李永生

(中國石化達州天然氣凈化有限公司，四川達州，635000)

1 前言

普光氣田于2009年投產(chǎn)運行，隨著氣田的持續(xù)開發(fā)，天然氣凈化工藝面臨低壓、低流量等工況變化問題；同時隨著元壩氣田、涪陵頁巖氣的成功開發(fā)，川氣東送管線新增兩大氣源，外輸普光首站壓縮機相繼投入使用。為保障普光氣田的安全平穩(wěn)運行和川氣東送供氣平衡，針對氣田集輸、凈化和外輸穩(wěn)定運行，開展了安全聯(lián)動控制技術(shù)研究。

2 氣田工藝介紹

普光氣田2008年普光主體建成混合氣產(chǎn)能105×108m3/a；2010年普光周邊(大灣、毛壩區(qū)塊)建成混合氣產(chǎn)能30×108m3/a，普光氣田總產(chǎn)能達到135×108m3/a。普光氣田共分三大部分：集輸系統(tǒng)、天然氣凈化廠和川氣東送管道(外輸系統(tǒng))。采氣廠集氣總站為氣田原料氣集輸系統(tǒng)終點站，與普光天然氣凈化廠同址合建。氣井產(chǎn)出原料天然氣先進入集氣站，經(jīng)加熱、節(jié)流等工藝處理計量后外輸，采用“加熱保溫+注緩蝕劑”工藝，經(jīng)各氣井原料氣集氣支線進入場站集氣原料氣管線，然后輸送至集氣總站。普光首站是川氣東送管道的起點，川氣東送管道自四川東北部起，向東經(jīng)過各地區(qū)最終至上?？傉荆抢^西氣東輸管線之后又一條貫穿我國東西部地區(qū)的管道大動脈。外輸首站的一級關(guān)斷觸發(fā)集輸系統(tǒng)和天然氣凈化廠系統(tǒng)的一級關(guān)斷，集輸系統(tǒng)和天然氣凈化廠的一級關(guān)斷不會觸發(fā)外輸首站的一級關(guān)斷；集輸系統(tǒng)和天然氣凈化廠的一級關(guān)斷，只自動觸發(fā)外輸首站，關(guān)閉天然氣凈化廠到外輸首站的進站緊急關(guān)斷閥。

2.1 存在的問題

2.1.1 普光氣田一級關(guān)斷聯(lián)鎖邏輯關(guān)聯(lián)性緊密、制約性強

自投產(chǎn)以來發(fā)生過3次一級關(guān)斷事件。通過梳理分析，發(fā)現(xiàn)3次事件規(guī)律：3次事件發(fā)生的原因都不是設(shè)計工藝條件所引發(fā)，而是因為電網(wǎng)晃電，或者上游集輸以及下游外輸系統(tǒng)的SIS保護故障引發(fā)。普光氣田聯(lián)鎖邏輯緊密，集輸、凈化、外輸“三大”系統(tǒng)，任一系統(tǒng)觸發(fā)一級關(guān)斷，均會引發(fā)氣田整體一級關(guān)斷。

2.1.2 外輸首站壓縮機故障停機對集輸、凈化系統(tǒng)造成的影響

外輸首站運行初期，以普光氣田地層壓力輸送，站內(nèi)未啟用增壓，外輸壓力在7.8MPa，滿足凈化氣進川氣東送管道外輸要求，普光首站壓縮機組一直未啟用。隨著川氣東送管道沿線用戶用氣量增加，管道壓降增大，繼續(xù)維持7.8MPa不能滿足沿線用戶用氣量及用氣壓力的要求。因此，外輸首站需啟用站內(nèi)壓縮機組，將進站的天然氣增壓至9.8MPa后，再進入川氣東送管道。

由于普光氣田集輸凈化設(shè)施，距離外輸首站較近，當首站壓縮機啟用運行時，機組發(fā)生故障停機，凈化廠至外輸首站管道會迅速升壓，從正常操作壓力7.8MPa達到高壓報警值8.0MPa。首站站內(nèi)設(shè)有放空火炬系統(tǒng)，放空規(guī)模為5×104m3/h，遠不能滿足站內(nèi)單臺壓縮機組(60×104m3/h)故障時緊急泄放的要求。壓縮機在運行過程中出現(xiàn)過故障停機，導(dǎo)致產(chǎn)品氣外輸不暢，集輸、凈化系統(tǒng)管道壓力快速升高，影響系統(tǒng)安全運行。

3 主要技術(shù)研究

3.1 普光氣田一級關(guān)斷安全分析評價技術(shù)研究

利用“危險與可操作性分析”、“RAM可靠性分析模型”等多重技術(shù)手段，對集輸系統(tǒng)、天然氣凈化廠和外輸首站整體性能進行分析。

3.1.1 危險與可操作性分析

在生產(chǎn)運行階段，以SIS系統(tǒng)各個回路為基礎(chǔ)，統(tǒng)籌考慮供電、通信等外部因素對SIS系統(tǒng)的影響，進行SIS系統(tǒng)可靠性分析，系統(tǒng)深入研究分析各裝置運行時可能發(fā)生的危險異常，確定可能造成危險的關(guān)鍵因素或部位，進而明確各裝置在運行以及維保過程中的重要點，以此針對重大事故隱患制定預(yù)防性管理措施，對事故隱患防小防早，提高系統(tǒng)整體安全等級。通過詳細分析，發(fā)現(xiàn)相關(guān)問題，并提出針對性建議。

3.1.2 系統(tǒng)可靠性驗算

基于“蒙特·卡羅”模擬方法，利用RBD可靠性框圖，建立RAM(可靠性、可用性和可維護性)可靠性分析模型，對“集輸、凈化、外輸”整體系統(tǒng)進行處理能力、冗余以及故障影響分析。

可靠性框圖RBD將模型中設(shè)備組件的邏輯關(guān)系以圖示的形式表達出來。RBD顯示RAM模型中需要建立的可靠性關(guān)系，并表述設(shè)備各組件(串聯(lián)或并聯(lián))的配置，以及設(shè)備失效對系統(tǒng)生產(chǎn)的影響。

可靠性分析的主要結(jié)論包括：一級關(guān)斷系統(tǒng)的年意外跳車率、一級關(guān)斷系統(tǒng)意外跳車的主要來源。對集輸、外輸系統(tǒng)中的主要部件進行深度分析，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵影響部件是SIS系統(tǒng)。結(jié)合危險與可操作性分析，認為這主要是集輸系統(tǒng)和外輸首站的SIS均為1選1的配置，SIS失效將直接導(dǎo)致系統(tǒng)跳車。

表1 關(guān)鍵部件年失效率及平均事故間隔表

3.1.3 SIS關(guān)斷邏輯修改及可靠性驗算

3.1.3.1 修改邏輯關(guān)系

上游不聯(lián)鎖下游、下游聯(lián)鎖上游。上游發(fā)生一級聯(lián)鎖關(guān)斷，自動觸發(fā)上游關(guān)斷閥門，下游僅接收報警信號；下游發(fā)生一級聯(lián)鎖關(guān)斷，自動觸發(fā)上游聯(lián)鎖關(guān)斷。

增加一級關(guān)斷的觸發(fā)條件：首站兩臺在運壓縮機同時故障停機(首發(fā)自動觸發(fā))、凈化廠東區(qū)或西區(qū)原料氣管線任意一條爆裂。

3.1.3.2 增加獨立回路

為了不斷強化氣田一級聯(lián)鎖邏輯的穩(wěn)定性、可靠性，將原設(shè)計單回路一級聯(lián)鎖信號升級為三個獨立回路信號，三個獨立回路信號分別從不同模塊(數(shù)字量模塊、輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊)輸入，三個獨立回路通訊形式為獨立硬線連接，升級后的邏輯關(guān)系為三取二方式：(如圖1)。

圖1 一級關(guān)斷信號三取二邏輯結(jié)構(gòu)框圖

3.1.3.3 可靠性驗算結(jié)果對比

通過修改氣田相關(guān)SIS系統(tǒng)的一級關(guān)斷的觸發(fā)條件，對硬線連接進行三選二的冗余，供電系統(tǒng)改造(采氣集輸系統(tǒng)和產(chǎn)品氣外輸首站中控室新增UPS)，一級關(guān)斷系統(tǒng)能夠降低約兩倍的SIS系統(tǒng)意外跳車頻率，SIS系統(tǒng)的誤動作一級關(guān)斷的發(fā)生周期將從現(xiàn)有的2.5年，延長至5.3年。

表2 三大系統(tǒng)改造前后可靠性對比

3.2 高壓大流量產(chǎn)品氣安全放空控制技術(shù)研究

3.2.1 工藝技術(shù)研究

主要考慮火炬放空能力為75×104m3/h，同時考慮外輸首站1臺壓縮機故障停機時放空，故設(shè)計的額定泄放量等于壓縮機額定處理量60×104m3/h。

天然氣在管道內(nèi)的流速通?？刂圃?5—30m/s，為減少管線沖蝕及靜電，控制管道內(nèi)天然氣流速在16m/s左右。

通過計算，在流量60×104m3/h、流速16m/s時，管徑約為705mm。口徑較大時，相配套閥門口徑越大，閥門從全關(guān)到全開時間越長，綜合考慮管徑選擇為DN250，設(shè)置3路管線。

3.2.2 聯(lián)鎖控制技術(shù)研究

外輸首站目前壓縮機設(shè)計為2用1備，單臺在用壓縮機故障停機信號進天然氣凈化廠中心控制室，由中心控制室發(fā)送到新增首站放空控制系統(tǒng)SIS，再由新增放空系統(tǒng)SIS和DCS共同完成放空工藝控制，從而打開連鎖控制管路中的BDV閥進行3路同時泄放。

首站壓縮機停機泄放時，當閥前壓力大于等于8.0MPa時，PCV閥門繼續(xù)打開，根據(jù)閥前壓力調(diào)節(jié)閥門的開度，直到閥前壓力為7.8MPa時關(guān)閉閥門。

不泄放時，若天然氣凈化廠內(nèi)有酸氣泄放時，酸氣會通過管路回串到新增放空閥組區(qū)，從而會腐蝕閥門和管線，故增加閥后壓力調(diào)節(jié)，當閥后壓力高于0.6MPa時，PCV閥門關(guān)閉。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

基于普光氣田與外輸首站產(chǎn)品氣外輸安全控制技術(shù)研究，開展了集輸SCADA系統(tǒng)升級改造、凈化廠DCS/SIS分區(qū)和普光首站壓縮機停機放空設(shè)施改造。采取以上措施后，一級關(guān)斷系統(tǒng)能夠降低約兩倍的SIS系統(tǒng)意外跳車頻率；一級關(guān)斷的意外發(fā)生周期從現(xiàn)有的2.5年延長至5.3年，降低了故障停機。實現(xiàn)了外輸首站壓縮機故障停機壓力安全快速泄放。壓縮機故障停機后，2s內(nèi)3組放空管線閥門開啟，確保系統(tǒng)壓力在未升至8.0MPa時就得到泄放。

5 結(jié)論

通過實施普光氣田與外輸首站產(chǎn)品氣外輸安全控制技術(shù)研究與應(yīng)用，有效降低了因一級關(guān)斷造成的高壓火炬放空，減少了酸性氣體排放，消除了因外輸首站單臺壓縮機故障停機造成的系統(tǒng)憋壓隱患，保證了氣田安全平穩(wěn)運行，年減少高壓火炬放空10×104Nm3、年減少酸性氣體排放2.5×104Nm3。