海上高壓天然氣外輸管道超壓保護與動態(tài)仿真

潘大新，陳 靜，陳文峰，趙方生

海洋石油工程股份有限公司，天津 300450

對于海上開采的天然氣，通常利用已建或新建的海底管道將天然氣輸送到其他海上平臺或陸地終端[1-2]。對于離岸較遠的海上氣田，通常利用地層壓力或者使用壓縮機增壓，將天然氣高壓外輸[3-5]。高壓意味著海底管道承壓大、壁厚增加，無論是材料投資還是施工難度將顯著增大[6]，尤其對于采用同一壓力源進行高低壓同時外輸?shù)臍馓?，如何保障天然氣在不同壓力下的順利輸送，同時又降低海底管道的承壓和壁厚，這對于氣田集輸系統(tǒng)的安全運行和經(jīng)濟性都將有很大的影響[7]。動態(tài)仿真技術可以對生產(chǎn)的實際狀態(tài)進行模擬，該模擬對于在流程中進行動態(tài)操作、設定干擾和事故狀態(tài)、確定緊急事故聯(lián)鎖響應的安全可靠性以及進行安全分析和預測都將起到重要作用[8-9]。本文以某海上氣田高壓外輸管道為例，對其集輸系統(tǒng)的超壓保護方案進行動態(tài)仿真研究。

1 海管集輸超壓問題

該海上氣田一期屬于常規(guī)開發(fā)，井口平臺天然氣物流經(jīng)過分離和干燥處理后，通過壓縮機一級增壓到148 bar（1 bar=0.1 MPa），將 60×108m3/a的天然氣經(jīng)管徑18 in（1 in=25.4 mm）、75 km的A海底管道外輸至中心平臺，其流程示意見圖1。

圖1 某海上氣田一期干氣集輸流程

在二、三期工程中，考慮在各自新開發(fā)氣田建設處理平臺，處理后的油氣混輸至該平臺后，越站進入新建終端的管徑30in管道B，因此一期該平臺流程要滿足與周邊氣田產(chǎn)氣一起輸往規(guī)劃新建終端的能力。根據(jù)目前儲量資源及下游市場情況，統(tǒng)籌考慮二、三期氣田的儲量和產(chǎn)量規(guī)劃，該平臺干氣壓縮機增壓系統(tǒng)的設計立足于滿足區(qū)域60×108m3/a的產(chǎn)氣規(guī)模，以及進入海底管道輸往新建終端所需的外輸壓力250bar的要求。其流程示意見圖2。

圖2 某海上氣田二、三期干氣集輸流程

在一期開發(fā)中，干氣壓縮機設計為一級壓縮，最高設計壓力190 bar，A海管承壓與之相同，因此不存在超壓的危險。而在二、三期開發(fā)中，由于需要考慮干氣同時去往CEP平臺和陸地終端，因此干氣壓縮機設計需要增加一級壓縮，以保證出口壓力滿足最高外輸壓力需求，因此，二級壓縮機出口壓力提高到250 bar，設計壓力為279 bar。這對于B海管來說，其最高承壓與之相同，不存在超壓的危險；而對于A海管，其外輸壓力為181.5 bar，最高承壓190 bar，因此首先需要考慮對其實現(xiàn)降壓輸送，其次需要防止超壓，因而對于A海管的超壓保護是研究的重點。

2 海管的降壓和保護

根據(jù)所需的外輸壓力，在去往CEP平臺的A海管入口處增加了降壓措施，即新增降壓控制閥PV1511，該閥將干氣壓縮機出口的操作壓力從250bar降到181.5 bar，同時還增加了降壓保護措施，以避免超過A海管的承壓能力（190 bar）。根據(jù)國際規(guī)范[10]和國內(nèi)行業(yè)規(guī)范[11]的要求，對于降壓之后的壓力保護措施，需考慮采取壓力高關斷的一級保護和采用安全泄壓裝置（PSV） 或者高完整性壓力保護系統(tǒng)（HIPPS）的二級保護。

（1）考慮采用常規(guī)方案。即新增1個緊急關斷閥SDV1515、1個壓力傳感器PIT1513和2個壓力泄放閥PSV1530A/B，管道磅級由2 500 lb降為1 500lb（1lb=0.453 6kg，設計壓力按照海管承壓190bar設計）。若管道超壓到185 bar，則壓力傳感器PIT1513觸發(fā)SDV1515關斷，實現(xiàn)一級保護，二級超壓保護通過PSV泄放實現(xiàn)，保證壓力不超過A海管的承壓能力（190 bar）。PSV保護方案見圖3。

圖3 海管超壓PSV保護方案

在此方案中，超壓工況考慮控制閥失效，最大流量可達到約47.5×108m3/a，由于該流量超過了原火炬系統(tǒng)能力（30×108m3/a），為滿足輻射和噪音要求[12-13]，需將火炬從原76 m延長到93 m。另外由于泄放時的壓差較大，導致最低溫度達到-46.5℃，火炬系統(tǒng)需采用低溫材料。由于海洋平臺對上部組塊重量的重心要求嚴格，增加的近20 m火炬臂將帶來組塊對建造重量、運輸方案、安裝方案以及對導管架設計的影響，因此該方案不可行。

（2） 考慮采用替代方案HIPPS。該方案包括新增SDV1515、PV1511、PIT1513和高完整性壓力保護系統(tǒng)HIPPS。在HIPPS之后按1 500 lb降壓設計。一級保護與常規(guī)方案相同，若一級保護失效，壓力繼續(xù)超壓到188 bar，將觸發(fā)HIPPS關斷，實現(xiàn)二級保護。HIPPS保護方案見圖4。

圖4 海管超壓HIPPS保護方案

由于HIPPS保護方案不涉及超壓排放[14]，因此對原火炬系統(tǒng)無影響。但由于HIPPS自身的特點，壓力將儲存在系統(tǒng)內(nèi)而不是排放掉[15-16]，根據(jù)規(guī)范要求，需保證系統(tǒng)在HIPPS關斷時間內(nèi)不超壓。因此對于采用HIPPS系統(tǒng)，不僅僅只是考慮已增加了設備即可視作完成保護，還必須保證系統(tǒng)的壓力波動不超過管道承壓。

3 HY SY S動態(tài)模擬仿真與超壓防范措施

對于海上高壓集輸系統(tǒng)，由于存在儀表的反應時間問題，即生產(chǎn)過程中可能會由于物流過多或過少而使生產(chǎn)系統(tǒng)崩潰，常規(guī)穩(wěn)態(tài)方法無法準確計算系統(tǒng)的瞬間壓力變化趨勢，或偏差太大，或過于保守[17]；因此可采用HYSYS動態(tài)仿真方法模擬接近真實的流程波動情況，分析過程的關鍵環(huán)節(jié)，模擬這種前潰的全過程[18]。在模擬過程中對裝置進行動態(tài)操作，設定干擾和事故狀態(tài)，利用HYSYS強大的變量計算表功能和過程傳遞函數(shù)功能[19]，研究確定發(fā)生緊急事故時超壓保護系統(tǒng)的聯(lián)鎖響應安全可靠性[20]。根據(jù)海上平臺、海管設施、管道長度路由等數(shù)據(jù)，建立HYSYS的動態(tài)模型，見圖5。

圖5 某海上氣田外輸管道HYSYS動態(tài)模型

根據(jù)初步的儀表和配管數(shù)據(jù)，假設前提如下：第一，SDV1515線性關閉，行程時間11 s，閥門Cv=25 000；第二，HIPPS線性關閉，行程時間2 s，閥門Cv=25 000；第三，PV線性開關，行程時間12 s，閥門Cv=117；第四，管道長度根據(jù)實際配管路由和閥門管件當量長度計算。

（1）工況一：海管出口正常關閉或發(fā)生堵塞。一級超壓保護動態(tài)模擬結(jié)果見圖6，二級超壓保護動態(tài)模擬結(jié)果見圖7。當海管出口正常關閉或堵塞時，海管壓力逐漸升高，在約11.5 min時探測到壓力升高到185 bar并觸發(fā)SDV1515關斷，海管壓力維持在185.1 bar左右；若一級保護失效，則在接近20 min時HIPPS觸發(fā)關斷，海管壓力188.5 bar左右，兩者都低于海管最高承壓能力（190 bar），因此兩級保護滿足要求。

圖6 海管出口關閉一級保護結(jié)果

圖7 海管出口關閉二級HIPPS保護結(jié)果

（2） 工況二：海管入口誤關閉或發(fā)生堵塞。由于海管入口SDV的關閉時間長于SDV1515或HIPPS的關閉時間，因此其超壓保護結(jié)果與工況一相似。兩級保護都能成功防止超壓。

（3）工況三：卡球事故（近平臺位置）。當高壓外輸正常運行，低壓海管進行清管操作時，在近平臺點比如擋板三通處發(fā)生了卡球事故，該工況下一二級動作過程和壓力動態(tài)模擬結(jié)果見圖8。從結(jié)果可以看出，由于近平臺位置管道的緩沖容積有限，因此當發(fā)生卡球時，一二級超壓保護全部被觸發(fā)，但管道壓力仍然升高到220 bar，超過了其承壓能力，表明不能實現(xiàn)超壓保護。

圖8 卡球事故時的超壓計算結(jié)果

（4）工況四：投產(chǎn)時海管入口閥門未打開。當高壓管道正常運行，低壓管道投用時，海管入口閥門沒有正確打開，此時的動態(tài)模擬結(jié)果見圖9和圖10。從結(jié)果中可以看出，PV閥發(fā)生劇烈“振顫”，一二級超壓保護立刻被觸發(fā)，但管道壓力仍在短時間內(nèi)波動到250 bar，超過了管道承壓能力。因此，在此工況下，不能實現(xiàn)超壓保護。

圖9 海管投產(chǎn)閥門沒開時的超壓保護結(jié)果

圖10 海管投產(chǎn)閥門沒開時PV運行情況

（5）針對上述結(jié)果，現(xiàn)場采取了針對性的防范措施。第一，當?shù)蛪汉９苓M行清管操作時，采用單系列壓縮機一級（出口壓力181.5 bar） 進行單獨輸送操作，以限制清管的操作壓力，同時調(diào)整整個油田的外輸輸量，以保證低壓海管的清管安全。第二，當高壓外輸正常進行，而低壓管道需要投用時，海管入口閥門全部設置中控聯(lián)鎖，當探測到任一閥門處于“關閉”狀態(tài)時，SDV1515和HIPPS無法打開，無法投產(chǎn)；只有海管入口閥門全部處于“打開”狀態(tài)，一二級保護才能正常投用，低壓海管才允許進行投產(chǎn)操作。

4 結(jié)束語

當海上氣田采用同一壓力源進行高低壓同時外輸?shù)姆桨笗r，對低壓外輸?shù)牟僮鲏毫统瑝罕Ｗo是考慮的重點。受制于海洋平臺的結(jié)構(gòu)和重量限制，火炬長度受限，當采用常規(guī)PSV方案的大量天然氣泄放不可行時，可以考慮HIPPS超壓保護方案。由于存在儀表的反應時間問題，需保證在保護裝置動作時間內(nèi)系統(tǒng)不能超壓。常規(guī)穩(wěn)態(tài)計算不能精確模擬不同的超壓工況，而動態(tài)仿真可以模擬各個可能發(fā)生的工況過程和結(jié)果，從而證明緊急事故下超壓保護系統(tǒng)的聯(lián)鎖響應是否安全可靠，同時對于不能提供可靠保護的工況可以提出針對性的對策，從而保證海上高壓天然氣集輸系統(tǒng)在各個工況下的穩(wěn)定與安全運行。