數(shù)字化集氣站有效應(yīng)急時(shí)間控制建模

王燁煒，陳增輝，李彥軍，楊昭勇，呼成剛

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司第四采氣廠，陜西西安710021

數(shù)字化集氣站有效應(yīng)急時(shí)間控制建模

王燁煒，陳增輝，李彥軍，楊昭勇，呼成剛

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司第四采氣廠，陜西西安710021

蘇里格氣田集氣站逐步實(shí)行無(wú)人值守的數(shù)字化運(yùn)行模式，若站區(qū)內(nèi)無(wú)人值守運(yùn)行時(shí)遇超壓等復(fù)雜情況，場(chǎng)站的應(yīng)急處置成為關(guān)鍵。文章通過(guò)跟蹤蘇6-7站運(yùn)行，分析充壓過(guò)程及應(yīng)急事件的有效處理時(shí)間，導(dǎo)出集氣站充壓有效時(shí)間的計(jì)算公式，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證和修正，得到了適合蘇6、蘇36-11區(qū)塊集氣站應(yīng)急時(shí)間計(jì)算通式，并對(duì)各集氣支線的升壓時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，得到各站以及各管道的有效應(yīng)急時(shí)間平均在28 min左右，為應(yīng)急預(yù)案的編寫(xiě)提供了有力依據(jù)。

集氣站；數(shù)字化；應(yīng)急時(shí)間；建模

1 蘇6-7數(shù)字化集氣站運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 蘇6-7站基本情況

蘇6-7集氣站位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏審旗境內(nèi)，蘇東41-33井區(qū)中西部。該站所轄天然氣生產(chǎn)井50口，日配產(chǎn)40萬(wàn)m3，站內(nèi)主要設(shè)備有：天然氣壓縮機(jī)組2臺(tái)、強(qiáng)吸分離器2臺(tái)、閃蒸分液罐1臺(tái)、污水罐2臺(tái)、天然氣發(fā)電機(jī)1臺(tái)、生活污水處理設(shè)備1套。

“數(shù)字化集氣站”升級(jí)改造后，蘇6-7站實(shí)現(xiàn)了“生產(chǎn)監(jiān)測(cè)、智能報(bào)警、遠(yuǎn)程控制、安防監(jiān)控、供電自動(dòng)切換”等數(shù)字化功能，開(kāi)始執(zhí)行人工巡站和應(yīng)急事件集中處置的管理模式。為了對(duì)人工巡站和應(yīng)急事件處置時(shí)間實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理、合理化安排，本文對(duì)集氣站充壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，對(duì)單井、集氣站管道充壓時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

1.2 蘇6-7站無(wú)人值守管理模式

該站日常管理由駐站模式改為人工巡站模式，生產(chǎn)工藝中氣液分離后進(jìn)入外輸流程的手動(dòng)閥門(mén)控制改為電動(dòng)閥門(mén)控制。

運(yùn)行中由專(zhuān)人管理巡站人員，跟蹤生產(chǎn)運(yùn)行，收集日常管理、應(yīng)急處置等環(huán)節(jié)中存在的問(wèn)題，定期分析、總結(jié)，優(yōu)化管理模式，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守站安全高效運(yùn)行。

1.3 無(wú)人值守站常見(jiàn)應(yīng)急狀況

（1）壓縮機(jī)異常停機(jī)。冬季時(shí)，啟運(yùn)壓縮機(jī)進(jìn)行井口降壓、外輸增壓，由于蘇6-7站所轄部分氣井產(chǎn)液量大，易造成管道積液，一旦站內(nèi)疏水閥出現(xiàn)故障無(wú)法及時(shí)排液或壓縮機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，都會(huì)造成壓縮機(jī)停機(jī)。壓縮機(jī)停機(jī)后，站內(nèi)氣量無(wú)法外輸，內(nèi)部系統(tǒng)壓力將迅速上升。

（2）下游天然氣泄漏。當(dāng)下游天然氣管道出現(xiàn)泄漏、刺漏、著火等異常情況時(shí)，應(yīng)遠(yuǎn)程切斷外輸截?cái)嚅y，截?cái)鄽庠矗緝?nèi)安全隱患。外輸氣源切斷后，立即將站內(nèi)所轄單井應(yīng)急關(guān)閉，統(tǒng)籌安排集中處置應(yīng)急事件，確保應(yīng)急管理安全有效。

蘇6-7站應(yīng)急事件處置中存在的主要問(wèn)題為當(dāng)壓縮機(jī)停機(jī)或外輸截?cái)嚅y緊急切斷后，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算單井、集氣站管道升壓時(shí)間，因而無(wú)法確定處置問(wèn)題的有效應(yīng)急時(shí)間，無(wú)法對(duì)整個(gè)應(yīng)急處置進(jìn)行統(tǒng)籌安排。因此新的管理模式運(yùn)行后，計(jì)算應(yīng)急事件處置的有效應(yīng)急時(shí)間顯得尤為重要。

2 蘇6-7站有效應(yīng)急時(shí)間分析

集氣站在站內(nèi)壓縮機(jī)停機(jī)、外輸緊急截?cái)嚅y切斷等情況下，單井仍處于正常生產(chǎn)中，而集氣站氣量無(wú)法外輸。為保證無(wú)人值守集氣站安全平穩(wěn)運(yùn)行，必須在充壓時(shí)間段內(nèi)解決應(yīng)急處置人員到達(dá)集氣站的問(wèn)題。

2.1 建立管道充壓數(shù)學(xué)模型

事件處置的有效應(yīng)急時(shí)間是指站內(nèi)系統(tǒng)壓力升至外輸壓力的時(shí)間。氣井持續(xù)生產(chǎn)，當(dāng)集氣站氣流運(yùn)行被切斷，管道壓力會(huì)不斷上升。此時(shí)，站內(nèi)升壓過(guò)程可轉(zhuǎn)換為密閉容器的充壓過(guò)程。集氣站的充壓容器主要包括單井管道、干管、站內(nèi)進(jìn)站總機(jī)關(guān)、站內(nèi)分離器及分離器至壓縮機(jī)進(jìn)口管道，因單井管道、干管容積遠(yuǎn)大于站內(nèi)部分工藝管道容積，故計(jì)算中將站內(nèi)部分容積簡(jiǎn)化，只考慮單井管道和干管容積。

管道充壓模型見(jiàn)圖1：設(shè)充氣管道截面積為A（cm2）；初始?jí)毫镻0（Pa），升高后壓力為P2（Pa）；管容為V（L）；瞬時(shí)流量為Q（Pa·L/s）；P0＜P2。

圖1 管道充壓模型

向管道充壓時(shí)，P0將逐漸升高最終達(dá)到P2，而通過(guò)生產(chǎn)閥門(mén)流入管道的氣體流量也將隨著P2的升高由最大流量Qmax而趨向于零。

設(shè)在某一時(shí)刻t，管道容積為V，壓力為P2，經(jīng)過(guò)時(shí)間d t后，壓力增至P2+dP2，則管道中的氣體增量為VdP2，流進(jìn)管道中的流量為Q d t，由此可得：

在集氣站充壓過(guò)程中，隨著壓力升高，管道流速降低。但據(jù)觀測(cè)，管道流速降低幅度很小，因而在管道充壓過(guò)程中假設(shè)流量為線性流體，管道充壓過(guò)程簡(jiǎn)化為線性過(guò)程，管道流量為集氣站瞬時(shí)流量Q，則：

式中Δt——升壓時(shí)間/min；

V——管道容積/m3；

ΔP——管道前后壓差/MPa；

Q——站內(nèi)瞬時(shí)流量/（萬(wàn)m3/d）。

2.2 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

本文采用試運(yùn)行期間蘇6-7站1#、2#壓縮機(jī)多次故障停機(jī)后生產(chǎn)運(yùn)行所記錄的數(shù)據(jù)，根據(jù)式（2）計(jì)算升壓時(shí)間，再與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)算的升壓時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

本次試驗(yàn)累計(jì)停機(jī)9次：1#壓縮機(jī)停機(jī)6次，2#壓縮機(jī)停機(jī)3次，通過(guò)表1可以看出，壓縮機(jī)停機(jī)后系統(tǒng)計(jì)算升壓時(shí)間結(jié)果均大于實(shí)測(cè)升壓時(shí)間，平均時(shí)差為10 min。

通過(guò)分析，實(shí)測(cè)管道升壓時(shí)間短的主要原因是管道積液后造成容積減小，故對(duì)式（2）進(jìn)行修正，求取蘇6-7站管容系數(shù)Z，修正后的計(jì)算公式：

表1 蘇6-7站壓縮機(jī)停機(jī)系統(tǒng)實(shí)際與理論計(jì)算升壓時(shí)間對(duì)比

通過(guò)計(jì)算，蘇6-7站管容修正系數(shù)Z取0.80，即實(shí)際管容為理論計(jì)算管容的80%。式（3）為蘇6-7站管道升壓有效時(shí)間計(jì)算簡(jiǎn)式，將式（3）計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，兩者一致性較好。

2.3 應(yīng)用效果分析

為了進(jìn)一步加強(qiáng)式（3）的實(shí)用性和可操作性，試驗(yàn)組隨機(jī)抽取蘇36-3站、蘇6-4站開(kāi)展式（3）的測(cè)試工作，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 蘇36-3、蘇6-4站井組升壓時(shí)間測(cè)試

如表2所示，蘇36-3站的蘇36-2-25井組和蘇6-4站的蘇6-3-2井組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試升壓時(shí)間分別為26、10 min，而根據(jù)式（3）計(jì)算結(jié)果分別為26.12、12.62 min，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合較好，誤差小，表明根據(jù)密閉容器充壓模型建立的集氣站充壓模型，能夠準(zhǔn)確反映集氣站管道充壓過(guò)程。

本試驗(yàn)因考慮到集氣站安全平穩(wěn)運(yùn)行，避免單井凍堵等原因，井組干管升壓幅度較小，因此驗(yàn)證結(jié)果存在一定的偶然性；另外該次驗(yàn)證試驗(yàn)選取蘇36-3站、蘇6-4站兩條干管，選擇范圍較小，也造成公式運(yùn)用的片面性。為進(jìn)一步提升式（3）的實(shí)際應(yīng)用效果，為集氣站無(wú)人值守后應(yīng)急控制提供有效借鑒，又通過(guò)式（3）對(duì)蘇6、蘇36-11井區(qū)13座集氣站升壓時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 集氣站升壓時(shí)間計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算可以看出，集氣站的平均應(yīng)急時(shí)間為28 min左右，其中蘇6-3站升壓時(shí)間最快。所得結(jié)果對(duì)于制訂監(jiān)測(cè)制度可以起到借鑒作用，同時(shí)亦可準(zhǔn)確地掌握部分場(chǎng)站的壓力運(yùn)行情況。

后期可根據(jù)站內(nèi)實(shí)測(cè)與理論計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化有效應(yīng)急時(shí)間理論模型。

3 結(jié)論與建議

（1）通過(guò)分析數(shù)字化集氣站的功能，進(jìn)一步了解無(wú)人值守站管理模式及其應(yīng)急處置管理的重要性，深入分析后得出有效應(yīng)急時(shí)間即為有效使用管段的充壓時(shí)間。

（2）通過(guò)對(duì)應(yīng)急時(shí)間的分析建立了管道充壓模型，并在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行驗(yàn)證。得出理論分析與實(shí)際應(yīng)用的修正關(guān)系式，計(jì)算出管容修正系數(shù)為0.8。

（3）對(duì)蘇6、蘇36-11區(qū)塊集氣支線的升壓時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，得到各站及管道的有效應(yīng)急時(shí)間平均為28 min左右，為應(yīng)急預(yù)案的編寫(xiě)提供了有力依據(jù)。

（4）有效應(yīng)急時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)數(shù)字化集氣站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守運(yùn)行起到了重要作用，實(shí)現(xiàn)工作方式由“管理安全”轉(zhuǎn)換到“安全管理”上。有效應(yīng)急時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)算為應(yīng)急小組的統(tǒng)籌安排提供了重要依據(jù)，避免粗放式管理造成資源浪費(fèi)。

為最大限度地獲得事件處置的有效應(yīng)急時(shí)間，提出以下保障措施建議：

（1）將進(jìn)站井組進(jìn)行導(dǎo)通，避免部分高產(chǎn)井組提前超壓。

（2）對(duì)分離器外輸電動(dòng)球閥進(jìn)行調(diào)試，確保站內(nèi)流程遠(yuǎn)程制導(dǎo)。

（3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)事件處置有效應(yīng)急時(shí)間較短的集氣站，可設(shè)置中心保障點(diǎn)，以保證集氣站無(wú)人值守后安全平穩(wěn)運(yùn)行。

[1]王成生，趙國(guó)勝，付長(zhǎng)亮，等.真空容器充氣時(shí)間計(jì)算公式的討論[J].真空，2008，45（5）:20-22.

[2]徐樹(shù)深.真空容器充氣時(shí)間計(jì)算[J].真空，2000，（2）:10-12.

[3]朱天壽，劉祎，周玉英，等.蘇里格氣田數(shù)字化集氣站建設(shè)管理模式[J].天然氣工業(yè)，2011，31（2）:9-11.

Modeling of EffectiveEmergency Disposal TimeControl for Digital Gathering Gas Station

Wang Yewei，Chen Zenghui，LiYanjun，Yang Zhaoyong，Hu Chenggang
NO.4 Gas Production Plant，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710021，China

The gas gathering stations in Sulige Gas Field implement unattended digital operation mode gradually.If overpressure happens in such operation mode，emergency disposalbecomes a key matter.This paper derives the formula to calculate the effective pressurizing time of gas gathering station based on tracing the operation of Su 6-7 station and analyzing the pressurizing process and effective emergency disposal time，it further derives the modified calculation formula suitable for Su 6 and Su 36-11 stations through case verification.The pressurizing time of branch gas gathering pipelines is also calculated by the formula.The calculated average emergency disposal time of the stations and branch pipelines is 28 min，which offers a useful base for compiling the emergency plan.

gas gathering station；digitalization；emergency disposaltime；modeling

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.014

王燁煒（1983-），男，陜西咸陽(yáng)人，助理工程師，2007年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事氣田開(kāi)發(fā)與開(kāi)采技術(shù)工作。

2014-07-13