楊錦林，王 旭，趙 凱，鄧遠(yuǎn)平，羅廣祥

(中國石化西南油氣分公司采氣一廠，四川德陽 618000)

1 現(xiàn)狀

含硫化氫天然氣泄漏擴(kuò)散至大氣環(huán)境，在大氣環(huán)境中硫化氫含量達(dá)到300 μmol/mol會立即威脅生命和健康。因此SY 6780－2010《高含硫化氫氣田集輸管道安全規(guī)程》規(guī)定，H2S平均含量為13% ～15%(體積分?jǐn)?shù))的天然氣埋地集輸管道的搬遷距離宜不小于管道兩側(cè)個(gè)各40 m，應(yīng)急撤離距離宜不小于管道兩側(cè)各1 500 m;天然氣裸露集輸管道的搬遷距離宜不小于管道兩側(cè)各200 m，應(yīng)急撤離距離宜不小于管道兩側(cè)各1 500 m。

常規(guī)管道系統(tǒng)安全措施包括距離防護(hù)滿足GB50183及相關(guān)規(guī)范要求以外，最主要的是設(shè)置采氣、集氣管道安全截?cái)嘞到y(tǒng)，確保線路爆破情況下能快速關(guān)閉鄰近的兩個(gè)閥室。包括安全截?cái)嘌b置、安全泄放裝置、安全報(bào)警裝置;新建集氣干線埋設(shè)警示帶，沿線設(shè)置里程樁、轉(zhuǎn)角樁、警示牌等措施。但沒有泄漏后阻止擴(kuò)散的安全措施。本文提出一種含硫化氫天然氣泄漏，但不擴(kuò)散到大氣環(huán)境的控制技術(shù)。

2 泄漏控制新技術(shù)

2.1 控制技術(shù)管道結(jié)構(gòu)原理

泄漏控制是通過改變管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分析預(yù)警并配合連鎖關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)的，管道模型如圖1所示，管道系統(tǒng)由酸氣管道、保護(hù)套管、緊急關(guān)斷閥、封隔器、傳感器、扶正器等組成。將具有上述結(jié)構(gòu)的管道系統(tǒng)稱之為CPP管道(Casing Protection Pipeline)，其中酸氣管道稱之為內(nèi)管，保護(hù)套管稱之為外管。外管既起到保護(hù)酸氣管道的作用，也起到阻止硫化氫氣體向大氣擴(kuò)散作用。

圖1 CPP模型原理

2.2 泄漏預(yù)警分析

泄漏預(yù)警分析包括預(yù)警理論與實(shí)現(xiàn)方法。為便于計(jì)算，本文在環(huán)形空間充注氮?dú)獾膲毫θ?.5 MPa。

2.2.1 內(nèi)管泄漏預(yù)警理論

假設(shè)管道建成后在環(huán)形空間注入氮?dú)夂蟮臓顟B(tài)為初始狀態(tài)，用P0、T0表示。此后環(huán)空壓力隨溫度變化的狀態(tài)為P1、T1，監(jiān)視到的壓力為P。

根據(jù)天然氣狀態(tài)方程[1]PV=ZnRT，其中V即為環(huán)形空間的體積，針對特定管道，V為固定不變的數(shù)值，ZnR也近似為一個(gè)常數(shù)。狀態(tài)方程可以表述為公式(1)。

利用公式(1)可以計(jì)算正常狀態(tài)下，溫度變化后環(huán)空壓力P1，如公式(2)。

如果發(fā)生酸氣管道泄漏，物質(zhì)的量n會顯著增大導(dǎo)致環(huán)空壓力P遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過P1，監(jiān)控中心監(jiān)視到的壓力會超過P1，即P＞P1。P1即是判斷酸氣管道泄漏的閾值。取四川地區(qū)全年最高環(huán)境溫度40℃作為環(huán)空氮?dú)馐苡绊懙淖罡邷囟?，可以?jì)算出內(nèi)管泄漏的閾值為0.57 MPa。

2.2.2 外管泄漏預(yù)警理論

外管泄漏理論與酸氣泄漏的理論完全一致，由于環(huán)空泄漏，環(huán)空中物質(zhì)的量n會顯著減小，環(huán)空壓力會顯著低于0.5 MPa。取四川地區(qū)全年最低環(huán)境溫度0℃作為環(huán)空氮?dú)馐苡绊懙淖畹蜏囟?，可以?jì)算出外管泄漏的閾值為0.5 MPa。

2.2.3 泄漏預(yù)警方法

內(nèi)管泄漏預(yù)警可以有3種方法。①閾值法，通過理論計(jì)算的閾值進(jìn)行判斷，當(dāng)監(jiān)視到某管段壓力大于預(yù)警閾值，發(fā)出預(yù)警;②歷史曲線法，監(jiān)視壓力歷史曲線，將某一點(diǎn)數(shù)小時(shí)或者數(shù)日壓力數(shù)據(jù)繪制成曲線，呈持續(xù)、異常上升的壓力點(diǎn)可以判斷為內(nèi)管泄漏，發(fā)出預(yù)警;③空間曲線法，將多個(gè)管段同一時(shí)刻壓力繪制成沿管道走向的壓力曲線，壓力異常升高的點(diǎn)可以判斷為內(nèi)管泄漏，發(fā)出預(yù)警。

外管泄漏預(yù)警同樣有3種方法。①當(dāng)監(jiān)視到某管段壓力低于預(yù)警閾值，發(fā)出預(yù)警;②監(jiān)視壓力歷史曲線，將某一點(diǎn)壓力呈持續(xù)、異常下降的壓力點(diǎn)可以判斷為外管泄漏，發(fā)出預(yù)警;③空間曲線法，壓力異常下降的點(diǎn)可以判斷為外管泄漏，發(fā)出預(yù)警。

2.3 泄漏控制

泄漏控制包括觸發(fā)ESDV1、ESDV2閥關(guān)斷動作，計(jì)算關(guān)斷時(shí)泄漏到環(huán)形空間的硫化氫總量。

2.3.1 連鎖關(guān)斷控制技術(shù)

在管道兩端分別設(shè)置緊急截?cái)嚅yESDV1、ESDV2(圖1)，取各個(gè)管段監(jiān)視壓力的最大值MaxP=max{P1、P2…Pn}作為內(nèi)管泄漏連鎖緊急截?cái)嚅y觸發(fā)信號。如果MaxP到達(dá)連鎖截?cái)嗟挠|發(fā)條件，觸發(fā)緊急截?cái)嚅yESDV1、ESDV2關(guān)閉氣源。按照文中的計(jì)算，內(nèi)管泄漏觸發(fā)條件MaxP大于0.57即可，為防止儀器儀表誤差引發(fā)錯誤觸發(fā)關(guān)斷，本文計(jì)算中觸發(fā)條件為MaxP=1.0 MPa。

取各個(gè)管段監(jiān)視壓力的最小值MinP=min{P1、P2…Pn}作為外管泄漏連鎖緊急截?cái)嚅y觸發(fā)信號，如果MinP到達(dá)連鎖關(guān)斷的觸發(fā)條件，觸發(fā)緊急截?cái)嚅y關(guān)閉氣源。外管泄漏觸發(fā)條件可以設(shè)置為MinP=0.3 MPa。

同樣，采用歷史曲線法和空間曲線法，根據(jù)監(jiān)視情況，可以在監(jiān)控中心人工觸發(fā)緊急截?cái)嚅y。

2.3.2 連鎖時(shí)間與泄漏量控制

由于各段環(huán)形空間體積非常有限，酸氣泄漏時(shí)環(huán)形空間壓力上升會非常快，并且壓力升高的數(shù)值與n呈正相關(guān)關(guān)系，采用前述觸發(fā)條件，連鎖關(guān)斷動作時(shí)酸氣泄漏量與時(shí)間可以采用公式(3)與公式(4)計(jì)算。

式中:Q酸——酸氣泄漏量，m3;

P關(guān)——觸發(fā)關(guān)斷壓力閾值，MPa，取值1.0;

V——CPP管道環(huán)形空間體積，m3;

P標(biāo)——標(biāo)況壓力，MPa，取值0.101;

Q氮——CPP管道環(huán)形空間充裝的氮?dú)怏w積，m3;

t——泄漏開始到觸發(fā)關(guān)斷所經(jīng)歷時(shí)間，min;

q——酸氣泄漏速度，m3/min。

由觸發(fā)連鎖關(guān)斷時(shí)泄漏酸性氣體量Q酸以及氣質(zhì)組分硫化氫含量C(體積濃度)，可以計(jì)算泄漏的硫化氫總量，如公式(5)。

式中:QH2S——硫化氫泄漏量，m3;

C——天然氣中 H2S百分含量，本文取13%。

利用公式(3)～(5)可以計(jì)算觸發(fā)連鎖關(guān)斷時(shí)泄漏的含H2S天然氣總量、連鎖關(guān)斷所需時(shí)間、關(guān)斷時(shí)泄漏的硫化氫總量。

以1 000 m CPP管道為例(表1)，假設(shè)建設(shè)DN200的內(nèi)管，采用DN300的保護(hù)套管，內(nèi)管與保護(hù)套管環(huán)形空間充裝0℃，0.5 MPa氮?dú)狻Ｈ∽罡攮h(huán)境溫度40℃，用公式(2)計(jì)算酸氣泄漏預(yù)警閾值為0.57 MPa，預(yù)設(shè)觸發(fā)條件為環(huán)空壓力達(dá)到1.0 MPa，利用公式(3)～(5)計(jì)算酸氣泄漏量、連鎖關(guān)斷觸發(fā)時(shí)間、關(guān)斷時(shí)硫化氫泄漏總量。

表1 1000mDN200CPP管道泄漏控制計(jì)算數(shù)據(jù)

從各種泄漏速度情況下的連鎖關(guān)斷時(shí)間可以看出(表2)，即使酸氣管道發(fā)生泄漏的速度很小，也能夠觸發(fā)連鎖關(guān)斷。而大量泄漏情況表明，普通管道泄漏，在泄漏量較小時(shí)，基本不具備連鎖關(guān)斷的能力，發(fā)現(xiàn)泄漏完全依靠人工巡查，時(shí)間可能長達(dá)數(shù)天甚至數(shù)十天。

表2 CPP管道泄漏連鎖關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間與泄漏情況計(jì)算數(shù)據(jù)

從結(jié)構(gòu)原理可知，如果其他條件不變，密封管段長度500 m，預(yù)警與觸發(fā)連鎖關(guān)斷時(shí)的泄漏量會下降50%，時(shí)間會縮短50%，并且可以類推。連鎖關(guān)斷觸發(fā)閾值越低，泄漏到環(huán)空的酸氣總量越小，觸發(fā)關(guān)斷時(shí)間越短。

2.4 泄漏處置

內(nèi)管泄漏后，通過環(huán)空監(jiān)視并采取超壓連鎖關(guān)斷ESDV閥，關(guān)斷氣源。對泄漏的內(nèi)管，通過最近安全泄放系統(tǒng)放空，氮?dú)庵脫Q后處置。內(nèi)管降壓后，對泄漏到環(huán)空的含H2S的天然氣，通過取壓點(diǎn)引至堿液罐進(jìn)行中和處理，降低整個(gè)管段環(huán)空壓力至大氣壓，再用氮?dú)庵脫Q后與內(nèi)管同步補(bǔ)漏或者更換即可。整個(gè)處置過程，正常情況下不會向大氣環(huán)境釋放出硫化氫。

2.5 泄漏點(diǎn)定位

除了泄漏擴(kuò)散范圍控制、管道保護(hù)以外，CPP管道還能定位泄漏點(diǎn)。如果酸氣管道泄漏，泄漏點(diǎn)所在的密封管段環(huán)空壓力會快速上升，超過其他管段并且超過溫度變化引起的壓力上限，根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象確定泄漏管段。在CPP模型示意圖中，密封的管段長度可以根據(jù)泄漏定位的精度要求確定。在管道建設(shè)時(shí)將一條管道根據(jù)工程定位精度需要，按照50～500 m的間隔設(shè)置監(jiān)測管段，可以快速定位，定位的精度就是管段的長度。通過監(jiān)視各管段環(huán)空壓力快速下降可以判斷套管泄漏及其位置。

2.6 泄漏擴(kuò)散濃度與搬遷距離

在泄漏處置過程中，如果出現(xiàn)失誤如堿液準(zhǔn)備不足、操作失誤可能引起含硫化氫天然氣釋放到大氣，但釋放的總量不高(表2)，擴(kuò)散范圍有限。通過建立虛擬空間均勻擴(kuò)散模型，可以計(jì)算擴(kuò)散邊界的濃度及管道兩側(cè)搬遷距離。

虛擬空間均勻擴(kuò)散模型，是指以泄漏點(diǎn)為中心，虛擬出方形、圓柱形、半球形、橢球形4種空間，假設(shè)泄漏的氣體均勻充滿這個(gè)虛擬空間，計(jì)算氣體平均濃度，作為空間邊界的濃度。由于泄漏擴(kuò)散濃度遞減效應(yīng)，計(jì)算的平均濃度其實(shí)是邊界上氣體濃度上限，根據(jù)這個(gè)濃度上限確定安全防護(hù)距離，是一種有效的距離防護(hù)。

2.6.1 方形虛擬空間擴(kuò)散濃度

假設(shè)硫化氫均勻擴(kuò)散到圖2所示虛擬空間，分析計(jì)算各種距離邊界可能的H2S濃度上限。該濃度即為泄漏氣體標(biāo)況下的體積總量所占空間的比例，計(jì)算公式如式(6)。

圖2 方形虛擬空間均勻擴(kuò)散示意

式中:Cmax——L距離邊界處氣體濃度上限，μmol/mol;

Q——泄漏到大氣中氣體總量，m3;

L——泄漏點(diǎn)管道兩側(cè)距離，m;

H——泄漏擴(kuò)散高度，m。

2.6.2 圓柱形虛擬空間擴(kuò)散濃度

假設(shè)泄漏氣體擴(kuò)散如圖3所示呈園柱狀，則邊界處濃度上限Cmax可用公式(7)計(jì)算。

圖3 圓柱形虛擬空間均勻擴(kuò)散示意

2.6.3 半球形虛擬空間擴(kuò)散濃度

假設(shè)泄漏氣體擴(kuò)散如圖4所示呈半球狀，則邊界處濃度上限Cmax可用公式(8)計(jì)算。

圖4 半球形虛擬空間擴(kuò)散模型示意

2.6.4 橢球形虛擬空間均勻擴(kuò)散濃度

假設(shè)泄漏氣體擴(kuò)散如圖5所示呈橢球狀，短軸方向垂直于地平面，長軸方向平行于地平面，呈圓形狀擴(kuò)散，則邊界處濃度上限Cmax可用公式(9)計(jì)算。

圖5 橢球形虛擬空間擴(kuò)散模型示意

式中:L——橢球體長軸半徑，m;

H——橢球體短軸半徑，m。

從公式(6)～(9)可以看出，如果知道泄漏氣體的總量，就可以計(jì)算泄漏點(diǎn)附近各個(gè)距離點(diǎn)的最大氣體濃度。CPP管道集輸技術(shù)就是可以控制泄漏總量的一種管道集輸技術(shù)。

2.6.5 擴(kuò)散濃度與搬遷距離

公式(6)～(9)表明，泄漏的總量越小，空氣中硫化氫濃度越低;應(yīng)用上述4種均勻擴(kuò)散模型與環(huán)空管段長度、連鎖管段閾值、原料氣硫化氫含量、擴(kuò)散高度等變量，計(jì)算各種情況下管道兩側(cè)L距離處硫化氫濃度。

根據(jù)計(jì)算，在管道兩側(cè)相同距離處，其他條件相同時(shí)，采用橢球形虛擬空間均勻擴(kuò)散模型計(jì)算的硫化氫濃度最高，方形虛擬空間均勻擴(kuò)散模型計(jì)算的硫化氫濃度最低，見表3。從提高安全性的角度出發(fā)，安全防護(hù)距離宜選擇橢球形虛擬空間均勻擴(kuò)散模型。

表3 橢球形虛擬空間H2S均勻擴(kuò)散濃度計(jì)算 μmol/mol

CPP管道兩側(cè)的搬遷距離，仍然按照SY 6780－2010搬遷距離的規(guī)定，即含硫化氫天然氣發(fā)生泄漏時(shí)，空氣中硫化氫濃度可能達(dá)到1 000 μmol/mol的距離作為搬遷距離推薦依據(jù)。根據(jù)表3，可以得到各種情況下CPP管道搬遷距離對照表(表4)。結(jié)合對泄漏點(diǎn)定位需求，管道環(huán)空分段距離不宜大于200 m，推薦環(huán)空分隔管段長度100 m，觸發(fā)超壓連鎖關(guān)斷閾值1.0 MPa，管道兩側(cè)搬遷距離推薦25 m。天然氣中硫化氫含量小于9%時(shí)，推薦管道兩側(cè)搬遷距離20 m。

表4 CPP管道安全防護(hù)搬遷距離 m

3 泄漏控制實(shí)驗(yàn)

3.1 普通管道泄漏控制實(shí)驗(yàn)

西南油氣分公司在SF31建設(shè)500 m實(shí)驗(yàn)管道，開展天然氣泄漏連鎖關(guān)斷實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)井生產(chǎn)為0.6×104m3/d，下游管網(wǎng)輸氣量為6×104m3/d。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在與輸氣管網(wǎng)連通條件下，測試(0.1～1)×104m3/d泄漏速度，在泄漏點(diǎn)附近壓力基本無變化(表5)。說明在上下游氣源不斷補(bǔ)給的條件下，管道腐蝕穿孔的泄漏強(qiáng)度通常較小，管線壓力幾乎沒有變化，不會觸發(fā)緊急關(guān)斷閥的動作。只有在模擬爆管情況下(沒有下游氣源補(bǔ)充)，當(dāng)泄漏量達(dá)到氣井產(chǎn)量1.34倍時(shí)，才會觸發(fā)井口緊急關(guān)斷閥動作(表6)。

表5 正常輸氣條件下泄漏點(diǎn)上游壓降

表6 模擬爆管泄漏條件下緊急切斷閥關(guān)斷動作實(shí)驗(yàn)

3.2 CPP管道泄漏控制實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證管道建設(shè)的可行性以及泄漏安全連鎖可靠性，在CX93井站建設(shè)了一條長約20 m設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa的實(shí)驗(yàn)管道。在60 min時(shí)間內(nèi)完成了0.3 MPa 失壓，1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa 超壓自動連鎖關(guān)斷。實(shí)驗(yàn)表明，在很短的時(shí)間內(nèi)就能監(jiān)視到壓力異常上升，并實(shí)現(xiàn)自動關(guān)斷。內(nèi)管泄漏連鎖關(guān)斷過程沒有天然氣釋放到大氣環(huán)境。

4 管道施工技術(shù)

CPP管道與夾套管相似，與夾套管相比，增加了環(huán)空壓力監(jiān)視、連鎖控制、環(huán)空分段密封，但是管路上的閥門沒有采用普通夾套閥的必要，管道建設(shè)施工方法可以參照夾套管施工方法[2－5](圖8)。

5 結(jié)論

a)CPP酸氣管道集輸技術(shù)集遠(yuǎn)程壓力監(jiān)視、泄漏預(yù)警、泄漏擴(kuò)散控制、泄漏定位、管道與環(huán)境保護(hù)、連鎖關(guān)斷于一體的技術(shù)，具有限制危險(xiǎn)源能量、隔離、安全冗余、防失誤設(shè)計(jì)理念，是一種具有本質(zhì)安全的酸氣管道集輸技術(shù)。

b)實(shí)驗(yàn)表明，CPP管道可以有效實(shí)現(xiàn)天然氣泄漏后快速預(yù)警、關(guān)斷等響應(yīng)，泄漏過程無天然氣釋放到大氣，與常規(guī)管道泄漏控制相比，具有顯著的優(yōu)越性。

圖8 CPP管道施工技術(shù)方案流程