濕天然氣集輸管道系統危險和可操作性分析

董勇 姚亞男 肖芳（中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司）

引言

在高含硫天然氣藏的開發中，集輸管道輸送工藝對天然氣集輸系統的安全運行具有十分重要的意義[1]。集輸管道系統的工藝過程除集聚危險氣體外，外部環境的變化（壓力、溫度、緩蝕劑等）也直接影響集輸管道的安全運行狀態。因此，有必要對集輸管道系統進行危險和可操作性研究，并對可能造成天然氣管道安全隱患的因素進行分析[2]。本文通過采用危險和可操作性分析方法，結合動態過程模擬技術，對影響集輸管道系統安全的風險進行識別，并對過程進行危險和可操作性定量評價。

一、濕天然氣集輸工藝過程簡介

隨著高含硫天然氣田開發規模的擴大，考慮到集輸系統的經濟性，高壓濕天然氣集輸管道工藝逐漸受到人們的青睞。濕天然氣集輸工藝是指天然氣不經過脫水處理，在水汽飽和條件下輸送。濕天然氣集輸工藝過程主要如下：井口來天然氣經一級節流降壓后進入井口分離器，進行氣液分離，分離后的天然氣仍含飽和水蒸氣。由于節流降壓使天然氣溫度也同時下降，為避免水合物生成，天然氣進入水套加熱爐進行一級加熱后再經二級節流降壓，然后需進入水套爐進行二級加熱，以達到外輸要求。各井口來氣經生產匯管收集計量后外輸至集氣站進行進一步處理，也可進入單井計量匯管分別計量后外輸至集氣站進行進一步處理。為控制水合物形成和管道內腐蝕，設置水合物抑制劑和緩蝕劑注入口。

二、濕天然氣集輸過程危險和可操作性分析

濕氣集輸過程的安全評價分析方法，主要包括故障類型和影響分析法、i f-wh a t法、事件樹、故障樹、危險和可操作性分析等。不同方法適用范圍不同，危險和可操作性方法相較其他方法分析全面且系統，因此，成為廣泛應用的危險性分析方法。

1.危險和可操作性分析方法

危險和可操作性分析的基本原理是以引導詞為引導，分析過程工藝中的狀態參數，找出參數變化的前因后果并依據分析結果給出改進建議或控制措施。危險和可操作性分析過程如下：

(1)根據濕天然氣集輸過程工藝儀表安裝圖（P&I D圖）對工藝單元或節點進行劃分并確定邊界；

(2)使用引導詞對節點的狀態參數進行偏差分析，偏差通常采用“引導詞+工藝參數”的形式；

(3)對產生偏差的原因進行確定，在假設已有的安全措施失效的情況下，對偏差導致的后果進行確定；

(4)進行安全保護的確定，減輕或避免偏差產生導致的后果；

(5)依據對偏差分析的結果，制定改進建議或控制措施。

2.濕天然氣集輸工藝危險和可操作性分析

以高含硫濕天然氣集輸工藝為例，采用危險和可操作性分析方法進行分析，發現最重要的偏差主要為3個方面：(1)防止水合物的生成；(2)燃料氣系統；(3)腐蝕控制。

（1）防止水合物生成

在高含硫天然氣的開發過程中，必須有措施防止水合物的生成。通常防止水合物生成的方法有注入抑制劑、加熱和放空氣體。

在正常運營中，為了提高氣體溫度，主要措施是使用井口加熱爐。如果加熱爐由于某些原因不能使用，則下游天然氣管道會生成水合物。因此必須對加熱爐的可用性進行分析，并且分析是否需要在加熱爐出口管線上增加低溫報警/關井。在高含硫濕天然氣集輸工藝中，主要采用注入抑制劑的措施來防止水合物生成。

（2）燃料氣系統

如果燃料氣中存在水，由于管道材料是碳鋼，會導致碳鋼發生腐蝕，因此必須確認燃料氣有足夠低的露點。

如果燃料氣供應不足，必然導致部分天然氣管道的關閉，建議對用戶的優先級進行區分，以便在緊急情況發生時，可以按照優先級進行燃料氣供應。

（3）腐蝕防護

高含硫濕天然氣集輸管道系統中的H2O、H2S和 CO2含量很高，容易造成腐蝕，因此必須有腐蝕防護措施。通常控制腐蝕的方法有使用合理的管道材料、防腐探測和注入緩蝕劑。

如果火炬系統的材質是碳鋼，放空未注入緩蝕劑的氣體會造成腐蝕。雖然火炬系統的低壓力會降低腐蝕的可能性，但是考慮到安全性，需考慮使用鉻/鎳材料的可能性。

三、結合動態模擬的危險和可操作性分析定量評價

1.集輸過程風險動態模擬的必要性與可行性

在濕天然氣集輸管道系統采用危險和可操作性分析，由于偏差偏離大小無法定量描述，因此分析結果對工程指導作用受限。在實際工程中，偏差的大小與安全影響之間的關系往往更有助于制定措施和提出改進意見，因此，在參數較多的情況下，通過危險和可操作性分析，并結合動態過程模擬技術，對風險較大的偏差和對集輸管道安全運行影響較大的偏差進行識別和模擬分析，并最終得到定量評估結果。

2.集輸工藝動態建模過程

首先采用危險和可操作性分析方法對濕天然氣集輸管道系統進行分析后，可識別出對過程產生影響的偏差，繼而采用動態過程模擬技術，對偏差進行模擬分析，最后得到集輸管道系統危險和可操作性的定量評價結果。分析過程如下所示。

(1)采用集總模型計算：首先定義設備尺寸等參數，采用集總模型模擬動態過程，在節省建模及計算時間的同時，滿足模擬精度要求；

(2)匯管、分離器、混合器等非線性方程求解由求解器完成；

(3)模型各模塊在滿足質量守恒的同時，必須滿足濕天然氣成分守恒公式和能量平衡公式；

(4)模型中各設備熱量兩相分離、混合、傳遞涉及的偏微分方程采用隱式E u l e r法求解；

(5)在保證動態變化模擬準確性的同時，為縮短計算時間，模型可對物流成分、能量和體積進行積分時采用不同的步長。

結論

濕天然氣集輸管道系統的過程風險分析，對集輸管道的安全運行具有重要意義。采用危險和可操作性方法，識別系統中的防止水合物生成等直接影響安全運行的風險偏差。結合動態過程模擬技術，提出危險和可操作性定量評估方法，通過模擬分析過程偏差，得到定量分析結果，使風險分析結果更有實際意義。

[1]中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院.HAZOP分析指南[M].北京:中國石化出版社,2008.

[2]廖學品.化工過程危險性分析[M].北京:化學工業出版社,2000.