海上高壓天然氣外輸管道超壓保護(hù)與動(dòng)態(tài)仿真

潘大新，陳 靜，陳文峰，趙方生

海洋石油工程股份有限公司，天津 300450

對(duì)于海上開采的天然氣，通常利用已建或新建的海底管道將天然氣輸送到其他海上平臺(tái)或陸地終端[1-2]。對(duì)于離岸較遠(yuǎn)的海上氣田，通常利用地層壓力或者使用壓縮機(jī)增壓，將天然氣高壓外輸[3-5]。高壓意味著海底管道承壓大、壁厚增加，無(wú)論是材料投資還是施工難度將顯著增大[6]，尤其對(duì)于采用同一壓力源進(jìn)行高低壓同時(shí)外輸?shù)臍馓?，如何保障天然氣在不同壓力下的順利輸送，同時(shí)又降低海底管道的承壓和壁厚，這對(duì)于氣田集輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性都將有很大的影響[7]。動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)可以對(duì)生產(chǎn)的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行模擬，該模擬對(duì)于在流程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)操作、設(shè)定干擾和事故狀態(tài)、確定緊急事故聯(lián)鎖響應(yīng)的安全可靠性以及進(jìn)行安全分析和預(yù)測(cè)都將起到重要作用[8-9]。本文以某海上氣田高壓外輸管道為例，對(duì)其集輸系統(tǒng)的超壓保護(hù)方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究。

1 海管集輸超壓?jiǎn)栴}

該海上氣田一期屬于常規(guī)開發(fā)，井口平臺(tái)天然氣物流經(jīng)過(guò)分離和干燥處理后，通過(guò)壓縮機(jī)一級(jí)增壓到148 bar（1 bar=0.1 MPa），將 60×108m3/a的天然氣經(jīng)管徑18 in（1 in=25.4 mm）、75 km的A海底管道外輸至中心平臺(tái)，其流程示意見(jiàn)圖1。

圖1 某海上氣田一期干氣集輸流程

在二、三期工程中，考慮在各自新開發(fā)氣田建設(shè)處理平臺(tái)，處理后的油氣混輸至該平臺(tái)后，越站進(jìn)入新建終端的管徑30in管道B，因此一期該平臺(tái)流程要滿足與周邊氣田產(chǎn)氣一起輸往規(guī)劃新建終端的能力。根據(jù)目前儲(chǔ)量資源及下游市場(chǎng)情況，統(tǒng)籌考慮二、三期氣田的儲(chǔ)量和產(chǎn)量規(guī)劃，該平臺(tái)干氣壓縮機(jī)增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)立足于滿足區(qū)域60×108m3/a的產(chǎn)氣規(guī)模，以及進(jìn)入海底管道輸往新建終端所需的外輸壓力250bar的要求。其流程示意見(jiàn)圖2。

圖2 某海上氣田二、三期干氣集輸流程

在一期開發(fā)中，干氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)為一級(jí)壓縮，最高設(shè)計(jì)壓力190 bar，A海管承壓與之相同，因此不存在超壓的危險(xiǎn)。而在二、三期開發(fā)中，由于需要考慮干氣同時(shí)去往CEP平臺(tái)和陸地終端，因此干氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)需要增加一級(jí)壓縮，以保證出口壓力滿足最高外輸壓力需求，因此，二級(jí)壓縮機(jī)出口壓力提高到250 bar，設(shè)計(jì)壓力為279 bar。這對(duì)于B海管來(lái)說(shuō)，其最高承壓與之相同，不存在超壓的危險(xiǎn)；而對(duì)于A海管，其外輸壓力為181.5 bar，最高承壓190 bar，因此首先需要考慮對(duì)其實(shí)現(xiàn)降壓輸送，其次需要防止超壓，因而對(duì)于A海管的超壓保護(hù)是研究的重點(diǎn)。

2 海管的降壓和保護(hù)

根據(jù)所需的外輸壓力，在去往CEP平臺(tái)的A海管入口處增加了降壓措施，即新增降壓控制閥PV1511，該閥將干氣壓縮機(jī)出口的操作壓力從250bar降到181.5 bar，同時(shí)還增加了降壓保護(hù)措施，以避免超過(guò)A海管的承壓能力（190 bar）。根據(jù)國(guó)際規(guī)范[10]和國(guó)內(nèi)行業(yè)規(guī)范[11]的要求，對(duì)于降壓之后的壓力保護(hù)措施，需考慮采取壓力高關(guān)斷的一級(jí)保護(hù)和采用安全泄壓裝置（PSV） 或者高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)（HIPPS）的二級(jí)保護(hù)。

（1）考慮采用常規(guī)方案。即新增1個(gè)緊急關(guān)斷閥SDV1515、1個(gè)壓力傳感器PIT1513和2個(gè)壓力泄放閥PSV1530A/B，管道磅級(jí)由2 500 lb降為1 500lb（1lb=0.453 6kg，設(shè)計(jì)壓力按照海管承壓190bar設(shè)計(jì)）。若管道超壓到185 bar，則壓力傳感器PIT1513觸發(fā)SDV1515關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)一級(jí)保護(hù)，二級(jí)超壓保護(hù)通過(guò)PSV泄放實(shí)現(xiàn)，保證壓力不超過(guò)A海管的承壓能力（190 bar）。PSV保護(hù)方案見(jiàn)圖3。

圖3 海管超壓PSV保護(hù)方案

在此方案中，超壓工況考慮控制閥失效，最大流量可達(dá)到約47.5×108m3/a，由于該流量超過(guò)了原火炬系統(tǒng)能力（30×108m3/a），為滿足輻射和噪音要求[12-13]，需將火炬從原76 m延長(zhǎng)到93 m。另外由于泄放時(shí)的壓差較大，導(dǎo)致最低溫度達(dá)到-46.5℃，火炬系統(tǒng)需采用低溫材料。由于海洋平臺(tái)對(duì)上部組塊重量的重心要求嚴(yán)格，增加的近20 m火炬臂將帶來(lái)組塊對(duì)建造重量、運(yùn)輸方案、安裝方案以及對(duì)導(dǎo)管架設(shè)計(jì)的影響，因此該方案不可行。

（2） 考慮采用替代方案HIPPS。該方案包括新增SDV1515、PV1511、PIT1513和高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)HIPPS。在HIPPS之后按1 500 lb降壓設(shè)計(jì)。一級(jí)保護(hù)與常規(guī)方案相同，若一級(jí)保護(hù)失效，壓力繼續(xù)超壓到188 bar，將觸發(fā)HIPPS關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)二級(jí)保護(hù)。HIPPS保護(hù)方案見(jiàn)圖4。

圖4 海管超壓HIPPS保護(hù)方案

由于HIPPS保護(hù)方案不涉及超壓排放[14]，因此對(duì)原火炬系統(tǒng)無(wú)影響。但由于HIPPS自身的特點(diǎn)，壓力將儲(chǔ)存在系統(tǒng)內(nèi)而不是排放掉[15-16]，根據(jù)規(guī)范要求，需保證系統(tǒng)在HIPPS關(guān)斷時(shí)間內(nèi)不超壓。因此對(duì)于采用HIPPS系統(tǒng)，不僅僅只是考慮已增加了設(shè)備即可視作完成保護(hù)，還必須保證系統(tǒng)的壓力波動(dòng)不超過(guò)管道承壓。

3 HY SY S動(dòng)態(tài)模擬仿真與超壓防范措施

對(duì)于海上高壓集輸系統(tǒng)，由于存在儀表的反應(yīng)時(shí)間問(wèn)題，即生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)由于物流過(guò)多或過(guò)少而使生產(chǎn)系統(tǒng)崩潰，常規(guī)穩(wěn)態(tài)方法無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算系統(tǒng)的瞬間壓力變化趨勢(shì)，或偏差太大，或過(guò)于保守[17]；因此可采用HYSYS動(dòng)態(tài)仿真方法模擬接近真實(shí)的流程波動(dòng)情況，分析過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，模擬這種前潰的全過(guò)程[18]。在模擬過(guò)程中對(duì)裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)操作，設(shè)定干擾和事故狀態(tài)，利用HYSYS強(qiáng)大的變量計(jì)算表功能和過(guò)程傳遞函數(shù)功能[19]，研究確定發(fā)生緊急事故時(shí)超壓保護(hù)系統(tǒng)的聯(lián)鎖響應(yīng)安全可靠性[20]。根據(jù)海上平臺(tái)、海管設(shè)施、管道長(zhǎng)度路由等數(shù)據(jù)，建立HYSYS的動(dòng)態(tài)模型，見(jiàn)圖5。

圖5 某海上氣田外輸管道HYSYS動(dòng)態(tài)模型

根據(jù)初步的儀表和配管數(shù)據(jù)，假設(shè)前提如下：第一，SDV1515線性關(guān)閉，行程時(shí)間11 s，閥門Cv=25 000；第二，HIPPS線性關(guān)閉，行程時(shí)間2 s，閥門Cv=25 000；第三，PV線性開關(guān)，行程時(shí)間12 s，閥門Cv=117；第四，管道長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際配管路由和閥門管件當(dāng)量長(zhǎng)度計(jì)算。

（1）工況一：海管出口正常關(guān)閉或發(fā)生堵塞。一級(jí)超壓保護(hù)動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果見(jiàn)圖6，二級(jí)超壓保護(hù)動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果見(jiàn)圖7。當(dāng)海管出口正常關(guān)閉或堵塞時(shí)，海管壓力逐漸升高，在約11.5 min時(shí)探測(cè)到壓力升高到185 bar并觸發(fā)SDV1515關(guān)斷，海管壓力維持在185.1 bar左右；若一級(jí)保護(hù)失效，則在接近20 min時(shí)HIPPS觸發(fā)關(guān)斷，海管壓力188.5 bar左右，兩者都低于海管最高承壓能力（190 bar），因此兩級(jí)保護(hù)滿足要求。

圖6 海管出口關(guān)閉一級(jí)保護(hù)結(jié)果

圖7 海管出口關(guān)閉二級(jí)HIPPS保護(hù)結(jié)果

（2） 工況二：海管入口誤關(guān)閉或發(fā)生堵塞。由于海管入口SDV的關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)于SDV1515或HIPPS的關(guān)閉時(shí)間，因此其超壓保護(hù)結(jié)果與工況一相似。兩級(jí)保護(hù)都能成功防止超壓。

（3）工況三：卡球事故（近平臺(tái)位置）。當(dāng)高壓外輸正常運(yùn)行，低壓海管進(jìn)行清管操作時(shí)，在近平臺(tái)點(diǎn)比如擋板三通處發(fā)生了卡球事故，該工況下一二級(jí)動(dòng)作過(guò)程和壓力動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果見(jiàn)圖8。從結(jié)果可以看出，由于近平臺(tái)位置管道的緩沖容積有限，因此當(dāng)發(fā)生卡球時(shí)，一二級(jí)超壓保護(hù)全部被觸發(fā)，但管道壓力仍然升高到220 bar，超過(guò)了其承壓能力，表明不能實(shí)現(xiàn)超壓保護(hù)。

圖8 卡球事故時(shí)的超壓計(jì)算結(jié)果

（4）工況四：投產(chǎn)時(shí)海管入口閥門未打開。當(dāng)高壓管道正常運(yùn)行，低壓管道投用時(shí)，海管入口閥門沒(méi)有正確打開，此時(shí)的動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果見(jiàn)圖9和圖10。從結(jié)果中可以看出，PV閥發(fā)生劇烈“振顫”，一二級(jí)超壓保護(hù)立刻被觸發(fā)，但管道壓力仍在短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)到250 bar，超過(guò)了管道承壓能力。因此，在此工況下，不能實(shí)現(xiàn)超壓保護(hù)。

圖9 海管投產(chǎn)閥門沒(méi)開時(shí)的超壓保護(hù)結(jié)果

圖10 海管投產(chǎn)閥門沒(méi)開時(shí)PV運(yùn)行情況

（5）針對(duì)上述結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)采取了針對(duì)性的防范措施。第一，當(dāng)?shù)蛪汉９苓M(jìn)行清管操作時(shí)，采用單系列壓縮機(jī)一級(jí)（出口壓力181.5 bar） 進(jìn)行單獨(dú)輸送操作，以限制清管的操作壓力，同時(shí)調(diào)整整個(gè)油田的外輸輸量，以保證低壓海管的清管安全。第二，當(dāng)高壓外輸正常進(jìn)行，而低壓管道需要投用時(shí)，海管入口閥門全部設(shè)置中控聯(lián)鎖，當(dāng)探測(cè)到任一閥門處于“關(guān)閉”狀態(tài)時(shí)，SDV1515和HIPPS無(wú)法打開，無(wú)法投產(chǎn)；只有海管入口閥門全部處于“打開”狀態(tài)，一二級(jí)保護(hù)才能正常投用，低壓海管才允許進(jìn)行投產(chǎn)操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)海上氣田采用同一壓力源進(jìn)行高低壓同時(shí)外輸?shù)姆桨笗r(shí)，對(duì)低壓外輸?shù)牟僮鲏毫统瑝罕Ｗo(hù)是考慮的重點(diǎn)。受制于海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和重量限制，火炬長(zhǎng)度受限，當(dāng)采用常規(guī)PSV方案的大量天然氣泄放不可行時(shí)，可以考慮HIPPS超壓保護(hù)方案。由于存在儀表的反應(yīng)時(shí)間問(wèn)題，需保證在保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)不能超壓。常規(guī)穩(wěn)態(tài)計(jì)算不能精確模擬不同的超壓工況，而動(dòng)態(tài)仿真可以模擬各個(gè)可能發(fā)生的工況過(guò)程和結(jié)果，從而證明緊急事故下超壓保護(hù)系統(tǒng)的聯(lián)鎖響應(yīng)是否安全可靠，同時(shí)對(duì)于不能提供可靠保護(hù)的工況可以提出針對(duì)性的對(duì)策，從而保證海上高壓天然氣集輸系統(tǒng)在各個(gè)工況下的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。