周 呈

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津300452)

在傳統(tǒng)海洋油氣田開(kāi)發(fā)工藝設(shè)計(jì)中，通常采用HYSYS穩(wěn)態(tài)模擬進(jìn)行油氣集輸流程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。由于缺乏時(shí)間、空間、物質(zhì)滯留[1]以及控制系統(tǒng)等參數(shù)，穩(wěn)態(tài)模擬不能真實(shí)反應(yīng)流程在諸如啟動(dòng)、關(guān)斷和事故泄放等緊急工況下的參數(shù)變化，成為制約油氣集輸工藝設(shè)計(jì)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。在工藝安全和設(shè)計(jì)成本兩大因素的推動(dòng)下，動(dòng)態(tài)模擬在油氣集輸工藝設(shè)計(jì)中得到越來(lái)越多的重視、研究和應(yīng)用。

HYSYS動(dòng)態(tài)模擬將穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)與控制理論、動(dòng)態(tài)化工、熱力學(xué)模型、物質(zhì)滯留模型和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)求解常微分方程組來(lái)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，進(jìn)而反應(yīng)系統(tǒng)控制過(guò)程、啟動(dòng)過(guò)程、平穩(wěn)運(yùn)行、關(guān)斷和事故泄放等各種工況下的參數(shù)變化[2]，為工藝設(shè)計(jì)、流程評(píng)估和方案優(yōu)化提供理論依據(jù)。

南海某高壓氣田開(kāi)發(fā)工程新建一座中心平臺(tái)和一座井口平臺(tái)，兩個(gè)平臺(tái)屬于同一地質(zhì)油藏，地層壓力較高，關(guān)井壓力達(dá)到 47.8MPaG，井口平臺(tái)流體通過(guò)海管輸送至中心平臺(tái)處理。本文以該高壓氣田工程設(shè)計(jì)為例，利用HYSYS動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)對(duì)工藝關(guān)斷過(guò)程、堵塞工況平臺(tái)泄放能力、正常泄放低溫和燃料氣用戶加卸載等過(guò)程進(jìn)行研究，結(jié)合動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，完善工藝設(shè)計(jì)的安全保護(hù)措施，降低了工程投資。

1 模擬關(guān)閥過(guò)程壓力變化，復(fù)核設(shè)備兩級(jí)保護(hù)的可靠性

該高壓氣田的地層壓力較高，關(guān)井壓力達(dá)到47.8MPaG，井口流體經(jīng)油嘴節(jié)流降壓后(壓力降至7.8MPaG)由管匯收集后進(jìn)入生產(chǎn)分離器進(jìn)行處理，從井口至管匯采用全壓設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)壓力 47.8MPaG)，管匯出口(SDV下游)至分離器采用降壓設(shè)計(jì)，流程見(jiàn)圖1。

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

按照常規(guī)設(shè)計(jì)，分離器的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)在其操作壓力的基礎(chǔ)上考慮 10%的余量，即為 8.65MPaG。根據(jù)規(guī)范，分離器上需設(shè)置堵塞工況安全閥，與入口關(guān)斷閥組構(gòu)成兩級(jí)工藝系統(tǒng)安全保護(hù)[3]，在超壓事故工況下，一級(jí)保護(hù)由入口關(guān)斷閥實(shí)現(xiàn)，若關(guān)斷閥出于某種原因(如閥門(mén)本身故障或控制系統(tǒng)失靈等)，安全閥啟跳實(shí)現(xiàn)二級(jí)安全保護(hù)，關(guān)斷閥和安全閥組成獨(dú)立的兩級(jí)保護(hù)。

在上述常規(guī)設(shè)計(jì)中并未考慮關(guān)斷閥在關(guān)閉過(guò)程中井口流體對(duì)下游分離器等設(shè)備的超壓影響。由于關(guān)斷閥關(guān)閉不是瞬間完成，在實(shí)際關(guān)閥過(guò)程中，井口流體繼續(xù)對(duì)分離器進(jìn)行沖壓，如果該過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)、井口來(lái)流產(chǎn)量較大或分離器緩沖容積較小，分離器內(nèi)的操作壓力就極有可能在關(guān)閥期間達(dá)到安全閥設(shè)定值，造成安全閥啟跳。如果該工況發(fā)生，關(guān)斷閥和安全閥將無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩級(jí)獨(dú)立的安全保護(hù)，則上述設(shè)計(jì)就存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

在該高壓氣田設(shè)計(jì)中，采用HYSYS動(dòng)態(tài)模擬對(duì)上述關(guān)閥過(guò)程進(jìn)行了分析研究。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的條件下，關(guān)斷閥在關(guān)斷過(guò)程中PSV已經(jīng)開(kāi)始啟跳，從圖2中看出，在關(guān)閥8s內(nèi)容器內(nèi)壓力已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力。

圖2 關(guān)閥過(guò)程中下游分離器的沖壓狀態(tài)Fig.2 Stamping state of downstream separator during valve closing

如果壓力安全閥出現(xiàn)故障，即便在關(guān)斷閥可靠的情況下，正常關(guān)斷過(guò)程中分離器已經(jīng)存在超壓破裂的風(fēng)險(xiǎn)，這樣的設(shè)計(jì)是不滿足規(guī)范要求的。為保證關(guān)斷閥和安全閥兩級(jí)保護(hù)的獨(dú)立性，利用動(dòng)態(tài)模擬從設(shè)計(jì)壓力、關(guān)閥時(shí)間及下游緩沖容積3個(gè)方面分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各模擬工況下安全閥保護(hù)的有效性計(jì)算結(jié)果Tab.1 Protection validity calculation results of safety valve under various simulated conditions

從表中看出，可以通過(guò)以下3個(gè)途徑完善超壓保護(hù)設(shè)計(jì)：①縮短關(guān)斷閥關(guān)斷時(shí)間至5s；②增大分離器緩沖容積至 65m3；③提高分離器設(shè)計(jì)壓力至9.2MPaG。通過(guò)綜合考慮認(rèn)為，本項(xiàng)目將分離器設(shè)計(jì)壓力提高至9.2MPaG，滿足了規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)了分離器的兩級(jí)超壓保護(hù)。

2 降低井口平臺(tái)堵塞泄放量，優(yōu)化火炬臂長(zhǎng)度

在常規(guī)設(shè)計(jì)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(chǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。但在實(shí)際生產(chǎn)中，若分離器操作壓力達(dá)到安全閥設(shè)定點(diǎn)，也就代表油嘴下游壓力比正常生產(chǎn)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(guò)油嘴的井口流體流量亦減小，那么需要通過(guò)安全閥的泄放流體流量就相應(yīng)減小。

以本氣田井口平臺(tái)設(shè)計(jì)為例，油嘴上游關(guān)井壓力為 47.8MPaG，生產(chǎn)管匯至海管處平臺(tái)上部管線設(shè)計(jì)壓力為 35.4MPaG。在全平臺(tái)堵塞泄放時(shí)，按照常規(guī)設(shè)計(jì)，全平臺(tái)產(chǎn)量(1.4×106Sm3/d)作為火炬系統(tǒng)總的泄放能力。在正常操作工況時(shí)下游系統(tǒng)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(tái)需要的堵塞泄放量也相應(yīng)減小。經(jīng)動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，在緊急事故工況下，需要經(jīng)安全閥泄放的全平臺(tái)堵塞量為1.1×106Sm3/d，遠(yuǎn)小于全平臺(tái)產(chǎn)量。表2列出了不同泄放量下需要的放空臂長(zhǎng)度，從表中看出，采用動(dòng)態(tài)模擬后，因泄放量降低，火炬臂長(zhǎng)度有效降低，從而直接降低了井口平臺(tái)的投資。

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

3 復(fù)核安全閥泄放量，優(yōu)化安全閥尺寸

工藝設(shè)備火災(zāi)工況安全閥的泄放量一般通過(guò)理論計(jì)算公式獲得，根據(jù)規(guī)范，受火設(shè)備考慮 21%超壓下安全閥需要的最大流通能力[4]。但在真實(shí)場(chǎng)景中，彈簧式安全閥在設(shè)定點(diǎn) 90%時(shí)已經(jīng)開(kāi)始泄露，在設(shè)定點(diǎn) 100%時(shí)已經(jīng)達(dá)到 100%的開(kāi)度，故安全閥一般不會(huì)達(dá)到超壓 21%的狀態(tài)，其真實(shí)泄放量也低于基于 21%超壓下的理論計(jì)算值。以本氣田 3個(gè)設(shè)備的火災(zāi)工況安全閥為例，動(dòng)態(tài)模擬出的泄放量見(jiàn)表3，從表中可看出其真實(shí)泄放量低于理論計(jì)算需要的泄放量，這為安全閥尺寸選擇和優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的模擬依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了降本增效。

表3 火災(zāi)工況下安全閥理論計(jì)算需要量與動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算量對(duì)比Tab.3 Comparison of theoretical calculation requirements and dynamic simulation calculations of safety valves under fire conditions

在常規(guī)設(shè)計(jì)中安全閥孔徑均為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通常根據(jù)計(jì)算的需要泄放量來(lái)選擇孔徑。由于時(shí)常遇到計(jì)算的孔徑比標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)小的孔徑大了一點(diǎn)，而比標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)大的孔徑小了很多，往往出于保守考慮選擇較大的標(biāo)準(zhǔn)孔板。在上述工況下，可采用動(dòng)態(tài)模擬校核較小的孔板的適應(yīng)性。

4 模擬冷態(tài)泄放，合理確定設(shè)備低溫

該氣田烴露點(diǎn)控制流程中的低溫分離器操作溫度為-3℃，若采用常規(guī)HYSYS靜態(tài)模擬方法進(jìn)行冷態(tài)泄放計(jì)算，整個(gè)烴露點(diǎn)系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備和管線需要等效為一個(gè)容器進(jìn)行計(jì)算，泄放過(guò)程中系統(tǒng)出現(xiàn)的最低溫度為-40℃。常規(guī)設(shè)計(jì)下，該系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)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(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。

但該計(jì)算方法偏于保守，其原因在于：系統(tǒng)內(nèi)容器、換熱器和管線幾何形態(tài)和尺寸不同，在泄放過(guò)程中流體在相應(yīng)設(shè)備內(nèi)吸收熱量的速率也不同，故各設(shè)備在泄放過(guò)程中出現(xiàn)的最低溫度就會(huì)不一樣。

針對(duì)本氣田烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)，依據(jù)實(shí)際流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算(相關(guān)設(shè)備和管線不再等效為一個(gè)容器)，見(jiàn)圖3。

圖3 烴露點(diǎn)系統(tǒng)泄壓流程圖Fig.3 Pressure relief flow chart of hydrocarbon dew point system

動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算結(jié)果顯示，僅有低溫分離器最低溫度達(dá)到-40℃，進(jìn)出口氣相管線和換熱器出現(xiàn)的最低溫度為-25℃，液相出口管線的最低溫度為-17℃。與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，提高了氣相進(jìn)出口管線、進(jìn)出口換熱器和液相出口管線的設(shè)計(jì)低溫，降低了相關(guān)設(shè)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(guò)程，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該氣田燃料氣用戶為燃?xì)馔钙健⒌蛪好芊鈿夂突鹁娲祾邭?。按照常?guī)設(shè)計(jì)，燃料氣緩沖罐容積按照燃?xì)馔钙角袚Q期間燃?xì)庑枨罅看_定。但下游用戶用氣量的變化將影響系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性，甚至造成整個(gè)燃?xì)庀到y(tǒng)的關(guān)停。這是海洋平臺(tái)投產(chǎn)后經(jīng)常反饋的一個(gè)問(wèn)題，也是設(shè)計(jì)階段經(jīng)常遇到的棘手問(wèn)題之一。

通過(guò)對(duì)下游最大用戶(考慮一個(gè)燃?xì)馔钙?的突然加載和卸載過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，分析了燃料氣緩沖罐壓力的變化過(guò)程，表4即為不同工況下燃?xì)饩彌_罐壓力的變化結(jié)果。

從表中可看出，在燃?xì)饩彌_罐入口壓力調(diào)節(jié)閥控制器積分時(shí)間Tc為0.5min前提下，下游用戶加載或卸載過(guò)程均不會(huì)引起系統(tǒng)關(guān)停，在積分時(shí)間為 1min前提下，用戶加載將會(huì)引起透平主機(jī)的切換，用戶卸載將引起整個(gè)燃?xì)庀到y(tǒng)的關(guān)停。故通過(guò)上述模擬結(jié)果進(jìn)行完善燃料氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用于保證系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性，可采取的措施有：提高入口調(diào)節(jié)閥 PID過(guò)程控制的靈敏度，縮短調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)時(shí)間；適當(dāng)增大燃?xì)饩彌_罐的容積。

表4 不同工況下燃?xì)饩彌_罐壓力波動(dòng)計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of pressure fluctuation of gas buffer vessel under different working conditions

6 結(jié) 論

該高壓氣田通過(guò)采用HYSYS動(dòng)態(tài)模擬，提高了生產(chǎn)分離器兩級(jí)超壓保護(hù)的可靠性，降低了井口平臺(tái)火炬系統(tǒng)泄放能力，減小了安全閥泄放量，降低了烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的低溫選材等級(jí)，優(yōu)化了燃料氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

由于能夠直觀地分析工藝啟動(dòng)和關(guān)斷、超壓泄放、正常泄壓和系統(tǒng)調(diào)試等工藝過(guò)程，突破了工藝常規(guī)設(shè)計(jì)中的技術(shù)瓶頸，對(duì)評(píng)估工藝方案、完善工藝保護(hù)和優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。這表明，HYSYS動(dòng)態(tài)模擬將在油氣集輸處理工藝設(shè)計(jì)，尤其是深海油氣田的開(kāi)發(fā)工藝設(shè)計(jì)中得到越來(lái)越多的重視和應(yīng)用。