高含硫氣田集輸系統(tǒng)基于保護(hù)層分析的本質(zhì)安全設(shè)計

孫啟昌

(中國石化石油工程設(shè)計有限公司，山東東營 257026)

高含硫氣田天然氣中的硫化氫含量高達(dá)10%以上，而硫化氫由于其劇毒性和強(qiáng)腐蝕性，給氣田的生產(chǎn)運(yùn)行帶來巨大的安全風(fēng)險，所以高含硫氣田集輸系統(tǒng)的本質(zhì)安全設(shè)計至關(guān)重要。針對高含硫氣田有多種風(fēng)險分析評估方法，保護(hù)層分析[1]是其中的一種。保護(hù)層分析是在定性危害分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步評估保護(hù)層的有效性和完整性的系統(tǒng)方法，其主要目的是確定是否有足夠的保護(hù)層使風(fēng)險滿足企業(yè)的風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)[2]。保護(hù)層分析是基于事故場景的分析方法，需要針對每一個事故場景做分析和評估，高含硫氣田集輸系統(tǒng)的保護(hù)層分析內(nèi)容繁多,按照保護(hù)層分析的基本理論，對高含硫氣田集輸系統(tǒng)的安全設(shè)計措施逐層進(jìn)行舉例分析探討。

1 基于保護(hù)層洋蔥模型的本質(zhì)安全設(shè)計

保護(hù)層洋蔥模型見圖1。其從內(nèi)到外共分為8層，分別為：工藝本質(zhì)安全設(shè)計、基本過程控制系統(tǒng)、關(guān)鍵報警和人員響應(yīng)、安全儀表功能(SIF)、物理保護(hù)(泄放設(shè)施)、泄漏擴(kuò)散火災(zāi)爆炸減緩措施、操作規(guī)程和工廠應(yīng)急響應(yīng)、周圍應(yīng)急響應(yīng)。下面針對每一層逐層分析高含硫氣田集輸系統(tǒng)的本質(zhì)安全設(shè)計措施。

1.1 工藝本質(zhì)安全設(shè)計

工藝本質(zhì)安全設(shè)計是所有保護(hù)層的基礎(chǔ)和核心，是從根本上消除或減少工藝系統(tǒng)存在的危害。高含硫氣田集輸系統(tǒng)采用改良的濕氣輸送方案，采氣樹一級節(jié)流閥節(jié)流后壓力等級為Class 2 500，經(jīng)過二級節(jié)流壓力為Class 1 500，經(jīng)井口分離器分離出井底返排的酸液以及采出水，經(jīng)過加熱爐的一次加熱、節(jié)流和二次加熱，壓力等級為Class900/600，溫度45 ℃左右，進(jìn)入出站流程。其中在一級節(jié)流后和出站進(jìn)行水合物抑制劑加注，在井口分離器后和出站進(jìn)行緩蝕劑加注，通過生產(chǎn)分離器進(jìn)行分水。

圖1 保護(hù)層洋蔥模型

1.2 基本過程控制系統(tǒng)

基本過程控制系統(tǒng)是執(zhí)行連續(xù)監(jiān)測和控制日常生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)。集氣站的基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)采用PLC控制系統(tǒng)，其主要功能為負(fù)責(zé)站內(nèi)的生產(chǎn)流程以及輔助流程的數(shù)據(jù)采集和控制，并接收調(diào)度中心的調(diào)度控制指令。

為了保證系統(tǒng)的可用性，BPCS的控制器模塊、電源模塊、通信模塊均為冗余設(shè)置。其主要功能如下：①對現(xiàn)場的工藝變量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理；②生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)與控制，比如節(jié)流閥的壓力和流量調(diào)節(jié)、生產(chǎn)分離器的液位調(diào)節(jié)等；③監(jiān)控各種工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；④對電力設(shè)備及其相關(guān)變數(shù)的監(jiān)控；⑤顯示動態(tài)工藝流程；⑥顯示報警一覽表；⑦數(shù)據(jù)存儲及處理；⑧打印報警和事件報告。

1.3 關(guān)鍵報警和人員響應(yīng)

基本過程控制系統(tǒng)中對主要的工藝參數(shù)設(shè)置了高報警、低報警。以加熱爐為例，對進(jìn)口壓力設(shè)置了高報警、高高報警和低報警，對節(jié)流后壓力設(shè)置了高報警、低報警和低低報警，對出口溫度設(shè)置了高報警、高高報警和低報警、低低報警。加熱爐在正常生產(chǎn)時為自動控制，一旦出現(xiàn)報警，操作人員進(jìn)行報警響應(yīng)，監(jiān)視報警并采取措施，可以改為手動控制，將節(jié)流閥通過手動調(diào)節(jié)消除報警，出現(xiàn)高高、低低報警時操作人員可以采取停爐、關(guān)井處理。

1.4 安全儀表功能

安全儀表功能是指為了防止、減少危險事件發(fā)生或保持過程安全狀態(tài)，用一個或多個測量儀表、邏輯控制器、最終元件及相關(guān)軟件等實(shí)現(xiàn)的安全保護(hù)功能或安全控制功能[3]。

高含硫集氣站設(shè)置了安全儀表系統(tǒng)(SIS)，用來實(shí)現(xiàn)站內(nèi)的安全儀表功能。安全儀表系統(tǒng)采用經(jīng)過SIL2認(rèn)證的PLC，控制器模塊、電源模塊、通信模塊均為冗余設(shè)置，負(fù)責(zé)站內(nèi)SIS儀表信號的采集和聯(lián)鎖控制。安全儀表系統(tǒng)還包括火氣檢測系統(tǒng)(FGS)和緊急關(guān)斷系統(tǒng)(ESD)2個子系統(tǒng)。當(dāng)工藝參數(shù)超出正常工況范圍時，ESD系統(tǒng)立刻采取聯(lián)鎖保護(hù)措施，關(guān)閉緊急關(guān)斷閥門或開啟放空閥等，保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備、人員安全，減少事故的發(fā)生。FGS系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)火災(zāi)探測、可燃?xì)怏w/有毒氣體檢測和報警，并觸發(fā)相應(yīng)的聯(lián)鎖保護(hù)，同時聯(lián)動應(yīng)急廣播系統(tǒng)。

高含硫氣田集輸系統(tǒng)在中控室設(shè)置了一套中心安全儀表系統(tǒng)，用于負(fù)責(zé)全氣田級別的聯(lián)鎖關(guān)斷。全氣田分為4個關(guān)斷級別，詳見表1。

1.5 物理保護(hù)(泄放設(shè)施)

物理保護(hù)(泄放設(shè)施)主要是指安全閥、爆破片等超壓自動泄放設(shè)施，高含硫集氣站場在各壓力容器、不同壓力等級的管道均設(shè)置了安全閥。當(dāng)工藝管道、容器壓力高高時，首先由安全儀表功能保護(hù)層提供保護(hù)，安全儀表系統(tǒng)聯(lián)鎖開啟緊急放空閥進(jìn)行壓力泄放，當(dāng)安全儀表保護(hù)層失效時，由物理保護(hù)層也就是安全閥起跳實(shí)現(xiàn)壓力泄放。

1.6 泄漏擴(kuò)散火災(zāi)爆炸減緩措施

此保護(hù)層是指危險物質(zhì)釋放后，用來降低事故后果的保護(hù)設(shè)施。高含硫集氣站場在井口區(qū)和裝置區(qū)設(shè)置了可燃?xì)怏w探測器、硫化氫氣體探測器、火焰探測器、手動報警按鈕、狀態(tài)指示燈和聲音報警器等，一旦發(fā)生氣體泄漏立即聲光報警，可以自動或手動實(shí)現(xiàn)全站關(guān)斷。

表1 高含硫氣田集輸系統(tǒng)的四級關(guān)斷

1.7 操作規(guī)程和工廠應(yīng)急響應(yīng)

高含硫氣田生產(chǎn)單位需要制定詳細(xì)的操作規(guī)程和工廠應(yīng)急響應(yīng)方案。以高含硫氣田普光氣田為例，根據(jù)氣田的實(shí)際情況，制定了三級應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)[4]：第一級是普光分公司級，包括1個綜合預(yù)案和9個專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案；第二級是廠級，包括1個綜合預(yù)案和8個專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案；第三級是車間級，普光采氣區(qū)設(shè)置應(yīng)急處置方案202個。普光氣田形成了“一點(diǎn)一案、一事一案”以及“橫向到邊、縱向到底”的應(yīng)急預(yù)案體系。

1.8 周圍應(yīng)急響應(yīng)

周圍應(yīng)急響應(yīng)包括了與地方政府之間協(xié)調(diào)聯(lián)動響應(yīng)。普光氣田實(shí)現(xiàn)了企地三級聯(lián)動機(jī)制[5]，第一級是普光分公司與宣漢縣的應(yīng)急疏散聯(lián)動；第二級是采氣廠、凈化廠與鄉(xiāng)鎮(zhèn)的應(yīng)急疏散聯(lián)動；第三級是集氣站與村的應(yīng)急疏散聯(lián)動。一旦發(fā)生突發(fā)泄漏事故，通過三級應(yīng)急聯(lián)動機(jī)制能夠在最短時間內(nèi)高效有序地將周邊群眾撤離至安全區(qū)域，最大程度地減少突發(fā)事件造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失和社會影響。

2 基于風(fēng)險矩陣的安全措施

通過上述的保護(hù)層逐層分析和相應(yīng)保護(hù)措施的采用，主要目的是為了充分識別風(fēng)險，并且將風(fēng)險降低到可以接受的水平。通常采用風(fēng)險矩陣來確定風(fēng)險的初始等級以及采取保護(hù)措施后的風(fēng)險等級。風(fēng)險是對傷害發(fā)生的可能性和傷害的嚴(yán)重程度的綜合衡量，可以用下式表示：風(fēng)險=事故發(fā)生的頻度×后果嚴(yán)重度。風(fēng)險矩陣就是將每個損失事件發(fā)生的可能性和后果嚴(yán)重程度兩個要素結(jié)合起來，根據(jù)風(fēng)險在矩陣中的位置，確定其風(fēng)險等級。中國石化采用的是7×8的風(fēng)險矩陣[6]，其后果等級從輕到重分為從A級到G級7個等級，發(fā)生的可能性等級分為從1到8的8個等級。

2.1 降低事故發(fā)生頻率的措施

a)無人值守站的實(shí)施。元壩氣田滾動建產(chǎn)集輸系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置了集中監(jiān)控中心，各集氣站場不再設(shè)固定值班人員，內(nèi)操人員全部集中在氣田監(jiān)控中心，采用遠(yuǎn)程監(jiān)控的模式，外操人員定期巡檢，實(shí)現(xiàn)了“集中監(jiān)控、片區(qū)巡檢”的管理模式。由于本站無人值守，大大降低了人員暴露在硫化氫環(huán)境下的概率，有效降低了人員中毒傷害發(fā)生的可能性。

b)壓力變送器的冗余設(shè)置。元壩集氣站場井口壓力、進(jìn)出站壓力的檢測均為冗余設(shè)置，取源口獨(dú)立設(shè)置。系統(tǒng)自動進(jìn)行冗余壓力的偏差比較，超出設(shè)定值自動報警，提醒操作人員進(jìn)行儀表檢修。冗余壓力檢測同時達(dá)到報警設(shè)定值自動聯(lián)鎖關(guān)停本站。此項(xiàng)設(shè)計避免了因硫化物堵塞取壓口造成的壓力檢測失效帶來的風(fēng)險，可以降低事故發(fā)生的頻率。

2.2 減小事故嚴(yán)重程度的措施

為了減小事故后果的嚴(yán)重程度，必須及時發(fā)現(xiàn)事故，并且迅速采取措施切斷氣源，進(jìn)行關(guān)斷放空處置。為了確保事故迅速響應(yīng)同時減少誤關(guān)斷對生產(chǎn)的影響，元壩氣田集輸系統(tǒng)采取了如下設(shè)計措施。

a)多個火災(zāi)、氣體探測器的復(fù)合檢測和聯(lián)合關(guān)斷。集氣站場的火焰探測器按照每個區(qū)域2臺布置，從不同的角度進(jìn)行火焰檢測，避免檢測死角。當(dāng)同一區(qū)域內(nèi)2臺火焰探測器同時報警時自動聯(lián)鎖觸發(fā)站場級關(guān)斷，無需人工確認(rèn)。站場同一區(qū)域內(nèi)設(shè)置多臺硫化氫探測器、可燃?xì)怏w探測器，當(dāng)探測器大于等于兩個同時出現(xiàn)高高報警時，無需人工確認(rèn)，自動觸發(fā)站場級關(guān)斷。這種設(shè)計降低了操作人員人為因素造成的安全風(fēng)險，加快了事故處置速度，有效避免了事故的擴(kuò)大。

b)聯(lián)動設(shè)計。元壩集氣站場氣體探測器和火焰探測器的報警自動聯(lián)鎖視頻監(jiān)控轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)位，實(shí)現(xiàn)在集中監(jiān)控中心迅速進(jìn)行風(fēng)險識別，加快了應(yīng)急響應(yīng)的速度，可以避免事故的擴(kuò)大。同時，站場級泄壓關(guān)斷自動聯(lián)鎖站場大門開啟，便于巡檢人員逃生。

3 結(jié)語

采用風(fēng)險識別、風(fēng)險分析評價是提升設(shè)計本質(zhì)安全水平，預(yù)防和減少生產(chǎn)安全事故的有效方法。開展保護(hù)層分析可以識別出現(xiàn)有控制措施中哪些能夠作為獨(dú)立保護(hù)層有效降低風(fēng)險，能夠分析判斷增補(bǔ)措施是否足夠控制風(fēng)險[7]，按照最低合理可行的原則(ALARP)，將事故場景風(fēng)險降低到可以接受的風(fēng)險水平。高含硫氣田屬于“兩重點(diǎn)一重大”的建設(shè)項(xiàng)目，應(yīng)該嚴(yán)格按照有關(guān)要求進(jìn)行風(fēng)險識別和風(fēng)險評價，開展危險與可操作性分析、保護(hù)層分析等，實(shí)現(xiàn)高含硫氣田的本質(zhì)安全設(shè)計。