基于IOW的高含硫氣田集輸管網操作風險評估

譚清磊 陳國明 付建民

1.青島理工大學安全工程系 2.中國石油大學（華東）海洋油氣裝備與安全技術研究中心

隨著經濟發展對能源需求的不斷增大，我國開始開發重慶、川東北等地的高含硫氣藏。高含硫天然氣中的H2S、CO2等物質對集輸管網具有強烈的腐蝕作用，并且高含硫天然氣容易發生硫沉積和生成天然氣水合物，極易導致管網發生故障［1－3］。此外高含硫天然氣中H2S具有劇毒。設備失效、操作失誤、設計不合理、管理疏忽等容易造成輸氣中斷、環境污染、燃燒爆炸及人員中毒等惡性后果。因此，高含硫氣田集輸管網安全運行至關重要，為確保高含硫氣田集輸管網安全經濟穩定的運行，進行高含硫氣田集輸管網操作風險分析具有重要意義。

在過去的幾十年里，已開發和使用各種工藝安全技術，安全檢查表、What－If分析法、故障樹（FT）、事件樹（ET）、危險與可操作性分析法（HAZOP）、失效模式和影響分析法（FMEA）、保護層分析法（LOPA）等是比較常用的方法，可用來辨識工藝故障和確定安全保護措施。完整性操作窗口（Integrity Operating Window，簡稱IOW）技術是近年來新興的一種更為本質的工藝安全技術［4－6］。目前國內在利用IOW技術對工藝進行風險分析方面的研究較少，陳煒等［7］介紹了石化裝置IOW 技 術 及 應用。國 外，Kim J等［4，6］利 用IOW技術預防腐蝕，提高化工裝置的可靠性，Kelleher A［5］利用IOW技術對壓力設備進行腐蝕管理。本文利用IOW技術對高含硫氣田集輸管網進行操作風險分析，預防影響正常輸氣的冰堵，減輕管網的腐蝕，預防事故的發生。

1 IOW技術

IOW技術是指通過預先設定工藝參數臨界值、操作邊界，使工藝或操作嚴格限制在這些設定的區域范圍內，一旦工藝或操作超出這個范圍，將反饋一個警報，提示工藝或操作已越界，從而提高設備運行的可靠性，預防設備故障［7］。

IOW分析的基本依據是對整個操作空間的工藝參數進行分類。Lou等［8］建議分別劃分工藝輸入和輸出空間為4個操作區域：①區域Ⅰ，正常操作區域；②區域Ⅱ，安全警戒區域，安全敏感的工藝變化必須處理；③區域Ⅲ，安全危險區域，必須立即采取安全保障措施；④區域Ⅳ，災難區域，發生了嚴重的不可逆的工藝變化，并導致災難性的后果。圖1描述了一個普通工藝的操作區域分類以及輸入輸出空間之間的映射。基于區域分類，得到一個定量化工藝安全狀態的工藝操作安全指數（POS）。

大多數工藝模型能夠有效描述工藝的正常操作（區域Ⅰ），但應認真核實描述異常區域（其他3個區域）系統行為的能力，在區域Ⅰ中使用的假設可能在其他區域中無效，工藝安全模擬重點集中在區域Ⅱ和區域Ⅲ上，兩者合起來稱為警戒危險區（SAT區），SAT區域計算模型稱為工藝安全模型（ProSec模型），沒有必要模擬區域Ⅳ，因為當操作進入此區域，災難已經發生。

圖1 輸入區域和輸出區域之間的映射圖

1.1 SAT－O區域和SAT－Ⅰ區域之間的映射

SAT－O區域的系統輸出動態由SAT－Ⅰ區域的輸入決定，根據工藝輸入可以知道工藝安全狀態。對一個普通的工藝，輸入紊亂影響輸出需要一定的時間，即時間延遲（記為Δtd），提前知道安全狀態的變化，有利于提前采取主動安全措施。圖1用函數M（X，Y）描述了輸入X和輸出Y之間的映射［8］，函數可以從ProSec模型得到。在每對鄰近區域邊界的3個映射函數是比較關鍵的：Xan→Yan；Xta→Yta；Xdt→Ydt。

SAT－Ⅰ區域的辨識非常重要，有利于采取早期措施預防事故。因為如果知道X（t）進入區域SAT－Ⅰ，那么Y（t）在時間 Δtd將進入SAT－O區域。

1.2 工藝操作安全指數

工藝操作安全指數（POS）表示偏離工藝正常操作區域的程度，取值0與1之間，“0”表示安全的狀態，“1”意味著災難性事故發生：

式中Y（t）為包含工藝安全敏感輸出變量（如溫度、壓力等）的向量；Yan為包含區域Ⅰ外邊界輸出變量的向量；Ydt為包含區域Ⅲ外邊界輸出變量的向量。因此‖Ydt－Yan‖為SAT－O空間大小。‖Y（t）－Yan‖為系統進入SAT－O區域的程度。如果Y（t）位于區域Ⅰ，POS不能應用，因為沒有安全問題。注意POS是時間變量，依賴于輸出Y（t）。因此，POS可以反映工藝操作安全程度的變化。

2 高含硫氣田集輸管網簡介及敏感性變量辨識

2.1 高含硫氣田集輸管網簡介

以川東北某高含硫氣田集輸管網3號線為研究對象，如圖2所示，其采用濕氣集輸工藝，天然氣從井口采出后，在集氣站加注水合物抑制劑、緩蝕劑，加熱節流，單井或多井計量后進入集氣干線保溫混輸，然后在集氣末站分離計量后進入天然氣凈化廠，井站及管網設施簡單。此外集氣站具有對天然氣進行放空和智能清管接收與發送等功能［9－10］。

圖2 高含硫天然氣集輸管網圖

2.2 安全敏感性變量辨識

2.2.1 SAT－O區域變量辨識

根據管道強度、水合物生成的主要影響因素及管道腐蝕影響因素，確定4條管道安全敏感性輸出變量為管道中天然氣壓力、溫度、流速。

2.2.2 SAT－Ⅰ區域變量辨識

SAT－Ⅰ區域變量辨識十分重要，因為它提供潛在失控狀態的早期信息。L4、L3、L2、L1管道的敏感性輸入變量如下所示。

1）L4管道：P304集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度。

2）L3管道：①P303集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；②P304集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度。

3）L2管道：①P302集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；②P303集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；③P304集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度。

4）L1管道：①P301集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；②P302集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；③P303集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；④P304集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度。

3 安全敏感性輸出變量區域邊界辨識

管道安全敏感性輸出變量區域邊界的確定考慮以下因素：管道關鍵操作參數（如管道承受壓力的極限）及其相關標準和法規；天然氣水合物生成、單質硫沉淀等異常現象；天然氣的物理和化學性質（如腐蝕性等）。分析這些因素時不僅要研究單根管道的安全性敏感擾動，辨識整個工藝系統的安全狀態，而且要研究貫穿系統的擾動傳播的綜合影響。

3.1 管道壓力輸出變量區域邊界辨識

天然氣壓力對管道的安全運行非常關鍵。管道承受最大的壓力取決于其設計和所用的材料。管道的最大允許工作壓力（MAWP）可以根據安全和健康法規表示為［11］：

式中Ts是材料的極限強度；t為材料厚度；E為縱向焊縫系數；R為管道內徑；FS為允許的安全系數。MAWP設置為安全警戒區的邊界。對于壓力管道，應當用壓力釋放裝置保護，防止壓力上升超過MAWP的10%，故1.1 MAWP設為安全危險區域邊界。認為比正常操作壓力大10%的壓力為正常操作區域邊界。集氣管線的管材選用直縫埋弧焊鋼管（SAW），等級為L360，遵 循 的 標 準 為 GB／T 9711.3—2005 （ISO 3183—3：1999）《石油天然氣工業輸送鋼管交貨技術條件 第3部分：C級鋼管》［9］。對無縫鋼管，E 為1。L360鋼管極限強度為460MPa。管道L1、L2、L3、L4壓力輸出空間區域邊界見表1。

3.2 管道中天然氣溫度輸出變量區域邊界辨識

由于高含硫天然氣中H2S和CO2等物質含量較高，水合物形成溫度較高，天然氣溫度輸出變量區域邊界主要取決于天然氣水合物的形成溫度。天然氣水合物是在天然氣開采、加工和運輸過程中在一定溫度和壓力下，天然氣中的某些組分和液態水形成的冰雪復合物，嚴重時能堵塞井筒、管線、閥門和設備，影響天然氣的開采、集輸和加工［1，12］。

氣田采用濕氣輸送方案時，應加熱輸送使集輸管網中天然氣最低溫度高于水合物形成溫度3～5℃，根據普光氣田已獲氣井氣質報告，使用HYSYS軟件計算出不同壓力下天然氣水合物的形成溫度如圖3所示，進末站天然氣水合物形成溫度約24.7℃，考慮5℃的溫度裕量后，末站溫度應為29.7℃。溫度合格判定方法為沿線各節點及末站接氣點原料天然氣溫度不小于30℃［10］。

表1 管道壓力輸出空間區域邊界表 MPa

圖3 不同壓力下天然氣水合物的形成溫度圖

天然氣水合物的生成依次包括晶核形成和生長聚集兩個階段。當天然氣壓力不變時，溫度必須低于理論平衡溫度若干攝氏度，并經過一定時間誘導才能形成水合物晶核。有關文獻把給定壓力下形成水合物的平衡溫度（Te）與工藝實際運行操作溫度（To）的差值定義為過冷度（ΔT），如式（3）所示。而把一定過冷度下形成水合物晶核的時間定義為誘導時間，誘導時間與過冷度之間存在式（4）所示的經驗關系。

式中t表示誘導時間，min；ΔT表示過冷度，℃。

實踐表明過冷度不大于7.49℃時，一般不會形成天然氣水合物；而過冷度大于11.1℃時，在25min以內（甚至瞬間）就會形成天然氣水合物［13］。因此可以確定天然氣溫度輸出空間區域邊界，見表2。

表2 某氣田高含硫天然氣溫度輸出空間區域邊界表

3.3 管道中天然氣流速輸出變量區域邊界辨識

氣田采用濕氣集輸方案，使集輸管道內氣體流速在3m／s以上，并定期清管消除積液，減少管道內腐蝕［14］。在整個集輸管網壓力允許的前提下，選擇經濟合理的管徑，控制管內氣體流速在3～6m／s范圍內［3，15］，以保證攜液能力，減少積液，同時達到緩蝕劑應用效果。研究和現場實踐表明氣體流速是影響管道CO2、H2S腐蝕的非常重要的因素。高流速產生的沖刷作用不僅極易破壞管道的腐蝕產物膜，而且阻礙腐蝕產物膜的形成，使管道內表面處于裸露的初始腐蝕狀態。因此，通常是流速增加，腐蝕速率也增加［16］。此外，高流速還會影響緩蝕劑發揮作用，研究認為當流速大于10m／s時，緩蝕劑不再發揮作用。流速最大不能超過30m／s，流速太高不僅加速腐蝕和沖蝕，而且會引起管系的閥門（包括控制閥）、特殊管件、管道中物料流向突變的管系、安全閥放空管系等工作時因高流速湍流產生高噪聲［2，17］。因此可以確定天然氣流速輸出變量區域邊界，如表3所示。

表3 天然氣流速輸出空間區域邊界表

4 安全敏感性輸入變量區域邊界辨識

通過了解安全敏感輸出變量，根據輸出變量的限制，研究各種安全敏感輸入變量的區域界限。一個輸入變量的變化可能導致多條管道移動到不同的操作區域，在這種情況下，導致任何管道先越過輸出區域邊界的最嚴格的約束，作為整個集輸系統的特定區域的邊界。利用HYSYS軟件建造的模型，研究輸入變量變化時對不同管道的影響，在軟件中用混合器把來自4個集氣站的高含硫天然氣并到集氣干線，使用管段模塊模擬集氣站間的集輸管道。因為所處地形多變，管段模擬中必須考慮海拔變化，使用HYSYS的穩態功能模擬處于不同地形的集輸管網。集輸管網所處地形如圖2所示。

在本文的研究中，當一個輸入變量變化時，所有其他的輸入變量和運行參數保持在正常操作區域，然后進行模擬，將來再研究不同干擾的綜合影響。本文將對下列工藝敏感性輸入變量進行研究：①供氣量的變化；②供氣溫度的變化；③供氣壓力變化。詳細說明供氣量、供氣壓力、供氣溫度的變化對不同管道安全敏感擾動的“連鎖效應”。

4.1 P304集氣站供氣量的影響

利用模擬結果研究P304集氣站供氣量的變化對L4、L3、L2、L1管道中天然氣流速、壓力、溫度的影響，其中對管道中天然氣流速的影響最為明顯。根據模擬結果研究L4、L3、L2、L1管道流速變化情況。正常條件下，P304集氣站供氣量為200×104m3／d，當 P304正常供氣時，最低流速出現在L4管道，管道氣體流速隨地形變化如圖4所示。當P304供氣量減少時，管道氣體流速會減小。

圖4 L4管道氣體流速隨地形的變化圖

當P304供氣量為170×104m3／d時，L4管道最低流速為3m／s。當P304供氣量達到249×104m3／d時，L2管道最大流速達到6m／s。當P304供氣量達到282×104m3／d時，L3管道中的最大流速達到6m／s。當P304供氣量達到337×104m3／d時，L4管道最大流速達到6m／s。表4列出了P304集氣站供氣量對整個集輸系統的輸入區域邊界。

4.2 P304集氣站供氣溫度的影響

研究P304集氣站供氣溫度對整個集輸管網的影響。P304集氣站供氣溫度設計值為55℃，對P304集氣站不同的供氣溫度進行模擬，檢查L4、L3、L2、L1管道中天然氣溫度的情況。P304集氣站供氣溫度的減小，會導致L4、L3、L2、L1管道中天然氣溫度的降低。L4、L3、L2、L1管道中天然氣最低溫度隨P304集氣站供氣溫度變化如圖5所示。基于管道中天然氣溫度輸出區域邊界可以確定P304集氣站供氣溫度輸入區域邊界。如圖5所示，當P304集氣站供氣溫度為17.2℃時，L4管道最低溫度為17.2℃，當P304集氣站供氣溫度為24.7℃時，L4管道最低溫度為24.7℃，當P304集氣站供氣溫度為30℃時，L4管道最低溫度為30℃。當P304集氣站供氣溫度為17.2℃時，L4管道最低溫度為17.2℃，其他管道最低溫度沒有低于30℃。因此，基于管道中天然氣溫度的P304集氣站供氣溫度的輸入區域邊界見表5。

表4 P304集氣站供氣量輸入區域邊界表

圖5 管道中天然氣最低溫度隨P304集氣站供氣溫度的變化趨勢

表5 P304集氣站供氣溫度的輸入區域邊界表

4.3 P304集氣站供氣壓力的影響

P304集氣站供氣壓力增加會對管道有影響，并且影響水合物的形成溫度。當壓力為25MPa時，天然氣水合物的形成溫度為27.6℃。L4、L3、L2、L1管道中，L3管道溫度最低為32.5℃，仍高于天然氣水合物的形成溫度。P304集氣站供氣壓力對管道強度的影響大于對天然氣水合物形成的影響。P304供氣壓力變化對管道最大壓力的影響如圖6所示。當P304集氣站供氣壓力為9.81MPa、10.45MPa、11.49MPa時，L4管道最大壓力達到9.9MPa、10.55MPa、11.60 MPa。而L2、L3、L4管道最大壓力均在正常操作區間內。

圖6 管道最大壓力隨P304集氣站供氣壓力的變化趨勢圖

根據《川氣出川天然氣管道工程可行性研究報告》要求，凈化氣首站進站壓力為8.0MPa，考慮凈化廠凈化工藝壓力損失0.2～0.3MPa，故普光氣田內部集輸工藝在出末站壓力最低壓力為8.2MPa。當P304集氣站供氣壓力為8.93MPa時，L1管道末端輸出壓力為8.2MPa。因此基于管道最大壓力的P304集氣站供氣壓力的輸入區域邊界見表6。

表6 基于管道最大壓力的P304集氣站供氣壓力的輸入區域邊界表

根據類似的原理和方法，可以得出P303、P302、P301集氣站的供氣溫度、供氣壓力、供氣量的輸入區域邊界。

5 結論

1）以高含硫氣田集輸系統為研究對象，基于IOW技術對其操作風險等級評估進行研究。首先辨識工藝安全敏感輸出和輸入變量，然后根據物理極限、法規、工程實踐等確定每條管道的安全敏感輸出變量的區域邊界。最有意義的是安全敏感輸入變量區域邊界的辨識。通過模擬各種情形下的工藝狀態，仔細分析每個輸入變量的變化對整個集輸系統的影響，對輸入變量操作空間分級，評價工藝的安全狀態，為制定集輸系統運行操作方針提供參考，預防事故的發生。

2）當選擇一個輸入變量進行SAT－Ⅰ空間分類時，是建立在固定其他剩余輸入變量在正常操作區域的基礎上。當不僅僅一個輸入變量變化時，區域邊界應當重新確定。為了確保工藝安全，如果任何一條管道的輸出變量越過一個特定的區域邊界，那么就認為整個集輸系統某個安全敏感輸入變量進入一個特定的區域。

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