基于網絡流與危險與可操作性分析的天然氣站場系統可靠性

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中心有限公司, 青島 266071)

天然氣站場在氣田地面系統中起著關鍵節點的作用,其主要任務是匯集上游來氣,通過節流調壓、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的設備和管道造成一定程度的腐蝕和損壞,一旦設備發生故障,不僅會造成生產中斷,還會造成燃燒爆炸事故,極易造成人員傷亡、環境污染等嚴重后果,因此,天然氣站場的安全穩定運行已成為氣田安全生產的重要環節,對天然氣站場系統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整時,不同偏差狀態下其可靠性明顯不同,高風險狀態下的站場運行狀態顯著影響站場的整體可靠性,因此對于高風險狀態下的站場系統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域更多的是在管道可靠性研究上,在站場系統可靠性方面的研究較少。邢尚鵬等[1]、廖柯熹等[2]總結了設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備與管道的可靠性,評估結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主要設備的可靠性參數。吳云冬[6]基于經典基于風險的檢驗(risk based inspection,RBI)理論和設備失效統計數據,建立了基于威布爾分布函數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絡系統的失效概率。王鶴男[7]采用動態故障樹(dynamic fault tree,DFT)法,將邏輯門轉化為馬爾可夫鏈,并采用威布爾分布函數對其進行改進,計算出成品油站場冗余單元的失效概率。根據以上調研情況可以看出,國內學者在關于站場系統可靠性的研究中,幾乎都是應用的經典RBI理論作為可靠性的分析基礎,站場拓撲結構也是采用串并聯的基礎分析方法,沒有將站場系統進行整體的網絡分析,也并沒有提出高風險狀態下的系統整體可靠性分析,因此亟須新的方法來進一步拓展天然氣站場系統可靠性分析領域。

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

1 研究方法

研究方法主要是網絡流理論與基于HAZOP分析的工藝參數偏差狀態下的站場系統可靠性分析。其中網絡流理論是站場系統可靠性分析的整體框架方法,最小路集分析是基于網絡流理論求解站場系統失效概率的方法,不交化算法是避免求解最小路集時出現“維數爆炸”問題的優化算法。基于HAZOP分析的工藝參數偏差狀態下的站場系統可靠性分析則是對于站場系統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 網絡流理論適用性分析

網絡流圖是一種能很好地反映網絡特性的模型,因為無論網絡結構多么復雜,其都能清晰地顯示組織結構和邏輯關系。根據流體流動方向,將網絡流圖分為無向圖和有向圖[8]。同時,將網絡流用于站場系統可靠性分析中的明顯優勢是站場系統的網絡流可靠性分析既可整體分析也可分單元分析,將整個系統可看作一個網絡,分析過程簡化。

在進行站場系統可靠性分析時,設備(含閥門)視為圖中的節點,管道表示為邊,所有的設備(含閥門)和管道構成的集合就表示了站場網絡中所有單元。為了分析研究站場系統的可靠性,根據設備(含閥門)和管道的失效概率來設置點與邊的權重,進而計算出整個站場系統的失效概率。

由網絡流理論可知,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的節點集;E={e1,e2,…,ei,…,en}為G上的節點連接關系,稱為G的邊集,邊集中的邊都能由點之間的關系來表示,即

ei=(vs,vt),ei∈E;vs,vt∈V

(2)

圖2中,其節點集和邊集的表示如下:

圖2 網絡流圖的一般形式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)}。

網絡流圖的一般表示形式如圖2所示。

在工程應用中,網絡流需對具體物理量進行具體分析。比如,站場中管道為邊,設備為節點,管道與設備都在客觀上存在一個失效概率,當計算系統的整體失效概率時,就要對節點和邊進行賦予特別的權重,即失效概率,從而分析拓撲結構計算網絡系統的整體可靠性[9]。確定權重的網絡流圖G被稱為賦權網絡流圖,其表達式為

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

(3)

式(3)中:V為網絡流圖G的點集,網絡節點為其元素;E為網絡G的邊集,邊為其元素;w為權重,在天然氣站場系統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點之間的弧集稱為兩個節點之間的路。從輸入節點到輸出節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,當網絡流圖中的所有弧都正常時,系統正常運行。因此,網絡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]。在天然氣站場系統可靠性分析中,輸入和輸出節點之間的最小路尤為重要。如果系統路徑通過同一節點或交叉點不超過兩次,則兩個節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。

設一個站場網絡G有m個節點,定義相應的m階矩陣C=[cij],稱C為網絡G的關聯矩陣。

(4)

布爾行列法,即寫出站場網絡G的關聯矩陣C,給定網絡的關聯矩陣C,構建一個與關聯矩陣C同維數的單位矩陣U與C相加,得到矩陣C+U。此時C+U矩陣維數是m×m,刪去矩陣中對應于輸出節點的行與對應于輸入節點的列元素,形成一個新的矩陣S,將S展開為布爾積的和,根據線性代數理論便可得到網絡流最小路集[11]。

網絡流可靠性是指網絡流在有限的條件內,通過節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絡故障的常用方法,主要用于分析系統網絡流的可靠性。采用最小路集方法對站場網絡流進行可靠性分析。由于站場系統網絡流較為復雜,為避免分析時出現“維數爆炸”問題,對最小路集做不交化處理。

綜上,應用網絡流理論進行站場系統可靠性分析的步驟如下。

步驟1明確站場系統工藝流程及拓撲結構劃分。

步驟2應用網絡流理論對站場系統拓撲結構進行簡化,即繪制站場系統網絡流圖。

步驟3通過分析網絡流圖,寫出網絡流圖的關聯矩陣,并求取系統網絡流圖的最小路集。

步驟4賦予網絡分支權重,權重指的是失效概率,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,分析站場系統的整體可靠性。

1.3 不交化算法

設一系統網絡G,系統網絡系統圖G{V,E},其中節點數|V|=m,分支數|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網絡系統圖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。

將基本性質擴展可得

(6)

(7)

依據式(6)和式(7)將系統可靠度的計算公式簡化,得到其不交和公式為

(8)

與式(8)比較發現,項數從2n-m+2降到n-m+2,同式(7)相比,項數從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,站場系統的可靠度計算步驟如下。

步驟1求得系統的最小路集Si=(i=1,2,…,W),求得網絡流系統的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求得系統網絡流可靠度RS如式(11)所示,其中P(x)為x的可靠度為

(11)

1.4 基于HAZOP分析的工藝參數偏差狀態

當站場系統進行工藝參數調整時,站內設備及管道的失效概率會發生變化,進而影響整個站場系統的可靠性。比如開采后期來液量增大,會使分離器負荷增大,相應地會產生排污系統負荷也增大等影響,導致設備及管道的腐蝕速率在一段時間內增大,從而影響站場設備乃至于整個站場系統的可靠性。通過站場系統的HAZOP分析,識別出風險水平處于“高風險”與“極端風險”風險狀態的工藝狀態,將其定義為工藝參數偏差狀態,如圖3所示,并通過假設狀態持續時間與腐蝕速率,得到該狀態下受影響的設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備與管道的失效概率,進而可以分析工藝參數偏差狀態與正常運行狀態下的站場可靠性之間的聯系與偏差。

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

2 網絡流整體法與分步法的適用性分析

對網絡流理論進行調研分類[13-15]可以得出,網絡流求解站場系統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分類,不需分析子系統之間的串并聯拓撲結構,而是統一分析整個站場系統,通過計算整個站場系統的最小路集,計算得出站場系統的整體可靠度。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,則稱這些弧構成的路集為最小路集。

分步法即對站場系統進行子系統分類,基于布爾行列法分別計算每個子系統的最小路集,最后根據各個子系統在站場系統中的拓撲結構關系及現場工藝要求分析整個站場系統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定要求的通路,則稱這些弧構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 基于網絡流整體法的正常工藝狀態站場系統可靠性分析

為了分析站場系統可靠性,需要繪制系統的網絡流圖。網絡流圖要在符合實際的基礎上進行簡化,經過簡化的系統結構必須能夠反映站場系統的結構特點。根據X站工藝流程圖,對X站系統網絡流圖的節點和分支依次編號,從井口采氣管線開始順序進行,直至出站管線,站場系統的實際工藝流程圖如圖4所示,網絡流圖如圖5所示,網絡流圖中邊與節點的含義如表1所示。X站系統的設備與管道正常工藝狀態下失效概率基礎數據如表2所示。

表1 X站系統網絡流圖節點與邊含義Table 1 The meaning of nodes and edges in network flow graph of station X system

表2 X站系統設備與管道正常工藝狀態下的失效概率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站的網絡流圖(整體法)Fig.5 Network flow diagram of station X(holistic approach)

根據X站系統網絡流圖可以寫出該系統的關聯矩陣C,構造單位矩陣U,該矩陣為與C同維數的單位矩陣,可得矩陣C+U;去掉矩陣C+U中對應于最終輸入節點的行與對應于最初輸出節點的列,形成新矩陣S,并構建矩陣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絡流最小路集如下。

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,并根據式(10),結合網絡流圖與計算所得設備及管道失效概率,可計算得到整個X站系統可靠度RS為

=Pe1Pe6Pe7Pe8Pe10Pe11Pe12Pe14Pe16Pe18PV1PV2×

PV3PV4PV5PV6PV8PV9PV10PV11PV12PV13PV15×

PV16+(1-Pe14)Pe1Pe4Pe6Pe7Pe8Pe10Pe11×

Pe12Pe15Pe16Pe18PV1PV2PV3PV4PV5PV6PV7PV8PV9×

PV10PV11PV12PV13PV15PV16

=0.942 272 991。

則X站系統的失效概率Pf為。

Pf=1-RS=1-0.948 715=5.129 5×10-2。

2.2 基于網絡流分步法的正常工藝狀態站場系統可靠性分析

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

圖6 X站系統網絡流圖(分步法)Fig.6 Network flow diagram of station X (step-by-step method)

根據圖6可知,將X站系統分為了5個子系統,即放空子系統、處理子系統、排污子系統、加藥子系統與收發球子系統,各子系統之間是串聯關系,子系統內部會存在串聯或者串并聯關系。因此對5個子系統根據工藝要求分別采用布爾行列法計算最小路集,最終按照各子系統串聯形式計算整個站場系統的失效概率。

2.2.1 廣義最小路集求解

根據圖6可知,放空子系統有3條邊與1個節點,且3條邊均為輸入邊,處于并聯狀態,根據狹義最小路集定義可知,放空子系統沒有最小路集,但根據現場工藝要求,現場正在投入使用的設備的放空管線必須是正常狀態,因此,放空子系統的三條邊與1個節點是否在整個系統的最小路集中,應按照其他子系統最小路集中所涉及設備是否有放空路徑所判斷。

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

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

以收發球子系統為例進行分析。根據圖7可知,該子系統是整體串聯,局部并聯的混聯系統。寫出該系統的網絡流關聯矩陣C;構造單位矩陣U,可得矩陣C+U;形成新矩陣S,并構建矩陣S的行列式|S|。

圖7 收發球子系統網絡流圖Fig.7 Network flow diagram of sending and receiving ball subsystem

通過MATLAB的det函數求解,得到收發球子系統網絡中的最小路集為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 系統失效概率求解

由于網絡流分步法基于廣義的最小路集,在求解放空子系統最小路集時,由于現場工藝要求的限制,最小路集受到其他子系統的約束,因此將放空子系統的邊與節點放到其他涉及放空管線的子系統中,進行整體最小路集的求解。

對去掉放空子系統之外的其他4個子系統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} 。

根據式(10),結合網絡流圖與計算所得設備及管道失效概率,可計算收發球子系統可靠度如下。

=0.993 254 46。

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

根據現場工藝要求,按照各子系統串聯形式計算整個站場系統的可靠度為

則X站系統的失效概率為

Pf=1-RS=1-0.950 131=5.454 36×10-2。

2.3 網絡流整體法與分步法適用性對比

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

圖8 網絡流整體法與網絡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

根據表2中站場系統網絡流最小路集對比可以發現,整體法最小路集有兩個,即S1與S2。S1與S2是站場系統中的最小路,其中去掉任意弧都不能構成完整通路,所包含的節點數與邊最大限度內減少,但其存在必要通路不在最小路集內的問題,如e2通路作為天然氣處理后的通路應在站場系統的最小路集內,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網絡流都不能完成相關功能,其所包含的節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場工藝要求與實際情況,因此選擇網絡流分步法用于后續系統的可靠性分析。

3 基于HAZOP分析的工藝參數偏差狀態下的站場系統可靠性分析

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

調研X站現場評價的HAZOP分析中偏離分析結果可以得出,X站的工藝參數偏差狀態有1個,編號為44207,具體狀態為處理子系統來液量過高導致的分離器或污水罐液位過高。此時,站場系統內工藝狀態主要會發生改變的設備如表3所示。

表3 工藝狀態主要會發生改變的設備與管道Table 3 Equipment and pipelines whose process state will mainly change

根據現場腐蝕監檢數據,假設該狀態下的設備腐蝕速率為歷史最大腐蝕速率,腐蝕時間假設為10 d,對于工藝狀態會發生改變的設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],而對于其他設備與管道的失效概率則沒有影響。根據該狀態下的剩余壁厚再次進行ANSYS-PDS模擬,對于井口來氣節點以及污水裝車節點,默認為可靠度為1,不再計算。將計算所得工藝參數偏差狀態下設備的失效概率與正常狀態下的失效概率計算對比,工藝參數偏差狀態下設備與管道的失效概率明顯增大,如表4所示。

表4 工藝參數偏差狀態下設備失效概率計算結果Table 4 Calculation results of equipment failure probability under the condition of process parameter deviation

基于網絡流分步法再次計算X站系統失效概率,計算步驟與2.2節相同。此時,站場系統的拓撲結構不發生改變,因此站場系統的廣義最小路集不發生改變,只是在系統失效概率計算中各節點與邊的失效概率發生改變。

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

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

X站系統的可靠度為

X站系統的失效概率為

Pf=1-RS=1-0.941 964=5.803 6×10-2。

4 結果與討論

根據X站基于網絡流法的正常工藝狀態與工藝參數偏差狀態的站場可靠性分析,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站的實際生產運行具有一定的指導參考意義。

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

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

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

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

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

原因3排污子系統的失效概率數量級比收發球子系統的失效概率數量級大10倍,這是由于排污子系統長期處于較惡劣的腐蝕環境中,其中的設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過程中,應重點關注排污子系統的腐蝕狀況,將其控制在合理安全的范圍之內;而收發球子系統涉及的設備與管道失效概率均為較低水平,因此該子系統失效概率最小。

5 結論

(1) 提出采用跨領域的網絡流理論來分析天然氣站場系統的整體可靠性,并對網絡流理論做了歸納創新,提出了網絡流分步法與網絡流整體法的概念,方法可直接分析系統整體,比傳統圖論方法更簡潔、更直觀。其中,網絡流分步法比網絡流整體法分析站場系統的可靠性適應性更強,網絡流分步法不存在必要通路不在最小路集內的問題,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在正常工藝狀態下的失效概率,正常工藝狀態下X站系統失效概率為4.986 9×10-2,經溯源分析,X站系統在正常工藝狀態下建議重點關注各子系統的排序為:加藥子系統>處理子系統+放空子系統的{e5,V8}>排污子系統>收發球子系統+放空子系統的{e8,e9}。

(3) 創新性地提出基于HAZOP分析確定站場系統在工藝參數偏差狀態下的失效概率,分析偏差狀態對于站場系統可靠性的影響。工藝參數偏差狀態下該站的站場系統失效概率為5.803 6×10-2,較正常工藝狀態增大16.38%,兩種狀態下各子系統的失效概率數量級沒有改變,大小排序也沒有改變,因此工藝參數偏差狀態下建議重點關注的各子系統排序不變,由于此時排污子系統失效概率較大,應重點關注排污子系統的腐蝕狀況,將其控制在合理安全的范圍之內,對于其他子系統中的設備進行重點關注的調整。這對實現天然氣站場整體系統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。