動態模擬應用在海上氣田工藝設計上的探討

周 呈

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津300452)

在傳統海洋油氣田開發工藝設計中，通常采用HYSYS穩態模擬進行油氣集輸流程的設計和優化。由于缺乏時間、空間、物質滯留[1]以及控制系統等參數，穩態模擬不能真實反應流程在諸如啟動、關斷和事故泄放等緊急工況下的參數變化，成為制約油氣集輸工藝設計進一步發展的瓶頸。在工藝安全和設計成本兩大因素的推動下，動態模擬在油氣集輸工藝設計中得到越來越多的重視、研究和應用。

HYSYS動態模擬將穩態系統與控制理論、動態化工、熱力學模型、物質滯留模型和動態數據處理有機結合起來，通過求解常微分方程組來對實際生產裝置進行動態模擬，進而反應系統控制過程、啟動過程、平穩運行、關斷和事故泄放等各種工況下的參數變化[2]，為工藝設計、流程評估和方案優化提供理論依據。

南海某高壓氣田開發工程新建一座中心平臺和一座井口平臺，兩個平臺屬于同一地質油藏，地層壓力較高，關井壓力達到 47.8MPaG，井口平臺流體通過海管輸送至中心平臺處理。本文以該高壓氣田工程設計為例，利用HYSYS動態模擬技術對工藝關斷過程、堵塞工況平臺泄放能力、正常泄放低溫和燃料氣用戶加卸載等過程進行研究，結合動態模擬結果優化工藝設計，完善工藝設計的安全保護措施，降低了工程投資。

1 模擬關閥過程壓力變化，復核設備兩級保護的可靠性

該高壓氣田的地層壓力較高，關井壓力達到47.8MPaG，井口流體經油嘴節流降壓后(壓力降至7.8MPaG)由管匯收集后進入生產分離器進行處理，從井口至管匯采用全壓設計(設計壓力 47.8MPaG)，管匯出口(SDV下游)至分離器采用降壓設計，流程見圖1。

圖1 某高壓氣田井口至生產分離器兩級保護流程Fig.1 Two stage protection process from wellhead to production separator in a high pressure gas field

按照常規設計，分離器的設計壓力應在其操作壓力的基礎上考慮 10%的余量，即為 8.65MPaG。根據規范，分離器上需設置堵塞工況安全閥，與入口關斷閥組構成兩級工藝系統安全保護[3]，在超壓事故工況下，一級保護由入口關斷閥實現，若關斷閥出于某種原因(如閥門本身故障或控制系統失靈等)，安全閥啟跳實現二級安全保護，關斷閥和安全閥組成獨立的兩級保護。

在上述常規設計中并未考慮關斷閥在關閉過程中井口流體對下游分離器等設備的超壓影響。由于關斷閥關閉不是瞬間完成，在實際關閥過程中，井口流體繼續對分離器進行沖壓，如果該過程時間較長、井口來流產量較大或分離器緩沖容積較小，分離器內的操作壓力就極有可能在關閥期間達到安全閥設定值，造成安全閥啟跳。如果該工況發生，關斷閥和安全閥將無法實現兩級獨立的安全保護，則上述設計就存在一定的安全風險。

在該高壓氣田設計中，采用HYSYS動態模擬對上述關閥過程進行了分析研究。通過模擬發現在現有的條件下，關斷閥在關斷過程中PSV已經開始啟跳，從圖2中看出，在關閥8s內容器內壓力已經達到設計壓力。

圖2 關閥過程中下游分離器的沖壓狀態Fig.2 Stamping state of downstream separator during valve closing

如果壓力安全閥出現故障，即便在關斷閥可靠的情況下，正常關斷過程中分離器已經存在超壓破裂的風險，這樣的設計是不滿足規范要求的。為保證關斷閥和安全閥兩級保護的獨立性，利用動態模擬從設計壓力、關閥時間及下游緩沖容積3個方面分別進行計算，結果見表1。

表1 各模擬工況下安全閥保護的有效性計算結果Tab.1 Protection validity calculation results of safety valve under various simulated conditions

從表中看出，可以通過以下3個途徑完善超壓保護設計：①縮短關斷閥關斷時間至5s；②增大分離器緩沖容積至 65m3；③提高分離器設計壓力至9.2MPaG。通過綜合考慮認為，本項目將分離器設計壓力提高至9.2MPaG，滿足了規范要求，實現了分離器的兩級超壓保護。

2 降低井口平臺堵塞泄放量，優化火炬臂長度

在常規設計中，分離器堵塞工況下安全閥泄放量往往按照井口最大配產進行設計選型。但在實際生產中，若分離器操作壓力達到安全閥設定點，也就代表油嘴下游壓力比正常生產工況高出至少 10%，在地層壓力不變的前提下，油嘴前后壓差變小，通過油嘴的井口流體流量亦減小，那么需要通過安全閥的泄放流體流量就相應減小。

以本氣田井口平臺設計為例，油嘴上游關井壓力為 47.8MPaG，生產管匯至海管處平臺上部管線設計壓力為 35.4MPaG。在全平臺堵塞泄放時，按照常規設計，全平臺產量(1.4×106Sm3/d)作為火炬系統總的泄放能力。在正常操作工況時下游系統操作壓力為 9MPaG，堵塞工況下(安全閥啟跳壓力為35.4MPaG)，油嘴前后壓差急劇減小，全平臺需要的堵塞泄放量也相應減小。經動態模擬計算，在緊急事故工況下，需要經安全閥泄放的全平臺堵塞量為1.1×106Sm3/d，遠小于全平臺產量。表2列出了不同泄放量下需要的放空臂長度，從表中看出，采用動態模擬后，因泄放量降低，火炬臂長度有效降低，從而直接降低了井口平臺的投資。

表2 不同泄放量下需要的放空臂長度Tab.2 Venting arm length for different bleeding volumes

3 復核安全閥泄放量，優化安全閥尺寸

工藝設備火災工況安全閥的泄放量一般通過理論計算公式獲得，根據規范，受火設備考慮 21%超壓下安全閥需要的最大流通能力[4]。但在真實場景中，彈簧式安全閥在設定點 90%時已經開始泄露，在設定點 100%時已經達到 100%的開度，故安全閥一般不會達到超壓 21%的狀態，其真實泄放量也低于基于 21%超壓下的理論計算值。以本氣田 3個設備的火災工況安全閥為例，動態模擬出的泄放量見表3，從表中可看出其真實泄放量低于理論計算需要的泄放量，這為安全閥尺寸選擇和優化提供了強有力的模擬依據，實現了降本增效。

表3 火災工況下安全閥理論計算需要量與動態模擬計算量對比Tab.3 Comparison of theoretical calculation requirements and dynamic simulation calculations of safety valves under fire conditions

在常規設計中安全閥孔徑均為標準化設計，通常根據計算的需要泄放量來選擇孔徑。由于時常遇到計算的孔徑比標準等級小的孔徑大了一點，而比標準等級大的孔徑小了很多，往往出于保守考慮選擇較大的標準孔板。在上述工況下，可采用動態模擬校核較小的孔板的適應性。

4 模擬冷態泄放，合理確定設備低溫

該氣田烴露點控制流程中的低溫分離器操作溫度為-3℃，若采用常規HYSYS靜態模擬方法進行冷態泄放計算，整個烴露點系統內的所有設備和管線需要等效為一個容器進行計算，泄放過程中系統出現的最低溫度為-40℃。常規設計下，該系統內的所有設備和管線，包括入口換熱器、低溫分離器、出口換熱器和液相泵，均需要按照-40℃進行工藝設計。

但該計算方法偏于保守，其原因在于：系統內容器、換熱器和管線幾何形態和尺寸不同，在泄放過程中流體在相應設備內吸收熱量的速率也不同，故各設備在泄放過程中出現的最低溫度就會不一樣。

針對本氣田烴露點控制系統，依據實際流程進行動態模擬計算(相關設備和管線不再等效為一個容器)，見圖3。

圖3 烴露點系統泄壓流程圖Fig.3 Pressure relief flow chart of hydrocarbon dew point system

動態模擬計算結果顯示，僅有低溫分離器最低溫度達到-40℃，進出口氣相管線和換熱器出現的最低溫度為-25℃，液相出口管線的最低溫度為-17℃。與常規設計相比，提高了氣相進出口管線、進出口換熱器和液相出口管線的設計低溫，降低了相關設備的低溫材料要求，有效降低了工程投資。

5 模擬燃料氣加卸載過程，優化系統設計

該氣田燃料氣用戶為燃氣透平、低壓密封氣和火炬吹掃氣。按照常規設計，燃料氣緩沖罐容積按照燃氣透平切換期間燃氣需求量確定。但下游用戶用氣量的變化將影響系統操作的穩定性，甚至造成整個燃氣系統的關停。這是海洋平臺投產后經常反饋的一個問題，也是設計階段經常遇到的棘手問題之一。

通過對下游最大用戶(考慮一個燃氣透平)的突然加載和卸載過程進行動態模擬，分析了燃料氣緩沖罐壓力的變化過程，表4即為不同工況下燃氣緩沖罐壓力的變化結果。

從表中可看出，在燃氣緩沖罐入口壓力調節閥控制器積分時間Tc為0.5min前提下，下游用戶加載或卸載過程均不會引起系統關停，在積分時間為 1min前提下，用戶加載將會引起透平主機的切換，用戶卸載將引起整個燃氣系統的關停。故通過上述模擬結果進行完善燃料氣系統設計，用于保證系統操作的穩定性，可采取的措施有：提高入口調節閥 PID過程控制的靈敏度，縮短調節閥的調節時間；適當增大燃氣緩沖罐的容積。

表4 不同工況下燃氣緩沖罐壓力波動計算結果Tab.4 Calculation results of pressure fluctuation of gas buffer vessel under different working conditions

6 結 論

該高壓氣田通過采用HYSYS動態模擬，提高了生產分離器兩級超壓保護的可靠性，降低了井口平臺火炬系統泄放能力，減小了安全閥泄放量，降低了烴露點控制系統相關設備的低溫選材等級，優化了燃料氣系統設計。

由于能夠直觀地分析工藝啟動和關斷、超壓泄放、正常泄壓和系統調試等工藝過程，突破了工藝常規設計中的技術瓶頸，對評估工藝方案、完善工藝保護和優化工藝設計具有指導意義。這表明，HYSYS動態模擬將在油氣集輸處理工藝設計，尤其是深海油氣田的開發工藝設計中得到越來越多的重視和應用。