吳國霈 計維安 伍坤一 林宇 蔣巍

中國石油西南油氣田公司天然氣研究院

隨著國家對能源行業(yè)提出的低碳戰(zhàn)略、“互聯(lián)網(wǎng)+”、質(zhì)量效益開發(fā)和安全環(huán)保生產(chǎn)的要求，必須提升智能化管理水平，夯實氣藏安全保障體系[1]。為確保氣藏安全環(huán)保開發(fā)[2-4]，應(yīng)急聯(lián)鎖系統(tǒng)成為智能化氣田安全保障體系中最重要的組成部分。當今氣田開發(fā)區(qū)塊一般分為集輸(含井口裝置)、凈化處理和天然氣外輸三大系統(tǒng)，在各系統(tǒng)中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)重大泄漏或應(yīng)急事故，都將直接威脅到上下游的安全[5-6]。因此，在智能化氣田設(shè)計和生產(chǎn)中，按全氣田、單線、單站、單元設(shè)備劃分區(qū)域，通過優(yōu)化控制邏輯、優(yōu)選系統(tǒng)互聯(lián)技術(shù)，整合控制系統(tǒng)，形成集輸、凈化及外輸管道的聯(lián)鎖關(guān)斷[7]，創(chuàng)建上下游一體化的聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)，從而大大提高了系統(tǒng)的安全性[8]。

氣田地面系統(tǒng)在建設(shè)前期設(shè)計時，應(yīng)急聯(lián)鎖系統(tǒng)方案設(shè)計普遍只考慮正常生產(chǎn)工況下的管道和裝置安全，但很少分析發(fā)生極端事故工況時的應(yīng)急聯(lián)鎖工況，這也可能會讓應(yīng)急聯(lián)鎖系統(tǒng)存在一定的隱患。

隨著生產(chǎn)建設(shè)的發(fā)展，為了更清楚地掌握各種應(yīng)急工況下各生產(chǎn)單元的應(yīng)急工況，有必要對氣田的應(yīng)急聯(lián)鎖工況進行動態(tài)分析，反映出各單井站、集氣站和凈化廠在各種應(yīng)急聯(lián)鎖工況下的變化規(guī)律，找出不適應(yīng)的地方加以調(diào)整，為安全生產(chǎn)運行保駕護航[9-13]。

1 分析方法

至今，應(yīng)急聯(lián)鎖工況分析方法并未形成明確的指導(dǎo)方案，認為至少需要具備以下7個步驟。

(1) 明確模擬分析的應(yīng)用范圍，主體包括內(nèi)部集輸系統(tǒng)、凈化廠和外輸系統(tǒng)等，明確各工藝單元對應(yīng)的管理單位。

(2) 收集整理氣田內(nèi)部單井站、閥室、集氣站和凈化廠的設(shè)計資料(包括設(shè)計壓力、設(shè)計處理量、工藝管道和設(shè)備尺寸等)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

(3) 理清氣田應(yīng)急聯(lián)鎖工況下的緊急關(guān)斷邏輯(一、二、三或四級)。

(4) 進行主要的風(fēng)險識別，尤其是極端工況的分析，確定各類風(fēng)險對應(yīng)的應(yīng)急工況。

(5) 開展數(shù)值模擬分析，選擇模擬分析軟件，確定狀態(tài)方程和水力壓降模型等。

(6) 分析結(jié)果數(shù)據(jù)，與設(shè)計參數(shù)和現(xiàn)場實際操作對比，得出現(xiàn)有應(yīng)急聯(lián)鎖工況的適應(yīng)性。

(7) 提出問題，分析問題。

下面以國內(nèi)某氣田為例，采用上述分析方法，研究應(yīng)急聯(lián)鎖工況下各生產(chǎn)單元的應(yīng)急工況。

2 實例分析

2.1 實例背景

國內(nèi)某氣藏開發(fā)涉及采氣、凈化和產(chǎn)品氣外輸3個主體工藝環(huán)節(jié)，共5個單位聯(lián)合處理。氣藏地面設(shè)計共6個壓力系統(tǒng)，分別為內(nèi)部集輸系統(tǒng)的井口采氣樹設(shè)計壓力105.00 MPa、井口節(jié)流設(shè)計壓力70.00 MPa、內(nèi)部集輸管網(wǎng)設(shè)計壓力8.50 MPa、凈化廠設(shè)計壓力7.50 MPa、外輸系統(tǒng)設(shè)計壓力6.30 MPa、產(chǎn)品氣外輸站設(shè)計壓力6.30 MPa。

氣田內(nèi)部集輸采用分離計量加氣液混輸方式輸送，單井站均設(shè)有井安系統(tǒng)。根據(jù)氣礦長期建設(shè)經(jīng)驗，操作壓力最高為8.30 MPa，為可控上限，壓力超過8.30 MPa自動關(guān)井，站場均安裝氣動(氣液聯(lián)動)或電動閥門，現(xiàn)場測試氣動(氣液聯(lián)動)閥門關(guān)閉時間15 s，電動閥門關(guān)閉時間90 s。凈化廠共7列裝置，1～4列裝置(A套)處理量為300×104m3/(d·列)，5～7列裝置(B套)處理量為600×104m3/(d·列)，最高操作壓力6.70 MPa，出站設(shè)調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定凈化廠壓力，凈化廠放空系統(tǒng)設(shè)計壓力4.00 MPa，設(shè)計規(guī)模分別為700×104m3/d和780×104m3/d共2支。

外輸首站通過兩條DN800 mm管道向產(chǎn)品氣外輸站輸氣。外輸首站通過兩條DN600 mm進站管道分別接收凈化廠來氣，設(shè)置2只DN100 mm/DN150 mm安全閥(設(shè)計整定壓力6.93 MPa，實際整定壓力6.30 MPa)。進站管道都安裝電動閥門，出站管道安裝氣動閥門，外輸首站和凈化廠共用放空系統(tǒng)。

產(chǎn)品氣外輸站主要負責(zé)集輸凈化廠來氣，并向外輸干線輸送。設(shè)計壓力6.30 MPa，設(shè)計規(guī)模3 000×104m3/d，進站兩條DN800 mm管道上分別設(shè)置電動閥門。外輸首站和凈化廠共用放空系統(tǒng)。

目前，已建立內(nèi)部集輸-天然氣凈化廠-外輸首站的應(yīng)急聯(lián)鎖系統(tǒng)。應(yīng)急聯(lián)鎖設(shè)計中，為保護外輸首站，設(shè)計外輸首站壓力從6.40 MPa開始，每增加0.05 MPa關(guān)1列裝置，至6.70 MPa關(guān)完；為保護凈化裝置，設(shè)計集氣總站壓力從7.20 MPa開始，每升高0.05 MPa關(guān)1列裝置，至7.50 MPa關(guān)完；凈化廠每列裝置關(guān)閉對應(yīng)上游內(nèi)部集輸單井站關(guān)井；外輸首站出站閥門關(guān)閉,聯(lián)鎖整個氣藏關(guān)閉。經(jīng)現(xiàn)場測試，整個系統(tǒng)采用氣動(氣液聯(lián)動)閥門關(guān)閉時間15 s，電動閥門關(guān)閉時間90 s。地面系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

2.2 應(yīng)急工況分析

通過調(diào)研分析得出，該氣藏地面系統(tǒng)工藝裝置在生產(chǎn)運行過程中應(yīng)急聯(lián)鎖工況主要有6種。分析控制點是在集氣總站、凈化廠和外輸首站3個壓力交接點，單井站和集氣1、2、3站的壓力變化對應(yīng)集氣總站變化。6種應(yīng)急聯(lián)鎖工況如下。

(1) 產(chǎn)品氣外輸站停輸時，產(chǎn)品氣外輸站-外輸首站-凈化廠應(yīng)急聯(lián)鎖動態(tài)分析研究。

(2) 外輸首站至產(chǎn)品氣外輸站兩條管道其中一條管道出現(xiàn)問題停輸時，產(chǎn)品氣外輸站-外輸首站-凈化廠應(yīng)急聯(lián)鎖動態(tài)分析研究。

(3) 產(chǎn)品氣外輸站向外輸干線A站或B站僅其中一個方向停輸時，產(chǎn)品氣外輸站-外輸首站-凈化廠應(yīng)急聯(lián)鎖動態(tài)分析研究。

(4) 外輸首站出站閥門關(guān)閉時外輸首站-凈化廠動態(tài)分析研究。

(5) 在凈化廠裝置停車時，內(nèi)部集輸系統(tǒng)各集氣站的動態(tài)分析。

(6) 應(yīng)急工況時關(guān)井順序研究。

2.3 分析方法

應(yīng)急工況分析內(nèi)容是壓力隨時間變化的趨勢，因此穩(wěn)態(tài)模擬不太適合，應(yīng)采用動態(tài)模擬進行分析。本次應(yīng)急聯(lián)鎖動態(tài)模擬單相流部分研究采用PipeLine Studio for Gas軟件，內(nèi)部集輸多相流模擬部分采用LEDAFLOW軟件。兩種軟件是經(jīng)過使用證明的離線模擬軟件，能夠?qū)敋夤艿乐械牧黧w進行穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬，可以對輸氣管道的正常工況和事故工況進行分析，測試和評價管道的設(shè)計或操作參數(shù)設(shè)置。狀態(tài)方程均采用PR方程，單相流動態(tài)模擬選用Colebrook White水力模型，多相流動態(tài)模擬為軟件內(nèi)部自嵌水力模型。

2.4 工況分析

2.4.1產(chǎn)品氣外輸站停輸時，產(chǎn)品氣外輸站-外輸首站-凈化廠動態(tài)分析研究

分析工況：產(chǎn)品氣外輸站在突發(fā)情況造成停輸時，研究外輸首站壓力急速上升安全閥是否放空，同時凈化廠7列裝置壓力隨之上升是否出現(xiàn)壓力超高后多列裝置依次停車的情況，找出各部分壓力隨時間變化的規(guī)律(見表1與圖2)。

表1 應(yīng)急聯(lián)鎖動態(tài)分析表壓力/MPa安全閥起跳時間/s第1～4列裝置第5～7列裝置第1列關(guān)閉時間/s第2列關(guān)閉時間/s第3列關(guān)閉時間/s第4列關(guān)閉時間/s第5列關(guān)閉時間/s第6列關(guān)閉時間/s6.3036.36.4061～766.4577～926.5086～1016.55106～1216.60127～1426.65170～185

通過動態(tài)模擬得出每列凈化裝置和外輸首站安全閥達到相應(yīng)壓力時需要的時間。

研究得出，在第1～4列裝置全部關(guān)停、第5～7列裝置關(guān)閉第6列裝置、上游集輸場站相應(yīng)關(guān)井后，整個地面系統(tǒng)壓力不會繼續(xù)上升。外輸首站最高進站和出站壓力約6.62 MPa，產(chǎn)品氣外輸站進站壓力約6.64 MPa，超過設(shè)計壓力6.30 MPa。

通過分析得出，單只安全閥放空規(guī)模為400×104m3/d ，兩只安全閥同時放空時，放空規(guī)模為800×104m3/d，超過火炬的設(shè)計放空量(見圖3)。

綜上所述，從產(chǎn)品氣外輸站開始停輸?shù)阶詈髢艋瘡S裝置停車會持續(xù)185 s；產(chǎn)品氣外輸站、外輸首站在此時間段內(nèi)會超壓運行；兩只安全閥放空總量超過單根火炬設(shè)計排放總量。

2.4.2外輸首站至產(chǎn)品氣外輸站中一條管道出現(xiàn)問題停輸時，產(chǎn)品氣外輸站-外輸首站-凈化廠動態(tài)分析研究

研究外輸首站至產(chǎn)品氣外輸站間兩條DN800 mm輸氣管道其中一條出現(xiàn)問題停輸時，外輸首站壓力上升，安全閥是否放空，同時凈化廠7列裝置壓力隨之上升是否會出現(xiàn)壓力超高后多列裝置依次停車，找出各部分壓力隨時間變化的規(guī)律。

經(jīng)分析，外輸首站最高出站壓力6.12 MPa，進站壓力6.20 MPa；1～4列裝置出站壓力6.22 MPa，5～7列裝置出站壓力6.25 MPa。在此工況下，場站和凈化廠均不會出現(xiàn)憋壓和超壓運行的情況，安全閥不會起跳放空，凈化裝置正常運行不會停車。

2.4.3產(chǎn)品氣外輸站向A站或B站停輸時，產(chǎn)品氣外輸站-外輸首站-凈化廠動態(tài)分析研究

分析研究產(chǎn)品氣外輸站只向一邊輸氣時產(chǎn)品氣外輸站、凈化廠和內(nèi)集輸系統(tǒng)外輸首站壓力急速上升安全閥是否放空，同時凈化廠7列裝置壓力隨之上升是否出現(xiàn)壓力超高后多列裝置依次停車，找出各部分壓力隨時間變化的規(guī)律；通過動態(tài)模擬得出每列凈化裝置和外輸首站安全閥達到相應(yīng)壓力值時需要的時間(見表2與圖4)。

表2 壓力隨時間變化表壓力/MPa安全閥起跳時間/s第1～4列裝置第5～7列裝置第1列關(guān)閉時間/s第2列關(guān)閉時間/s第3列關(guān)閉時間/s第4列關(guān)閉時間/s第5列關(guān)閉時間/s第6列關(guān)閉時間/s6.30656.40145～1606.45200～2156.50394～409

經(jīng)分析，在A套裝置關(guān)閉第3列裝置、上游集輸場站相應(yīng)關(guān)井后，整個系統(tǒng)壓力不會繼續(xù)上升。外輸首站最高進站和出站壓力約6.50 MPa，產(chǎn)品氣外輸站進站壓力約6.45 MPa，均超過設(shè)計壓力6.30 MPa。

通過分析得出，單只安全閥放空規(guī)模為400×104m3/d，壓力變化見圖5。兩只安全閥同時放空時，放空規(guī)模為800×104m3/d，超過單根火炬的設(shè)計放空量。

綜上所述，從產(chǎn)品氣外輸站單邊停輸?shù)阶詈髢艋瘡S裝置停車會持續(xù)409 s；產(chǎn)品氣外輸站、外輸首站在此時間段內(nèi)會超壓運行；兩只安全閥放空總量超過單根火炬設(shè)計排放總量。

2.4.4外輸首站出站閥門關(guān)閉時外輸首站-凈化廠動態(tài)分析研究

分析研究外輸首站出站閥門關(guān)閉是否會導(dǎo)致場站內(nèi)壓力急速升高，安全閥是否起跳，同時凈化廠7列裝置壓力隨之上升是否會出現(xiàn)壓力超高后多列裝置依次停車，找出各部分壓力隨時間變化的規(guī)律。

通過動態(tài)模擬得出每列凈化裝置和外輸首站安全閥達到相應(yīng)壓力時所需時間(見表3與圖6)。

表3 壓力隨時間變化表壓力/MPa安全閥起跳時間/s凈化廠第1列關(guān)閉時間/s第2列關(guān)閉時間/s第3列關(guān)閉時間/s第4列關(guān)閉時間/s第5列關(guān)閉時間/s第6列關(guān)閉時間/s6.3056.407～226.458～236.5010～256.5511～266.6013～286.6514～296.70

在A套裝置全部關(guān)停、B套裝置關(guān)閉兩列裝置和上游集輸系統(tǒng)相應(yīng)單井站關(guān)井時，整個系統(tǒng)壓力不會再上升。外輸首站最高進站和出站壓力約6.92 MPa，超過設(shè)計壓力6.30 MPa。

通過分析得出，單只安全閥放空規(guī)模為400×104m3/d，兩只安全閥同時放空時，放空規(guī)模為800×104m3/d，超過單根火炬的設(shè)計放空量(見圖7)。

綜上所述，外輸首站出站閥門關(guān)閉到最后，凈化廠裝置停車會持續(xù)29 s；外輸首站在這時間段內(nèi)會超壓運行；兩只安全閥放空總量超過單根火炬設(shè)計排放總量。

2.4.5凈化廠停車時內(nèi)部集輸系統(tǒng)集氣站在不同時間段內(nèi)的動態(tài)分析研究

分析研究當凈化廠停車時，內(nèi)部集輸系統(tǒng)將產(chǎn)生憋壓情況。內(nèi)部集輸系統(tǒng)各集氣站壓力隨時間變化的規(guī)律見圖8。

經(jīng)研究得出，當凈化廠停車時，上游集輸系統(tǒng)會出現(xiàn)憋壓的情況，各集氣站壓力隨時間變化趨勢見表4。

本研究僅分析極端工況下集氣總站壓力在6.50～6.90 MPa時的工況。

表4 內(nèi)輸系統(tǒng)集氣站動態(tài)分析表時間/s集氣總站壓力/MPa集氣1站壓力/MPa集氣2站壓力/MPa集氣3站壓力/MPa116.50～6.606.92～6.926.52～6.536.98～6.98556.50～6.706.92～6.926.52～6.586.98～6.991176.50～6.806.92～6.936.52～6.656.98～7.021966.50～6.906.92～7.056.52～6.836.98～7.06

在7.50～8.50 MPa系統(tǒng)中，通過管網(wǎng)模擬計算得出，氣藏開發(fā)系統(tǒng)在3 000×104m3/d滿負荷生產(chǎn)時集氣總站壓力最高值為6.50 MPa，設(shè)計報警壓力7.10 MPa，未超過下游設(shè)計壓力。同時考慮到凈化廠設(shè)有集氣總站壓力7.20～7.50 MPa關(guān)裝置的聯(lián)鎖保護措施，聯(lián)鎖閥也為氣動閥，可在15 s關(guān)完。另外，安全放空系統(tǒng)(火炬、安全閥等)也具備1 480×104m3/d的放空能力，因此8.50～7.50 MPa系統(tǒng)安全風(fēng)險基本受控。

2.4.6關(guān)井順序研究

在以上工況分析的基礎(chǔ)上，凈化廠裝置每列依次停車聯(lián)鎖內(nèi)部集輸單井站分批次關(guān)井，模擬分析采用LEDAFLOW多相流動態(tài)模擬軟件，原則按照以現(xiàn)有集輸工況壓力梯度范圍為基礎(chǔ)，優(yōu)先關(guān)閉壓力較高井站。

2.5 研究成果

(1) 通過對該氣藏地面系統(tǒng)應(yīng)急聯(lián)鎖工況研究可以得出，在6.30～7.50 MPa系統(tǒng)中，產(chǎn)品氣外輸站和外輸首站間產(chǎn)生上游憋壓到凈化廠裝置依次停車這段時間非常短，時間最長的一種工況也僅有7 min，最短僅僅26 s，在故障狀態(tài)下人工響應(yīng)難以滿足安全要求，應(yīng)主要依靠安全聯(lián)鎖(ESD)及放空系統(tǒng)，5家單位需建立統(tǒng)一的應(yīng)急聯(lián)動系統(tǒng)。

(2) 在7.50～8.50 MPa內(nèi)部集輸系統(tǒng)中安全風(fēng)險基本受控。

(3) 外輸首站進站兩個安全閥難以保證外輸首站及產(chǎn)品氣輸氣站壓力不超出設(shè)計壓力，當產(chǎn)生憋壓情況時，站場會有段時間處于超壓運行。

2.6 優(yōu)化建議

(1) 將凈化裝置出站調(diào)節(jié)閥(脫水裝置出口閥前壓力調(diào)節(jié)閥)控制邏輯改為在外輸首站正常最大操作壓力以下維持現(xiàn)狀，當外輸首站操作壓力超過外輸首站正常最大操作壓力時改為閥后控制,控制值可為正常最大操作壓力。

(2) 為防止產(chǎn)品氣外輸站單向或雙向停輸帶來的超壓風(fēng)險，建議將凈化裝置出站ESD閥聯(lián)鎖最終關(guān)停裝置的限值改為6.30 MPa。此項措施在保證安全的同時也會帶來輸氣壓力較高時因壓力波動造成凈化廠裝置停車，從而影響生產(chǎn)的風(fēng)險。

(3) 將外輸首站安全閥整定壓力改為正常最大操作壓力的1.05倍。

(4) 外輸首站壓力測量A套和B套各設(shè)有一個變送器，外輸首站壓力保護關(guān)斷采用變送器和聯(lián)鎖閥是1對1的關(guān)系。建議將A套和B套超壓聯(lián)鎖以及第1組壓力控制進行改造,壓力來源分別改為2選1。

(5) 在目前狀態(tài)下，建議凈化廠操作壓力保持在6.30 MPa以下。

(6) 建議停用1只外輸首站安全閥，使其放空能力低于700×104m3/d以匹配放空火炬。若A套或B套火炬兩者之一停產(chǎn)時需注意對應(yīng)安全閥投用。

(7) 提出應(yīng)急情況導(dǎo)致凈化廠裝置關(guān)停時對應(yīng)的關(guān)井順序聯(lián)鎖方案。

2.7 現(xiàn)場應(yīng)用

聯(lián)合單位針對優(yōu)化建議進行了多次探討，最終同意采用第(1)、(5)、(6)、(7)條建議，做出以下應(yīng)用：將凈化裝置出站調(diào)節(jié)閥控制邏輯改為在外輸首站正常最大操作壓力以下，當外輸首站操作壓力超過外輸首站正常最大操作壓力時改為閥后控制，控制值可為正常最大操作壓力、凈化廠操作壓力保持在6.30 MPa以下、停用1只外輸首站安全閥、按照推薦的關(guān)井順序進行聯(lián)鎖關(guān)斷邏輯設(shè)置。

3 結(jié)語

本研究提出一套氣田地面系統(tǒng)應(yīng)急聯(lián)鎖模擬分析方法，并將該分析評價方法應(yīng)用于實踐。首先，開展了大量現(xiàn)場工作，包括收集整理資料、理清應(yīng)急關(guān)斷邏輯及生產(chǎn)單位討論明確了分析范圍；其次進行地面系統(tǒng)主要風(fēng)險識別,得出6種主要應(yīng)急聯(lián)鎖工況；接著開展數(shù)值模擬；最后提出結(jié)論和優(yōu)化建議。本研究結(jié)論得到氣礦認可，為氣田地面建設(shè)提供了理論支撐。