基于網(wǎng)絡(luò)流與危險與可操作性分析的天然氣站場系統(tǒng)可靠性

周嬌, 于安峰*, 郭俊呂, 凌曉東,3, 姜雪,3, 劉金玲,3, 胡川,3

(1. 中石化安全工程研究院有限公司化學品安全控制國家重點實驗室, 青島 266000;2. 中國石油天然氣股份有限公司廣東石化分公司, 揭陽 515200;3. 中石化國家石化項目風險評估技術(shù)中心有限公司, 青島 266071)

天然氣站場在氣田地面系統(tǒng)中起著關(guān)鍵節(jié)點的作用,其主要任務是匯集上游來氣,通過節(jié)流調(diào)壓、分離、計量、增壓等工藝流程后輸入集氣干(支)線送至下游處理廠凈化處理后外輸。長期的高壓、腐蝕條件必然會對站內(nèi)的設(shè)備和管道造成一定程度的腐蝕和損壞,一旦設(shè)備發(fā)生故障,不僅會造成生產(chǎn)中斷,還會造成燃燒爆炸事故,極易造成人員傷亡、環(huán)境污染等嚴重后果,因此,天然氣站場的安全穩(wěn)定運行已成為氣田安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),對天然氣站場系統(tǒng)進行可靠性分析勢在必行。同時,在危險與可操作性分析(hazard and operability analysis,HAZOP)下,天然氣站場在工況調(diào)整時,不同偏差狀態(tài)下其可靠性明顯不同,高風險狀態(tài)下的站場運行狀態(tài)顯著影響站場的整體可靠性,因此對于高風險狀態(tài)下的站場系統(tǒng)可靠性分析也十分重要。

然而中國的可靠性研究相對于國外起步較晚,且在油氣儲運工程領(lǐng)域更多的是在管道可靠性研究上,在站場系統(tǒng)可靠性方面的研究較少。邢尚鵬等[1]、廖柯熹等[2]總結(jié)了設(shè)備與管道的可靠性評估方法,主要通過故障樹分析、蒙特卡洛模擬方法探討設(shè)備與管道的可靠性,評估結(jié)果可以降低運行風險。胡鈞銘等[3]、周潔等[4]建立了基于模糊層次分析法、故障樹算法的設(shè)備可靠性分析模型,對專家語言進行量化處理。姚東池[5]基于貝葉斯理論計算脫水脫烴站內(nèi)主要設(shè)備的可靠性參數(shù)。吳云冬[6]基于經(jīng)典基于風險的檢驗(risk based inspection,RBI)理論和設(shè)備失效統(tǒng)計數(shù)據(jù),建立了基于威布爾分布函數(shù)的同類失效概率修正模型與損傷因子修正模型,基于圖論最小割集理論分析了高含硫天然氣集輸站場網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的失效概率。王鶴男[7]采用動態(tài)故障樹(dynamic fault tree,DFT)法,將邏輯門轉(zhuǎn)化為馬爾可夫鏈,并采用威布爾分布函數(shù)對其進行改進,計算出成品油站場冗余單元的失效概率。根據(jù)以上調(diào)研情況可以看出,國內(nèi)學者在關(guān)于站場系統(tǒng)可靠性的研究中,幾乎都是應用的經(jīng)典RBI理論作為可靠性的分析基礎(chǔ),站場拓撲結(jié)構(gòu)也是采用串并聯(lián)的基礎(chǔ)分析方法,沒有將站場系統(tǒng)進行整體的網(wǎng)絡(luò)分析,也并沒有提出高風險狀態(tài)下的系統(tǒng)整體可靠性分析,因此亟須新的方法來進一步拓展天然氣站場系統(tǒng)可靠性分析領(lǐng)域。

現(xiàn)將常用于風、電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)流理論應用到天然氣站場系統(tǒng)的可靠性分析中,并對網(wǎng)絡(luò)流理論做了歸納創(chuàng)新與適應性分析,提出網(wǎng)絡(luò)流分步法與網(wǎng)絡(luò)流整體法的概念,方法可直接分析系統(tǒng)整體,比分單元分析后再系統(tǒng)分析的傳統(tǒng)圖論方法更簡潔、更直觀。之后創(chuàng)新性地提出基于HAZOP分析確定站場系統(tǒng)在工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下的失效概率,分析偏差狀態(tài)對于站場系統(tǒng)可靠性的影響,將其與正常工藝狀態(tài)下的站場系統(tǒng)失效概率對比,從而更加全面地分析天然氣站場系統(tǒng)的整體可靠性。

1 研究方法

研究方法主要是網(wǎng)絡(luò)流理論與基于HAZOP分析的工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下的站場系統(tǒng)可靠性分析。其中網(wǎng)絡(luò)流理論是站場系統(tǒng)可靠性分析的整體框架方法,最小路集分析是基于網(wǎng)絡(luò)流理論求解站場系統(tǒng)失效概率的方法,不交化算法是避免求解最小路集時出現(xiàn)“維數(shù)爆炸”問題的優(yōu)化算法?；贖AZOP分析的工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下的站場系統(tǒng)可靠性分析則是對于站場系統(tǒng)在非正常工況下的可靠性分析,主要研究思路如圖1所示。

圖1 研究思路圖Fig.1 Research idea map

1.1 網(wǎng)絡(luò)流理論適用性分析

網(wǎng)絡(luò)流圖是一種能很好地反映網(wǎng)絡(luò)特性的模型,因為無論網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多么復雜,其都能清晰地顯示組織結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系。根據(jù)流體流動方向,將網(wǎng)絡(luò)流圖分為無向圖和有向圖[8]。同時,將網(wǎng)絡(luò)流用于站場系統(tǒng)可靠性分析中的明顯優(yōu)勢是站場系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)流可靠性分析既可整體分析也可分單元分析,將整個系統(tǒng)可看作一個網(wǎng)絡(luò),分析過程簡化。

在進行站場系統(tǒng)可靠性分析時,設(shè)備(含閥門)視為圖中的節(jié)點,管道表示為邊,所有的設(shè)備(含閥門)和管道構(gòu)成的集合就表示了站場網(wǎng)絡(luò)中所有單元。為了分析研究站場系統(tǒng)的可靠性,根據(jù)設(shè)備(含閥門)和管道的失效概率來設(shè)置點與邊的權(quán)重,進而計算出整個站場系統(tǒng)的失效概率。

由網(wǎng)絡(luò)流理論可知,圖G可以由集合形式來表示,即

G={V,E}

(1)

式(1)中:V={v1,v2,…,vi,…,vn}為G的節(jié)點集;E={e1,e2,…,ei,…,en}為G上的節(jié)點連接關(guān)系,稱為G的邊集,邊集中的邊都能由點之間的關(guān)系來表示,即

ei=(vs,vt),ei∈E;vs,vt∈V

(2)

圖2中,其節(jié)點集和邊集的表示如下:

圖2 網(wǎng)絡(luò)流圖的一般形式Fig.2 The general form of a network flow graph

V={①,②,③,④};E={(①,②),(①,③),(②,③),(②,④),(③,④)}。

網(wǎng)絡(luò)流圖的一般表示形式如圖2所示。

在工程應用中,網(wǎng)絡(luò)流需對具體物理量進行具體分析。比如,站場中管道為邊,設(shè)備為節(jié)點,管道與設(shè)備都在客觀上存在一個失效概率,當計算系統(tǒng)的整體失效概率時,就要對節(jié)點和邊進行賦予特別的權(quán)重,即失效概率,從而分析拓撲結(jié)構(gòu)計算網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體可靠性[9]。確定權(quán)重的網(wǎng)絡(luò)流圖G被稱為賦權(quán)網(wǎng)絡(luò)流圖,其表達式為

G=G(w)={V(w),E(w)}

(3)

式(3)中:V為網(wǎng)絡(luò)流圖G的點集,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為其元素;E為網(wǎng)絡(luò)G的邊集,邊為其元素;w為權(quán)重,在天然氣站場系統(tǒng)可靠性的研究中表示為失效概率。

1.2 最小路集及其求解方法

1.2.1 路集

由有向弧或無向弧組成的任意兩個節(jié)點之間的弧集稱為兩個節(jié)點之間的路。從輸入節(jié)點到輸出節(jié)點的所有路的集合稱為路集。則對于圖2來說,e1、e2、e3、e4、e5都是路集。顯然,當網(wǎng)絡(luò)流圖中的所有弧都正常時,系統(tǒng)正常運行。因此,網(wǎng)絡(luò)流圖中弧的全集合是一個路集。

1.2.2 最小路集

若路中的任何一條弧被刪除,它就不再是一條路,可以說這些弧在兩個節(jié)點之間形成了一條最小路徑,這就是最小路[10]。在天然氣站場系統(tǒng)可靠性分析中,輸入和輸出節(jié)點之間的最小路尤為重要。如果系統(tǒng)路徑通過同一節(jié)點或交叉點不超過兩次,則兩個節(jié)點之間的路徑將是最小的。最小路的集合稱為最小路集,采用布爾行列法來求解最小路集。

設(shè)一個站場網(wǎng)絡(luò)G有m個節(jié)點,定義相應的m階矩陣C=[cij],稱C為網(wǎng)絡(luò)G的關(guān)聯(lián)矩陣。

(4)

布爾行列法,即寫出站場網(wǎng)絡(luò)G的關(guān)聯(lián)矩陣C,給定網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)矩陣C,構(gòu)建一個與關(guān)聯(lián)矩陣C同維數(shù)的單位矩陣U與C相加,得到矩陣C+U。此時C+U矩陣維數(shù)是m×m,刪去矩陣中對應于輸出節(jié)點的行與對應于輸入節(jié)點的列元素,形成一個新的矩陣S,將S展開為布爾積的和,根據(jù)線性代數(shù)理論便可得到網(wǎng)絡(luò)流最小路集[11]。

網(wǎng)絡(luò)流可靠性是指網(wǎng)絡(luò)流在有限的條件內(nèi),通過節(jié)點集和邊集到達指定集的概率,其應用最廣泛的計算方法是最小割集法和最小路集法。最小割集法是分析網(wǎng)絡(luò)故障的常用方法,主要用于分析系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流的可靠性。采用最小路集方法對站場網(wǎng)絡(luò)流進行可靠性分析。由于站場系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流較為復雜,為避免分析時出現(xiàn)“維數(shù)爆炸”問題,對最小路集做不交化處理。

綜上,應用網(wǎng)絡(luò)流理論進行站場系統(tǒng)可靠性分析的步驟如下。

步驟1明確站場系統(tǒng)工藝流程及拓撲結(jié)構(gòu)劃分。

步驟2應用網(wǎng)絡(luò)流理論對站場系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)進行簡化,即繪制站場系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流圖。

步驟3通過分析網(wǎng)絡(luò)流圖,寫出網(wǎng)絡(luò)流圖的關(guān)聯(lián)矩陣,并求取系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流圖的最小路集。

步驟4賦予網(wǎng)絡(luò)分支權(quán)重,權(quán)重指的是失效概率,并計算各分支失效概率。

步驟5基于不交化算法簡化計算公式,分析站場系統(tǒng)的整體可靠性。

1.3 不交化算法

設(shè)一系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)G,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖G{V,E},其中節(jié)點數(shù)|V|=m,分支數(shù)|V|=n。若用Si=(i=1,2,…,W)表示第i條最小路集,用全概率公式表示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖G的可靠度RS計算公式為

(5)

展開式(5)共有2W-1求和(或差),路集Si的展開式又是連乘積,因此應用不交化算法對其進行簡化。

將基本性質(zhì)擴展可得

(6)

(7)

依據(jù)式(6)和式(7)將系統(tǒng)可靠度的計算公式簡化,得到其不交和公式為

(8)

與式(8)比較發(fā)現(xiàn),項數(shù)從2n-m+2降到n-m+2,同式(7)相比,項數(shù)從2n-m+2減少到n-m+2,計算公式更加簡潔[9]。綜合以上理論分析,站場系統(tǒng)的可靠度計算步驟如下。

步驟1求得系統(tǒng)的最小路集Si=(i=1,2,…,W),求得網(wǎng)絡(luò)流系統(tǒng)的S的不交和表達式為

(9)

步驟2不交和表達式中的第i項,對于任意給定的Si,根據(jù)命題2求得Si←j,i=0,1,…,i-1。

步驟3利用不交化定理進行化簡。

(10)

步驟4求得系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流可靠度RS如式(11)所示,其中P(x)為x的可靠度為

(11)

1.4 基于HAZOP分析的工藝參數(shù)偏差狀態(tài)

當站場系統(tǒng)進行工藝參數(shù)調(diào)整時,站內(nèi)設(shè)備及管道的失效概率會發(fā)生變化,進而影響整個站場系統(tǒng)的可靠性。比如開采后期來液量增大,會使分離器負荷增大,相應地會產(chǎn)生排污系統(tǒng)負荷也增大等影響,導致設(shè)備及管道的腐蝕速率在一段時間內(nèi)增大,從而影響站場設(shè)備乃至于整個站場系統(tǒng)的可靠性。通過站場系統(tǒng)的HAZOP分析,識別出風險水平處于“高風險”與“極端風險”風險狀態(tài)的工藝狀態(tài),將其定義為工藝參數(shù)偏差狀態(tài),如圖3所示,并通過假設(shè)狀態(tài)持續(xù)時間與腐蝕速率,得到該狀態(tài)下受影響的設(shè)備與管道的剩余壁厚與腐蝕缺陷深度,然后基于ANSYS-PDS模塊模擬受影響的設(shè)備與管道的失效概率,進而可以分析工藝參數(shù)偏差狀態(tài)與正常運行狀態(tài)下的站場可靠性之間的聯(lián)系與偏差。

圖3 HAZOP分析的風險水平分析圖Fig.3 Risk level analysis diagram of HAZOP analysis

2 網(wǎng)絡(luò)流整體法與分步法的適用性分析

對網(wǎng)絡(luò)流理論進行調(diào)研分類[13-15]可以得出,網(wǎng)絡(luò)流求解站場系統(tǒng)可靠性時可以分為兩類,即整體法與分步法。

整體法即不對站場進行子系統(tǒng)分類,不需分析子系統(tǒng)之間的串并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu),而是統(tǒng)一分析整個站場系統(tǒng),通過計算整個站場系統(tǒng)的最小路集,計算得出站場系統(tǒng)的整體可靠度。此時的最小路集為狹義最小路集,即如果一條路中任意一條弧被除去,就不再是一條通路,則稱這些弧構(gòu)成的路集為最小路集。

分步法即對站場系統(tǒng)進行子系統(tǒng)分類,基于布爾行列法分別計算每個子系統(tǒng)的最小路集,最后根據(jù)各個子系統(tǒng)在站場系統(tǒng)中的拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系及現(xiàn)場工藝要求分析整個站場系統(tǒng)的最小路集以及計算整體可靠度。此時的最小路集為廣義最小路集,即如果一條路中任意一條弧被除去,就不再是一條能滿足規(guī)定要求的通路,則稱這些弧構(gòu)成的路集為最小路集。

以X站為例,采用兩種方法分別計算分析,從而對兩種方法進行適用性分析。

2.1 基于網(wǎng)絡(luò)流整體法的正常工藝狀態(tài)站場系統(tǒng)可靠性分析

為了分析站場系統(tǒng)可靠性,需要繪制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)流圖。網(wǎng)絡(luò)流圖要在符合實際的基礎(chǔ)上進行簡化,經(jīng)過簡化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須能夠反映站場系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點。根據(jù)X站工藝流程圖,對X站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流圖的節(jié)點和分支依次編號,從井口采氣管線開始順序進行,直至出站管線,站場系統(tǒng)的實際工藝流程圖如圖4所示,網(wǎng)絡(luò)流圖如圖5所示,網(wǎng)絡(luò)流圖中邊與節(jié)點的含義如表1所示。X站系統(tǒng)的設(shè)備與管道正常工藝狀態(tài)下失效概率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 X站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流圖節(jié)點與邊含義Table 1 The meaning of nodes and edges in network flow graph of station X system

表2 X站系統(tǒng)設(shè)備與管道正常工藝狀態(tài)下的失效概率Table 2 Failure probability of station X system equipment and pipelines under normal process conditions

圖4 X站的工藝流程圖Fig.4 Process flow diagram of station X

圖5 X站的網(wǎng)絡(luò)流圖(整體法)Fig.5 Network flow diagram of station X(holistic approach)

根據(jù)X站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流圖可以寫出該系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)矩陣C,構(gòu)造單位矩陣U,該矩陣為與C同維數(shù)的單位矩陣,可得矩陣C+U;去掉矩陣C+U中對應于最終輸入節(jié)點的行與對應于最初輸出節(jié)點的列,形成新矩陣S,并構(gòu)建矩陣S的行列式|S|。

將|S|展開為布爾積的和,采用MATLAB的det程序求解便可得到網(wǎng)絡(luò)流最小路集如下。

S1={e1,e6,e7,e8,e10,e11,e12,e14,e16,e18,V1,

V2,V3,V4,V5,V6,V8,V9,V10,V11,V12,V13,

V15,V16};

S2={e1,e4,e6,e7,e8,e10,e11,e12,e15,e16,e18,V1,

V2,V3,V4,V5,V6,V7,V8,V9,V10,V11,V12,

V13,V15,V16} 。

對以上最小路集進行不交和運算,并根據(jù)式(10),結(jié)合網(wǎng)絡(luò)流圖與計算所得設(shè)備及管道失效概率,可計算得到整個X站系統(tǒng)可靠度RS為

=Pe1Pe6Pe7Pe8Pe10Pe11Pe12Pe14Pe16Pe18PV1PV2×

PV3PV4PV5PV6PV8PV9PV10PV11PV12PV13PV15×

PV16+(1-Pe14)Pe1Pe4Pe6Pe7Pe8Pe10Pe11×

Pe12Pe15Pe16Pe18PV1PV2PV3PV4PV5PV6PV7PV8PV9×

PV10PV11PV12PV13PV15PV16

=0.942 272 991。

則X站系統(tǒng)的失效概率Pf為。

Pf=1-RS=1-0.948 715=5.129 5×10-2。

2.2 基于網(wǎng)絡(luò)流分步法的正常工藝狀態(tài)站場系統(tǒng)可靠性分析

基于分步法原理,根據(jù)X站工藝流程圖,劃分X站的各個子系統(tǒng),并對X站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流圖節(jié)點和分支依次編號,從井口采氣管線開始順序進行,直至出站管線,站場系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流圖如圖6所示,節(jié)點與邊編號含義如表1所示。

圖6 X站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流圖(分步法)Fig.6 Network flow diagram of station X (step-by-step method)

根據(jù)圖6可知,將X站系統(tǒng)分為了5個子系統(tǒng),即放空子系統(tǒng)、處理子系統(tǒng)、排污子系統(tǒng)、加藥子系統(tǒng)與收發(fā)球子系統(tǒng),各子系統(tǒng)之間是串聯(lián)關(guān)系,子系統(tǒng)內(nèi)部會存在串聯(lián)或者串并聯(lián)關(guān)系。因此對5個子系統(tǒng)根據(jù)工藝要求分別采用布爾行列法計算最小路集,最終按照各子系統(tǒng)串聯(lián)形式計算整個站場系統(tǒng)的失效概率。

2.2.1 廣義最小路集求解

根據(jù)圖6可知,放空子系統(tǒng)有3條邊與1個節(jié)點,且3條邊均為輸入邊,處于并聯(lián)狀態(tài),根據(jù)狹義最小路集定義可知,放空子系統(tǒng)沒有最小路集,但根據(jù)現(xiàn)場工藝要求,現(xiàn)場正在投入使用的設(shè)備的放空管線必須是正常狀態(tài),因此,放空子系統(tǒng)的三條邊與1個節(jié)點是否在整個系統(tǒng)的最小路集中,應按照其他子系統(tǒng)最小路集中所涉及設(shè)備是否有放空路徑所判斷。

如處理子系統(tǒng)中2節(jié)點(分離器)在處理子系統(tǒng)的唯一最小路集中,因此也在系統(tǒng)的每個最小路集中,因此為滿足現(xiàn)場工藝要求,放空子系統(tǒng)的邊e5及節(jié)點8應在系統(tǒng)的每個最小路集中。

同理,邊e8、e9涉及收發(fā)球子系統(tǒng),因此收發(fā)球子系統(tǒng)的4個最小路集中涉及的放空管線需呈正常狀態(tài),收發(fā)球子系統(tǒng)最小路集S1中沒有涉及帶有e8、e9的設(shè)備,因此該最小路集中不包括放空子系統(tǒng)的邊與節(jié)點;收發(fā)球子系統(tǒng)最小路集S2中涉及帶有e9的設(shè)備,即節(jié)點7(發(fā)球筒-1),因此系統(tǒng)在該最小路集中包括放空子系統(tǒng)的邊e9;收發(fā)球子系統(tǒng)最小路集S3中涉及帶有e8的設(shè)備,即節(jié)點4(收球筒-1),因此系統(tǒng)在該最小路集中包括放空子系統(tǒng)的邊e8;收發(fā)球子系統(tǒng)最小路集S4中涉及帶有e8、e9的設(shè)備,即節(jié)點4(收球筒-1)與節(jié)點7(發(fā)球筒-1),因此系統(tǒng)在該最小路集中包括放空子系統(tǒng)的邊e8、e9。

以收發(fā)球子系統(tǒng)為例進行分析。根據(jù)圖7可知,該子系統(tǒng)是整體串聯(lián),局部并聯(lián)的混聯(lián)系統(tǒng)。寫出該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)流關(guān)聯(lián)矩陣C;構(gòu)造單位矩陣U,可得矩陣C+U;形成新矩陣S,并構(gòu)建矩陣S的行列式|S|。

圖7 收發(fā)球子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流圖Fig.7 Network flow diagram of sending and receiving ball subsystem

通過MATLAB的det函數(shù)求解,得到收發(fā)球子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的最小路集為S1、S2、S3、S4,分別為

S1={e10,e12,e13,e14,e17,e18,V5,V6,V11,V12,

V14,V15,V16};

S2={e4,e10,e12,e13,e15,e17,e18,V5,V6,V7,V11,

V12,V14,V15,V16} ;

S3={e3,e10,e12,e14,e16,e17,e18,V4,V5,V6,V11,

V12,V14,V15,V16} ;

S4={e3,e4,e10,e12,e15,e16,e17,e18,V4,V5,V6,

V7,V11,V12,V14,V15,V16} 。

2.2.2 系統(tǒng)失效概率求解

由于網(wǎng)絡(luò)流分步法基于廣義的最小路集,在求解放空子系統(tǒng)最小路集時,由于現(xiàn)場工藝要求的限制,最小路集受到其他子系統(tǒng)的約束,因此將放空子系統(tǒng)的邊與節(jié)點放到其他涉及放空管線的子系統(tǒng)中,進行整體最小路集的求解。

對去掉放空子系統(tǒng)之外的其他4個子系統(tǒng)的最小路集進行不交和運算。

其中,

最小路集S11={e10,e12,e13,e14,e17,e18,V5,V6,V11,V12,V14,V15,V16};

最小路集S12=S2+{e9}={e4,e9,e10,e12,e13,e15,e17,e18,V5,V6,V7,V11,V12,V14,V15,V16} ;

最小路集S13=S3+{e8}={e3,e8,e10,e12,e14,e16,e17,e18,V4,V5,V6,V11,V12,V14,V15,V16} ;

最小路集S14=S4+{e8,e9}={e3,e4,e8,e9,e10,e12,e15,e16,e17,e18,V4,V5,V6,V7,V11,V12,V14,V15,V16} 。

根據(jù)式(10),結(jié)合網(wǎng)絡(luò)流圖與計算所得設(shè)備及管道失效概率,可計算收發(fā)球子系統(tǒng)可靠度如下。

=0.993 254 46。

同理,RSX2=Pe1Pe2Pe5Pe19PV1PV2PV3PV8=0.983 345 001,X2子系統(tǒng)為處理子系統(tǒng)+放空子系統(tǒng)的{e5,V8};RSX3=PS6=Pe6Pe7PV9PV13=0.989 414 984,X3為排污子系統(tǒng);RSX4=PS7=Pe11PV10=0.978 355 268,X4為加藥子系統(tǒng)。

根據(jù)現(xiàn)場工藝要求,按照各子系統(tǒng)串聯(lián)形式計算整個站場系統(tǒng)的可靠度為

則X站系統(tǒng)的失效概率為

Pf=1-RS=1-0.950 131=5.454 36×10-2。

2.3 網(wǎng)絡(luò)流整體法與分步法適用性對比

根據(jù)基于網(wǎng)絡(luò)流整體法與分步法的站場系統(tǒng)失效概率計算過程,可以對比兩種方法對于站場系統(tǒng)可靠性分析的適用性,兩者對比如圖8所示。

圖8 網(wǎng)絡(luò)流整體法與網(wǎng)絡(luò)流分步法適用性對比Fig.8 Comparison of applicability between network flow holistic method and network flow step-by-step method

根據(jù)表2中站場系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流最小路集對比可以發(fā)現(xiàn),整體法最小路集有兩個,即S1與S2。S1與S2是站場系統(tǒng)中的最小路,其中去掉任意弧都不能構(gòu)成完整通路,所包含的節(jié)點數(shù)與邊最大限度內(nèi)減少,但其存在必要通路不在最小路集內(nèi)的問題,如e2通路作為天然氣處理后的通路應在站場系統(tǒng)的最小路集內(nèi),但兩條最小路集中均不包含。

分步法最小路集有4個,即S11、S12、S13、S14。分步法最小路集為廣義上的最小路集,去掉任意弧站場系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流都不能完成相關(guān)功能,其所包含的節(jié)點與邊比整體法要多,但其不存在必要通路不在最小路集內(nèi)的問題,既能保證連通性又能保證滿足工藝要求。整體來看,分步法雖步驟相對復雜,但相對整體法來看更符合現(xiàn)場工藝要求與實際情況,因此選擇網(wǎng)絡(luò)流分步法用于后續(xù)系統(tǒng)的可靠性分析。

3 基于HAZOP分析的工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下的站場系統(tǒng)可靠性分析

工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下的站場可靠性分析,首先要對涉及失效概率會發(fā)生改變的設(shè)備計算在該狀態(tài)下的腐蝕缺陷深度,然后對設(shè)備重新采用ANSYS-PDS模擬得到新的失效概率,從而基于網(wǎng)絡(luò)流分步法再次計算站場系統(tǒng)失效概率,進而分析工藝參數(shù)偏差狀態(tài)對站場系統(tǒng)可靠性的影響。

調(diào)研X站現(xiàn)場評價的HAZOP分析中偏離分析結(jié)果可以得出,X站的工藝參數(shù)偏差狀態(tài)有1個,編號為44207,具體狀態(tài)為處理子系統(tǒng)來液量過高導致的分離器或污水罐液位過高。此時,站場系統(tǒng)內(nèi)工藝狀態(tài)主要會發(fā)生改變的設(shè)備如表3所示。

表3 工藝狀態(tài)主要會發(fā)生改變的設(shè)備與管道Table 3 Equipment and pipelines whose process state will mainly change

根據(jù)現(xiàn)場腐蝕監(jiān)檢數(shù)據(jù),假設(shè)該狀態(tài)下的設(shè)備腐蝕速率為歷史最大腐蝕速率,腐蝕時間假設(shè)為10 d,對于工藝狀態(tài)會發(fā)生改變的設(shè)備進行新的腐蝕速率積分則可得到此時的剩余壁厚,進而通過ANSYS-PDS模擬得到新的失效概率[16],而對于其他設(shè)備與管道的失效概率則沒有影響。根據(jù)該狀態(tài)下的剩余壁厚再次進行ANSYS-PDS模擬,對于井口來氣節(jié)點以及污水裝車節(jié)點,默認為可靠度為1,不再計算。將計算所得工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下設(shè)備的失效概率與正常狀態(tài)下的失效概率計算對比,工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下設(shè)備與管道的失效概率明顯增大,如表4所示。

表4 工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下設(shè)備失效概率計算結(jié)果Table 4 Calculation results of equipment failure probability under the condition of process parameter deviation

基于網(wǎng)絡(luò)流分步法再次計算X站系統(tǒng)失效概率,計算步驟與2.2節(jié)相同。此時,站場系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變,因此站場系統(tǒng)的廣義最小路集不發(fā)生改變,只是在系統(tǒng)失效概率計算中各節(jié)點與邊的失效概率發(fā)生改變。

同2.2節(jié)相同,將放空子系統(tǒng)的邊與節(jié)點放到其他涉及放空管線的子系統(tǒng)中,求解整體最小路集。對去掉放空子系統(tǒng)之外的其他4個子系統(tǒng)的最小路集進行不交和運算。同時,工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下涉及的4條管道與2個設(shè)備屬于處理子系統(tǒng)與排污子系統(tǒng),因此只需要對兩個子系統(tǒng)重新進行不交和運算即可。

其中,處理子系統(tǒng)+放空子系統(tǒng)的{e5,V8},RSX2=Pe1Pe2Pe5Pe19PV1PV2PV3PV8=0.982 543 324;排污子系統(tǒng)RSX3=PS6=Pe6Pe7PV9PV13=0.986 564 912。

X站系統(tǒng)的可靠度為

X站系統(tǒng)的失效概率為

Pf=1-RS=1-0.941 964=5.803 6×10-2。

4 結(jié)果與討論

根據(jù)X站基于網(wǎng)絡(luò)流法的正常工藝狀態(tài)與工藝參數(shù)偏差狀態(tài)的站場可靠性分析,可對X站進行整體可靠性分析與失效概率溯源分析,這對于X站的實際生產(chǎn)運行具有一定的指導參考意義。

(1) 正常工藝狀態(tài)下X站的站場系統(tǒng)失效概率為4.986 9×10-2,將放空子系統(tǒng)分散于其他子系統(tǒng)中,計算可得各子系統(tǒng)的失效概率分別為:收發(fā)球子系統(tǒng)+放空子系統(tǒng)的{e8,e9}失效概率為6.745 5×10-3,處理子系統(tǒng)+放空子系統(tǒng)的{e5,V8}失效概率為1.665 5×10-2,排污子系統(tǒng)失效概率為1.058 5×10-2,加藥子系統(tǒng)失效概率為2.164 5×10-2,由此可知,除收發(fā)球子系統(tǒng)失效概率為10-3數(shù)量級外,其余子系統(tǒng)失效概率均為10-2數(shù)量級,且加藥子系統(tǒng)失效概率最大,因此X站系統(tǒng)在正常工藝狀態(tài)下建議重點關(guān)注各子系統(tǒng)的排序為:加藥子系統(tǒng)>處理子系統(tǒng)+放空子系統(tǒng)的{e5,V8}>排污子系統(tǒng)>收發(fā)球子系統(tǒng)+放空子系統(tǒng)的{e8,e9}。

(2) 工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下X站的站場系統(tǒng)失效概率為5.803 6×10-2,較正常工藝狀態(tài)增大16.38%,經(jīng)計算可得各子系統(tǒng)的失效概率分別為:收發(fā)球子系統(tǒng)+放空子系統(tǒng)的{e8,e9}失效概率沒變,處理子系統(tǒng)+放空子系統(tǒng)的{e5,V8}失效概率為1.745 7×10-2,較正常工藝狀態(tài)增大4.82%,此時站場應及時關(guān)注;排污子系統(tǒng)失效概率為1.343 5×10-2,較正常工藝狀態(tài)增大26.92%,此時站場應重點關(guān)注;加藥子系統(tǒng)失效概率沒變,因此X站該工藝參數(shù)偏差狀態(tài)對于排污子系統(tǒng)影響最大,其次是處理子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的失效概率數(shù)量級沒有改變,大小排序也沒有改變,因此工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下建議重點關(guān)注各子系統(tǒng)排序不變。

(3) X站在正常工藝狀態(tài)與工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下的子系統(tǒng)失效概率大小排序相同,即加藥子系統(tǒng)>處理子系統(tǒng)+放空子系統(tǒng)的{e5,V8}>排污子系統(tǒng)>收發(fā)球子系統(tǒng)+放空子系統(tǒng)的{e8,e9},回溯其可靠性分析過程可得出具體原因如下。

原因1加藥子系統(tǒng)失效概率包含一臺泵設(shè)備,而采用泵設(shè)備的失效概率為2.145×10-2,與壓力容器與管道的失效概率相比較大,因此該子系統(tǒng)的失效概率不可避免地偏大。

原因2處理子系統(tǒng)+放空子系統(tǒng)的{e5,V8}設(shè)備與管道均處于正在處理的狀態(tài),此時腐蝕環(huán)境較為不利,因此各設(shè)備與管道的失效概率偏大,子系統(tǒng)的失效概率更大。

原因3排污子系統(tǒng)的失效概率數(shù)量級比收發(fā)球子系統(tǒng)的失效概率數(shù)量級大10倍,這是由于排污子系統(tǒng)長期處于較惡劣的腐蝕環(huán)境中,其中的設(shè)備與管道腐蝕缺陷較深,失效概率更大,因此在站場日常運行生產(chǎn)過程中,應重點關(guān)注排污子系統(tǒng)的腐蝕狀況,將其控制在合理安全的范圍之內(nèi);而收發(fā)球子系統(tǒng)涉及的設(shè)備與管道失效概率均為較低水平,因此該子系統(tǒng)失效概率最小。

5 結(jié)論

(1) 提出采用跨領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)流理論來分析天然氣站場系統(tǒng)的整體可靠性,并對網(wǎng)絡(luò)流理論做了歸納創(chuàng)新,提出了網(wǎng)絡(luò)流分步法與網(wǎng)絡(luò)流整體法的概念,方法可直接分析系統(tǒng)整體,比傳統(tǒng)圖論方法更簡潔、更直觀。其中,網(wǎng)絡(luò)流分步法比網(wǎng)絡(luò)流整體法分析站場系統(tǒng)的可靠性適應性更強,網(wǎng)絡(luò)流分步法不存在必要通路不在最小路集內(nèi)的問題,既能保證連通性又能保證滿足工藝要求,對于天然氣站場的可靠性分析較為適應。

(2) 通過最小路集與不交化算法計算出站場系統(tǒng)在正常工藝狀態(tài)下的失效概率,正常工藝狀態(tài)下X站系統(tǒng)失效概率為4.986 9×10-2,經(jīng)溯源分析,X站系統(tǒng)在正常工藝狀態(tài)下建議重點關(guān)注各子系統(tǒng)的排序為:加藥子系統(tǒng)>處理子系統(tǒng)+放空子系統(tǒng)的{e5,V8}>排污子系統(tǒng)>收發(fā)球子系統(tǒng)+放空子系統(tǒng)的{e8,e9}。

(3) 創(chuàng)新性地提出基于HAZOP分析確定站場系統(tǒng)在工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下的失效概率,分析偏差狀態(tài)對于站場系統(tǒng)可靠性的影響。工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下該站的站場系統(tǒng)失效概率為5.803 6×10-2,較正常工藝狀態(tài)增大16.38%,兩種狀態(tài)下各子系統(tǒng)的失效概率數(shù)量級沒有改變,大小排序也沒有改變,因此工藝參數(shù)偏差狀態(tài)下建議重點關(guān)注的各子系統(tǒng)排序不變,由于此時排污子系統(tǒng)失效概率較大,應重點關(guān)注排污子系統(tǒng)的腐蝕狀況,將其控制在合理安全的范圍之內(nèi),對于其他子系統(tǒng)中的設(shè)備進行重點關(guān)注的調(diào)整。這對實現(xiàn)天然氣站場整體系統(tǒng)的安全運行管理具有重要意義,為其他類似站場的可靠性分析提供參考和借鑒。