和可操作性分析方法對(duì)濕天然氣集輸管道系統(tǒng)進(jìn)行分析后，可識(shí)別出對(duì)過程產(chǎn)生影響的偏差，繼而采用動(dòng)態(tài)過程模擬技術(shù)，對(duì)偏差進(jìn)行模擬分析，最后得到集輸管道系統(tǒng)危險(xiǎn)和可操作性的定量評(píng)價(jià)結(jié)果。分析過程如下所示。

(1)采用集總模型計(jì)算：首先定義設(shè)備尺寸等參數(shù)，采用集總模型模擬動(dòng)態(tài)過程，在節(jié)省建模及計(jì)算時(shí)間的同時(shí)，滿足模擬精度要求；

(2)匯管、分離器、混合器等非線性方程求解由求解器完成；

(3)模型各模塊在滿足質(zhì)量守恒的同時(shí)，必須滿足濕天然氣成分守恒公式和能量平衡公式；

(4)模型中各設(shè)備熱量兩相分離、混合、傳遞涉及的偏微分方程采用隱式E u l e r法求解；

(5)在保證動(dòng)態(tài)變化模擬準(zhǔn)確性的同時(shí)，為縮短計(jì)算時(shí)間，模型可對(duì)物流成分、能量和體積進(jìn)行積分時(shí)采用不同的步長。

結(jié)論

濕天然氣集輸管道系統(tǒng)的過程風(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)集輸管道的安全運(yùn)行具有重要意義。采用危險(xiǎn)和可操作性方法，識(shí)別系統(tǒng)中的防止水合物生成等直接影響安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)偏差。結(jié)合動(dòng)態(tài)過程模擬技術(shù)，提出危險(xiǎn)和可操作性定量評(píng)估方法，通過模擬分析過程偏差，得到定量分析結(jié)果，使風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果更有實(shí)際意義。

[1]中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院.HAZOP分析指南[M].北京:中國石化出版社,2008.

[2]廖學(xué)品.化工過程危險(xiǎn)性分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.