數字化集氣站有效應急時間控制建模

王燁煒，陳增輝，李彥軍，楊昭勇，呼成剛

中國石油長慶油田公司第四采氣廠，陜西西安710021

數字化集氣站有效應急時間控制建模

王燁煒，陳增輝，李彥軍，楊昭勇，呼成剛

中國石油長慶油田公司第四采氣廠，陜西西安710021

蘇里格氣田集氣站逐步實行無人值守的數字化運行模式，若站區內無人值守運行時遇超壓等復雜情況，場站的應急處置成為關鍵。文章通過跟蹤蘇6-7站運行，分析充壓過程及應急事件的有效處理時間，導出集氣站充壓有效時間的計算公式，并通過實例進行了驗證和修正，得到了適合蘇6、蘇36-11區塊集氣站應急時間計算通式，并對各集氣支線的升壓時間進行計算，得到各站以及各管道的有效應急時間平均在28 min左右，為應急預案的編寫提供了有力依據。

集氣站；數字化；應急時間；建模

1 蘇6-7數字化集氣站運行現狀

1.1 蘇6-7站基本情況

蘇6-7集氣站位于內蒙古自治區烏審旗境內，蘇東41-33井區中西部。該站所轄天然氣生產井50口，日配產40萬m3，站內主要設備有：天然氣壓縮機組2臺、強吸分離器2臺、閃蒸分液罐1臺、污水罐2臺、天然氣發電機1臺、生活污水處理設備1套。

“數字化集氣站”升級改造后，蘇6-7站實現了“生產監測、智能報警、遠程控制、安防監控、供電自動切換”等數字化功能，開始執行人工巡站和應急事件集中處置的管理模式。為了對人工巡站和應急事件處置時間實現精細化管理、合理化安排，本文對集氣站充壓過程進行數學建模，對單井、集氣站管道充壓時間進行計算。

1.2 蘇6-7站無人值守管理模式

該站日常管理由駐站模式改為人工巡站模式，生產工藝中氣液分離后進入外輸流程的手動閥門控制改為電動閥門控制。

運行中由專人管理巡站人員，跟蹤生產運行，收集日常管理、應急處置等環節中存在的問題，定期分析、總結，優化管理模式，最終實現無人值守站安全高效運行。

1.3 無人值守站常見應急狀況

（1）壓縮機異常停機。冬季時，啟運壓縮機進行井口降壓、外輸增壓，由于蘇6-7站所轄部分氣井產液量大，易造成管道積液，一旦站內疏水閥出現故障無法及時排液或壓縮機出現故障時，都會造成壓縮機停機。壓縮機停機后，站內氣量無法外輸，內部系統壓力將迅速上升。

（2）下游天然氣泄漏。當下游天然氣管道出現泄漏、刺漏、著火等異常情況時，應遠程切斷外輸截斷閥，截斷氣源，消除站內安全隱患。外輸氣源切斷后，立即將站內所轄單井應急關閉，統籌安排集中處置應急事件，確保應急管理安全有效。

蘇6-7站應急事件處置中存在的主要問題為當壓縮機停機或外輸截斷閥緊急切斷后，無法準確計算單井、集氣站管道升壓時間，因而無法確定處置問題的有效應急時間，無法對整個應急處置進行統籌安排。因此新的管理模式運行后，計算應急事件處置的有效應急時間顯得尤為重要。

2 蘇6-7站有效應急時間分析

集氣站在站內壓縮機停機、外輸緊急截斷閥切斷等情況下，單井仍處于正常生產中，而集氣站氣量無法外輸。為保證無人值守集氣站安全平穩運行，必須在充壓時間段內解決應急處置人員到達集氣站的問題。

2.1 建立管道充壓數學模型

事件處置的有效應急時間是指站內系統壓力升至外輸壓力的時間。氣井持續生產，當集氣站氣流運行被切斷，管道壓力會不斷上升。此時，站內升壓過程可轉換為密閉容器的充壓過程。集氣站的充壓容器主要包括單井管道、干管、站內進站總機關、站內分離器及分離器至壓縮機進口管道，因單井管道、干管容積遠大于站內部分工藝管道容積，故計算中將站內部分容積簡化，只考慮單井管道和干管容積。

管道充壓模型見圖1：設充氣管道截面積為A（cm2）；初始壓力為P0（Pa），升高后壓力為P2（Pa）；管容為V（L）；瞬時流量為Q（Pa·L/s）；P0＜P2。

圖1 管道充壓模型

向管道充壓時，P0將逐漸升高最終達到P2，而通過生產閥門流入管道的氣體流量也將隨著P2的升高由最大流量Qmax而趨向于零。

設在某一時刻t，管道容積為V，壓力為P2，經過時間d t后，壓力增至P2+dP2，則管道中的氣體增量為VdP2，流進管道中的流量為Q d t，由此可得：

在集氣站充壓過程中，隨著壓力升高，管道流速降低。但據觀測，管道流速降低幅度很小，因而在管道充壓過程中假設流量為線性流體，管道充壓過程簡化為線性過程，管道流量為集氣站瞬時流量Q，則：

式中Δt——升壓時間/min；

V——管道容積/m3；

ΔP——管道前后壓差/MPa；

Q——站內瞬時流量/（萬m3/d）。

2.2 數學模型驗證

本文采用試運行期間蘇6-7站1#、2#壓縮機多次故障停機后生產運行所記錄的數據，根據式（2）計算升壓時間，再與現場實際測算的升壓時間進行對比，見表1。

本次試驗累計停機9次：1#壓縮機停機6次，2#壓縮機停機3次，通過表1可以看出，壓縮機停機后系統計算升壓時間結果均大于實測升壓時間，平均時差為10 min。

通過分析，實測管道升壓時間短的主要原因是管道積液后造成容積減小，故對式（2）進行修正，求取蘇6-7站管容系數Z，修正后的計算公式：

表1 蘇6-7站壓縮機停機系統實際與理論計算升壓時間對比

通過計算，蘇6-7站管容修正系數Z取0.80，即實際管容為理論計算管容的80%。式（3）為蘇6-7站管道升壓有效時間計算簡式，將式（3）計算結果與實測值進行對比，兩者一致性較好。

2.3 應用效果分析

為了進一步加強式（3）的實用性和可操作性，試驗組隨機抽取蘇36-3站、蘇6-4站開展式（3）的測試工作，測試結果見表2。

表2 蘇36-3、蘇6-4站井組升壓時間測試

如表2所示，蘇36-3站的蘇36-2-25井組和蘇6-4站的蘇6-3-2井組現場測試升壓時間分別為26、10 min，而根據式（3）計算結果分別為26.12、12.62 min，與實測數據符合較好，誤差小，表明根據密閉容器充壓模型建立的集氣站充壓模型，能夠準確反映集氣站管道充壓過程。

本試驗因考慮到集氣站安全平穩運行，避免單井凍堵等原因，井組干管升壓幅度較小，因此驗證結果存在一定的偶然性；另外該次驗證試驗選取蘇36-3站、蘇6-4站兩條干管，選擇范圍較小，也造成公式運用的片面性。為進一步提升式（3）的實際應用效果，為集氣站無人值守后應急控制提供有效借鑒，又通過式（3）對蘇6、蘇36-11井區13座集氣站升壓時間進行計算，結果見表3。

表3 集氣站升壓時間計算結果

通過計算可以看出，集氣站的平均應急時間為28 min左右，其中蘇6-3站升壓時間最快。所得結果對于制訂監測制度可以起到借鑒作用，同時亦可準確地掌握部分場站的壓力運行情況。

后期可根據站內實測與理論計算公式進行對比，優化有效應急時間理論模型。

3 結論與建議

（1）通過分析數字化集氣站的功能，進一步了解無人值守站管理模式及其應急處置管理的重要性，深入分析后得出有效應急時間即為有效使用管段的充壓時間。

（2）通過對應急時間的分析建立了管道充壓模型，并在實際應用中進行驗證。得出理論分析與實際應用的修正關系式，計算出管容修正系數為0.8。

（3）對蘇6、蘇36-11區塊集氣支線的升壓時間進行計算，得到各站及管道的有效應急時間平均為28 min左右，為應急預案的編寫提供了有力依據。

（4）有效應急時間的準確計算對數字化集氣站實現無人值守運行起到了重要作用，實現工作方式由“管理安全”轉換到“安全管理”上。有效應急時間的準確計算為應急小組的統籌安排提供了重要依據，避免粗放式管理造成資源浪費。

為最大限度地獲得事件處置的有效應急時間，提出以下保障措施建議：

（1）將進站井組進行導通，避免部分高產井組提前超壓。

（2）對分離器外輸電動球閥進行調試，確保站內流程遠程制導。

（3）根據計算結果，對事件處置有效應急時間較短的集氣站，可設置中心保障點，以保證集氣站無人值守后安全平穩運行。

[1]王成生，趙國勝，付長亮，等.真空容器充氣時間計算公式的討論[J].真空，2008，45（5）:20-22.

[2]徐樹深.真空容器充氣時間計算[J].真空，2000，（2）:10-12.

[3]朱天壽，劉祎，周玉英，等.蘇里格氣田數字化集氣站建設管理模式[J].天然氣工業，2011，31（2）:9-11.

Modeling of EffectiveEmergency Disposal TimeControl for Digital Gathering Gas Station

Wang Yewei，Chen Zenghui，LiYanjun，Yang Zhaoyong，Hu Chenggang
NO.4 Gas Production Plant，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710021，China

The gas gathering stations in Sulige Gas Field implement unattended digital operation mode gradually.If overpressure happens in such operation mode，emergency disposalbecomes a key matter.This paper derives the formula to calculate the effective pressurizing time of gas gathering station based on tracing the operation of Su 6-7 station and analyzing the pressurizing process and effective emergency disposal time，it further derives the modified calculation formula suitable for Su 6 and Su 36-11 stations through case verification.The pressurizing time of branch gas gathering pipelines is also calculated by the formula.The calculated average emergency disposal time of the stations and branch pipelines is 28 min，which offers a useful base for compiling the emergency plan.

gas gathering station；digitalization；emergency disposaltime；modeling

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.014

王燁煒（1983-），男，陜西咸陽人，助理工程師，2007年畢業于西安石油大學石油工程專業，現從事氣田開發與開采技術工作。

2014-07-13