高含硫天然氣站場定量風(fēng)險評價技術(shù)研究

沈海春 蘇剛 官洪波 劉耀增 陳平 王柳

渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司

高含硫天然氣的安全開采和高效凈化已成為我國能源開發(fā)的主要方向。普光氣田、西南油氣田均已形成整裝的高含硫一體化天然氣站場，站場集凈化、處理、增壓、清管、硫磺回收、尾氣處理、產(chǎn)品外輸?shù)榷囗椆に嚕谏稀⑾掠毋暯雍蛥f(xié)調(diào)中起到重要作用。高含硫天然氣具有較強的腐蝕性和毒性，儲運風(fēng)險高，對管線和設(shè)備安全的危險程度大，對站場長期穩(wěn)定運行帶來了較大挑戰(zhàn)[1-3]。目前，諸多學(xué)者針對天然氣站場的安全問題進行了風(fēng)險評價研究，梁國華[4]針對天然氣站場內(nèi)的腐蝕與泄漏問題，制定了機器人本體知覺采集系統(tǒng)，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和超限學(xué)習(xí)機對泄漏點進行評價；陳冠杉等[5]從裝置工藝安全性出發(fā)，利用HAZOP、LOPA、SIL 等級聯(lián)合分析法，綜合判定現(xiàn)有工藝的安全性；姚廣聚等[6]以腐蝕流向為基礎(chǔ)，給出了不同介質(zhì)的腐蝕判斷標準，并給出了全面檢驗的思路和手段；李施奇等[7]從數(shù)據(jù)收集、場景泄漏、失效頻率、后果統(tǒng)計、風(fēng)險計算等方面對含硫天然氣管道進行了評價，得到了個人風(fēng)險和社會風(fēng)險結(jié)果。以上研究大多從單一方面考慮站場或管道的失效概率，未從站場全局出發(fā)，在整體上進行統(tǒng)一評價。本文利用API 581 標準，在確定站內(nèi)壓力容器及管道損傷系數(shù)和失效概率的基礎(chǔ)上，結(jié)合GO（以成功為導(dǎo)向的方法）建立子系統(tǒng)流程，并將GO 圖向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)映射，獲得各系統(tǒng)的故障率、維修率和穩(wěn)態(tài)不可用概率，進而得到站場整體的風(fēng)險水平。

1 天然氣站場定量風(fēng)險評價方法

天然氣站場定量風(fēng)險評價包括壓力容器及管道失效概率計算、風(fēng)險等級劃分、站場子系統(tǒng)可靠性分析和站場風(fēng)險水平計算等。

1.1 失效概率計算

在評價開始前，應(yīng)盡量收集各方面數(shù)據(jù)，包括但不限于站場設(shè)計、施工、試運行、投產(chǎn)、維搶修等記錄，在遵循獨立性和準確性的前提下，保證數(shù)據(jù)鏈的完整性。在高含硫條件下，損傷主要為容器或管道內(nèi)部減薄損傷、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂損傷、氯化物應(yīng)力腐蝕開裂損傷[8]。關(guān)于內(nèi)部減薄的損傷系數(shù)，可先由式（1）確定單位壁厚減薄比例系數(shù)，再由式（2）、式（3）計算與設(shè)備形態(tài)、流動應(yīng)力等因素相關(guān)的強度比參數(shù)。為保證評價結(jié)果的保守性，強度比參數(shù)取式（2）、式（3）計算結(jié)果的最大值。

式中：Art為壁厚減薄比例系數(shù)，無量綱；Cr,bm為設(shè)備或管道腐蝕速率，mm/a；Age為評價日期與最后一次檢驗之間的時間間隔，a；trdi為最后一次檢驗得到的壁厚，mm。

在內(nèi)部減薄損傷系數(shù)中定義3 種損傷狀態(tài)，1為損傷程度與預(yù)期一致；2 為損傷程度比預(yù)期較差；3 為損傷程度比預(yù)期差很多[9]。由此，結(jié)合Art和，確定三種損傷狀態(tài)下的基礎(chǔ)損傷系數(shù)，公式如下：

關(guān)于硫化物應(yīng)力腐蝕開裂損傷、氯化物應(yīng)力腐蝕開裂損傷，根據(jù)介質(zhì)中H2S 含量，設(shè)備的操作溫度和所處環(huán)境確定嚴重程度指數(shù)，根據(jù)嚴重程度指數(shù)和檢驗方法有效性分析，確定硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的基礎(chǔ)損傷系數(shù)、氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的基礎(chǔ)損傷系數(shù)。通過式（6）、式（7）計算兩種損傷的損傷系數(shù)：

式中：gff為通用基礎(chǔ)失效概率，a-1，取API 581中的總體失效概率；FMS為管理系統(tǒng)系數(shù)，通過調(diào)查和概率統(tǒng)計方法計算得到。

1.2 風(fēng)險等級劃分

通過計算得到的總損傷系數(shù)可衡量站場設(shè)備的安全狀態(tài)，并對評價對象的風(fēng)險等級進行判定（表1）。等級越大，設(shè)備風(fēng)險越大、越不安全。

表1 風(fēng)險等級劃分結(jié)果Tab.1 Results of risk grade classification

1.3 子系統(tǒng)可靠性分析

天然氣站場的各類工藝屬于可維修系統(tǒng)，即系統(tǒng)發(fā)生故障可以得到修復(fù)，系統(tǒng)處于正常工作和維修狀態(tài)交替運行。在此，按照介質(zhì)流向，采用GO法將系統(tǒng)流程圖、原理圖和PID 圖轉(zhuǎn)化為GO 圖，根據(jù)GO 圖操作符和信號流的運算方法計算系統(tǒng)可靠度。但GO 法在應(yīng)用的時候，存在操作符眾多，信號流復(fù)雜的問題，故將GO 圖和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，實現(xiàn)兩者之間的映射[10-11]。

具體步驟如下：①對GO 圖的信號流進行依次編碼，將當(dāng)前信號流i直接映射為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集合H={H1，H2，…，Hn}。②判斷信號流i的前驅(qū)操作符Oi的類型，如Oi為第5 類起始操作符，則將輸出信號R直接映射為貝葉斯節(jié)點Hi；如Oi為第2 類或第6 類邏輯操作符，則將Oi的輸入信號S映射到父節(jié)點，將輸出信號R映射為子節(jié)點；如Oi為第1 類功能操作符（此操作符在GO 圖中最為常見），為一路輸入S和一路輸出R，此時R的狀態(tài)由S和操作符本身狀態(tài)有關(guān)，故將輸入S和操作符C均定義為父節(jié)點，R映射為子節(jié)點，根據(jù)工況構(gòu)造條件概率表。③判斷Hi是否為系統(tǒng)輸出信號，若為否，設(shè)置i=i+1，進行下一個信號的映射；若為是，結(jié)束映射，流程完成。

其中貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的概率密度分布函數(shù)為

式中：P(A|B)在事件B條件下事件A發(fā)生的概率；P(B|A)在事件A條件下事件B發(fā)生的概率；P(A)、P(B)分別為事件A、B發(fā)生的先驗概率。

1.4 風(fēng)險水平計算

對于高含硫天然氣站場而言，處于穩(wěn)定狀態(tài)的可靠性指標最值得關(guān)注。根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計算出子系統(tǒng)故障率λ，通過統(tǒng)計各部件的維修更換記錄確定平均維修時間MTTR，進而計算維修率，，最終計算穩(wěn)態(tài)不可用概率，。根據(jù)A的計算結(jié)果確定站場風(fēng)險水平（表2）。等級越高，穩(wěn)態(tài)不可用概率越大，站場整體風(fēng)險越大。

表2 站場風(fēng)險水平Tab.2 Risk level of station

2 實例分析

以某高含硫天然氣站場為例，該站場的設(shè)計處理能力為30×108m3/a，其中原料CH4含量在85%～91%，H2S 含量9.5%～10.6%，CO2含量5.5%～6.9%，目前的外輸氣體質(zhì)量滿足GB 17820—2018《天然氣》中關(guān)于一類天然氣的要求。在基本介質(zhì)流向的基礎(chǔ)上，將站場分為脫酸子系統(tǒng)、脫水子系統(tǒng)、增壓子系統(tǒng)、放空子系統(tǒng)和排污子系統(tǒng)等。現(xiàn)針對其中的增壓子系統(tǒng)進行分析，來氣進入由電動球閥、過濾器、壓縮機、止回閥組成的支路（兩條支路一備一用），氣體增壓后進入空冷裝置冷卻后外輸。

增壓子系統(tǒng)設(shè)備及管道失效概率見表3。其中，電動球閥、過濾器、燃氣輪機和壓縮機的失效概率較大，應(yīng)作為重點監(jiān)視對象。地面管道、止回閥和空冷器的風(fēng)險等級為3，但空冷器的Df較大，建議3 年檢驗一次，地面管道和止回閥的Df較小，建議4 年檢驗一次。其余設(shè)備和管道的風(fēng)險等級為4，壓縮機的Df較大，建議1 年檢驗一次，匯管、埋地管道、電源、電動球閥、過濾和燃氣輪機的Df較小，建議2 年檢驗一次。從數(shù)據(jù)上看，埋地管道的Df和失效概率均大于地面管道，這是由于埋地管道不僅受高含硫介質(zhì)的腐蝕影響，還會受到土壤腐蝕及雜散電流影響，故失效概率較大，再次說明本次評價結(jié)果準確有效。

表3 增壓子系統(tǒng)設(shè)備及管道失效概率Tab.3 Failure probability of supercharging subsystem equipment and pipeline

按照增壓子系統(tǒng)的流程圖，建立GO 圖模型（圖1），其中各單位采用操作符類型-操作符編號的形式標注，同時在箭頭上標注信號流編號。將表3 的失效概率單位a-1轉(zhuǎn)化為d-1的單位，作為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點先驗概率，其余子系統(tǒng)中設(shè)備及管道的失效概率同樣按照API 581 進行測算，轉(zhuǎn)換為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點。按照規(guī)則將圖1 向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)映射（圖2）。圖1 操作符與圖2 根節(jié)點之間的關(guān)系見表4。

圖1 增壓子系統(tǒng)的GO 圖Fig.1 GO diagram of supercharging subsystem

圖2 增壓子系統(tǒng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Bayesian network of supercharging subsystem

表4 GO 圖和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的映射關(guān)系Tab.4 Mapping relationship between GO graph and Bayesian network

通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計算，系統(tǒng)信號流S18 的故障率為9.37×10-3d-1，將統(tǒng)計得到的維修時間代入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點，得到信號流S18的維修率為0.35 d，則平均維修時間為2.85 d，穩(wěn)態(tài)不可用概率。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)還可以假設(shè)S18 發(fā)生故障的概率為1，進而反向推理根節(jié)點的后驗概率，找到增壓系統(tǒng)中哪些環(huán)節(jié)的失效可能性最大，結(jié)果見表5。后驗概率與先驗概率相比，均有所上升，其中空冷器和電源的后驗概率最大，電源可靠性決定壓縮機入口球閥氣量調(diào)節(jié)是否準確，而空冷器決定壓縮機出口溫度是否合理，兩者發(fā)生故障將導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

表5 增壓子系統(tǒng)根節(jié)點后驗概率Tab.5 Posterior probability of the root node of the supercharging subsystem

同理，對其余子系統(tǒng)進行可靠性分析，結(jié)果見表6。將各系統(tǒng)采用第1 類功能操作符，按照串聯(lián)的方式結(jié)合，從而計算站場整體系統(tǒng)可靠性。其中：脫酸子系統(tǒng)、脫水子系統(tǒng)和排污子系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)不可用概率較大，三者均為“較高風(fēng)險”，這與高含硫介質(zhì)腐蝕性較強，吸收塔、重沸器、換熱器及閃蒸裝置的腐蝕嚴重有關(guān)；增壓子系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)不可用概率適中，該系統(tǒng)為“中風(fēng)險”，有兩路壓縮回路，只要其中任何一個回路工作，可保證不停工；放空子系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)不可用概率較小，該系統(tǒng)為“低風(fēng)險”，這與放空系統(tǒng)僅在計劃和緊急情況下使用有關(guān)，使用頻率相對較小。綜上所述，評價結(jié)果與現(xiàn)場實際工況相符。站場整體的故障率為1.27×10-2d-1，穩(wěn)態(tài)不可用概率為1.47×10-2，大于任何一個子系統(tǒng)的數(shù)值，系統(tǒng)風(fēng)險水平為“較高風(fēng)險”，說明耦合系統(tǒng)會加大風(fēng)險的構(gòu)成，促進風(fēng)險發(fā)展。

表6 站場系統(tǒng)可靠性分析Tab.6 Reliability analysis of station system

3 結(jié)論

（1）針對高含硫天然氣站場安全問題，采用RBI 標準，獲得了站內(nèi)壓力容器及管道不同損傷機理和損傷狀態(tài)下的損傷系數(shù)，進而確定了單體設(shè)備的失效概率。

（2）基于工藝流程圖，建立GO 圖模型，并將GO 圖向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)映射，得到了不同子系統(tǒng)及站場的風(fēng)險水平，與實際情況相符。

（3）子系統(tǒng)風(fēng)險水平與腐蝕情況、設(shè)備備用情況及設(shè)備使用頻率等有關(guān)，應(yīng)在經(jīng)濟和安全條件允許的情況下，對風(fēng)險水平較高的系統(tǒng)設(shè)置防護風(fēng)險減緩措施，保證站場安全平穩(wěn)運行。