摘 要：高含硫氣田開發(fā)安全風險極大，確保其集輸管網(wǎng)安全經(jīng)濟穩(wěn)定運行具有重要意義。為此，利用完整性操作窗口(IOW)技術對其集輸管網(wǎng)進行了操作風險分析，首先，把管網(wǎng)輸入輸出空間劃分為正常操作、安全警戒、安全危險、災難4個區(qū)域，并根據(jù)管道承受強度、天然氣水合物生成溫度、管道腐蝕影響等因素確定出了管道中天然氣壓力、溫度、流速為輸出區(qū)域敏感變量，集氣站供氣壓力、供氣溫度、供氣量為輸入?yún)^(qū)域敏感變量；然后以相關標準規(guī)范、工程實踐成果等來確定輸出區(qū)域敏感變量不同輸出區(qū)域的邊界；最后，利用HYSYS軟件建立集輸系統(tǒng)的工藝模型，基于確定的輸出區(qū)域變量邊界，按管網(wǎng)輸入輸出區(qū)域的映射關系得到了輸入?yún)^(qū)域變量的邊界，從而可根據(jù)集輸管網(wǎng)運行參數(shù)進行操作風險等級評估。結(jié)果表明：采用IOW技術能夠?qū)敼芫W(wǎng)工藝狀態(tài)進行危險等級劃分，可為制定集輸管網(wǎng)運行策略提供參考。
關鍵詞：高含硫氣田 集輸管網(wǎng) 操作風險 IOW 系統(tǒng)輸入 系統(tǒng)輸出
Operation risk assessment based on IOW of flow and gathering lines in a high-sulfur natural gas field
Abstract：To ensure the safe，steady and cost effective operation of gathering and flow lines is of great significance to the prevention of high risks in the development of a high sulfur gas field．Therefore，we applied the IOW(integrity operating window)teehnology to the operation risk assessment in this subject．First，all the involved input and output space in the gathering and flow lines was divided into normal operation，safety alarm，safety hazard，and disaster prone areas．Then，according to the pipeline strength，natural gas hydrate formation temperature and pipeline corrosion factors，the gas press ure，gas temperature，and gas flow rate in the lines were identified as the sensitive variables of output zones，while the gas pressure，gas temperature，and gas flow volume from natural gas gathering stations were identified as the sensitive variables of input zones．Furthermore，in light of the relevant standards and specifications，engineering practices，etc．，different output zone boundaries of sensitive variables were classified．Finally，the process model of gathering and flow line system was established by use of HYSYS software．Based on the determined output zone boundaries，the input zone boundaries of the sensitive variables were also determined upon the mapping between input and output zones of the line system．The results showed that the IOW technology can be used to assess the risk levels。f process status of lines，which provides helpful information for developing appropriate operation strategies of gathering and flow line systems in a gas field．
Keywords：high-sulfur natural gas field，gathering and flow line system，operation risk，IOW，input of system，output of system
隨著經(jīng)濟發(fā)展對能源需求的不斷增大，我國開始開發(fā)重慶、川東北等地的高含硫氣藏。高含硫天然氣中的H2S、CO2等物質(zhì)對集輸管網(wǎng)具有強烈的腐蝕作用，并且高含硫天然氣容易發(fā)生硫沉積和生成天然氣水合物，極易導致管網(wǎng)發(fā)生故障[1-3]。此外高含硫天然氣中H2S具有劇毒。設備失效、操作失誤、設計不合理、管理疏忽等容易造成輸氣中斷、環(huán)境污染、燃燒爆炸及人員中毒等惡性后果。因此，高含硫氣田集輸管網(wǎng)安全運行至關重要，為確保高含硫氣田集輸管網(wǎng)安全經(jīng)濟穩(wěn)定的運行，進行高含硫氣田集輸管網(wǎng)操作風險分析具有重要意義。
在過去的幾十年里，已開發(fā)和使用各種工藝安全技術，安全檢查表、What-If分析法、故障樹(FT)、事件樹(ET)、危險與可操作性分析法(HAZOP)、失效模式和影響分析法(FMEA)、保護層分析法(LOPA)等是比較常用的方法，可用來辨識工藝故障和確定安全保護措施。完整性操作窗口(Integrity Operating Window，簡稱IOW)技術是近年來新興的一種更為本質(zhì)
的工藝安全技術[4-6]。目前國內(nèi)在利用IOW技術對工藝進行風險分析方面的研究較少，陳煒等[7]介紹了石化裝置IOW技術及應用。國外，Kim J等[4，6]利用IOW技術預防腐蝕，提高化工裝置的可靠性，Kelleher A[5]利用IOW技術對壓力設備進行腐蝕管理。本文利用IOW技術對高含硫氣田集輸管網(wǎng)進行操作風險分析，預防影響正常輸氣的冰堵，減輕管網(wǎng)的腐蝕，預防事故的發(fā)生。
1 IOW技術
IOW技術是指通過預先設定工藝參數(shù)臨界值、操作邊界，使工藝或操作嚴格限制在這些設定的區(qū)域范圍內(nèi)，一旦工藝或操作超出這個范圍，將反饋一個警報，提示工藝或操作已越界，從而提高設備運行的可靠性，預防設備故障[7]。
IOW分析的基本依據(jù)是對整個操作空間的工藝參數(shù)進行分類。Lou等[8]建議分別劃分工藝輸入和輸出空間為4個操作區(qū)域：①區(qū)域Ⅰ，正常操作區(qū)域；②區(qū)域Ⅱ，安全警戒區(qū)域，安全敏感的工藝變化必須處理；③區(qū)域Ⅲ，安全危險區(qū)域，必須立即采取安全保障措施；④區(qū)域Ⅳ，災難區(qū)域，發(fā)生了嚴重的不可逆的工藝變化，并導致災難性的后果。圖1描述了一個普通工藝的操作區(qū)域分類以及輸入輸出空間之間的映射。基于區(qū)域分類，得到一個定量化工藝安全狀態(tài)的工藝操作安全指數(shù)(POS)。
大多數(shù)工藝模型能夠有效描述工藝的正常操作(區(qū)域I)，但應認真核實描述異常區(qū)域(其他3個區(qū)域)系統(tǒng)行為的能力，在區(qū)域工中使用的假設可能在其他區(qū)域中無效，工藝安全模擬重點集中在區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅱ上，兩者合起來稱為警戒危險區(qū)(SAT區(qū))，SAT區(qū)域計算模型稱為工藝安全模型(ProSec模型)，沒有必要模擬區(qū)域Ⅳ，因為當操作進入此區(qū)域，災難已經(jīng)發(fā)生。
1．1 SAT-O區(qū)域和SAT-I區(qū)域之間的映射
SAT-O區(qū)域的系統(tǒng)輸出動態(tài)由SAT-I區(qū)域的輸入決定，根據(jù)工藝輸入可以知道工藝安全狀態(tài)。對一個普通的工藝，輸入紊亂影響輸出需要一定的時間，即時間延遲(記為Dtd)，提前知道安全狀態(tài)的變化，有利于提前采取主動安全措施。圖1用函數(shù)M(X，Y)描述了輸入X和輸出Y之間的映射[8]，函數(shù)可以從ProSec模型得到。在每對鄰近區(qū)域邊界的3個映射函數(shù)是比較關鍵的：Xan®Yan。；Xta®Yta；Xdt®Ydt。
SAT-Ⅰ區(qū)域的辨識非常重要，有利于采取早期措施預防事故。因為如果知道X(t)進入?yún)^(qū)域SAT-I，那么Y(t)在時間Dtd將進入SAT-O區(qū)域。
1．2 工藝操作安全指數(shù)
工藝操作安全指數(shù)(POS)表示偏離工藝正常操作區(qū)域的程度，取值0與1之間，“0”表示安全的狀態(tài)，“1”意味著災難性事故發(fā)生：
式中Y(t)為包含工藝安全敏感輸出變量(如溫度、壓力等)的向量；Y(an)為包含區(qū)域I外邊界輸出變量的向量；Y(dt)為包含區(qū)域Ⅲ外邊界輸出變量的向量。因此‖Ydt-Yan‖為SAT-O空間大小。‖Y(t)-Yan‖為SAT-O為系統(tǒng)進入SAT-O區(qū)域的程度。如果Y(t)位于區(qū)域I，POS不能應用，因為沒有安全問題。注意POS是時間變量，依賴于輸出Y(t)。因此，POS可以反映工藝操作安全程度的變化。
2 高含硫氣田集輸管網(wǎng)簡介及敏感性變量辨識
2．1 高含硫氣田集輸管網(wǎng)簡介
以川東北某高含硫氣田集輸管網(wǎng)3號線為研究對象，如圖2所示，其采用濕氣集輸工藝，天然氣從井口采出后，在集氣站加注水合物抑制劑、緩蝕劑，加熱節(jié)流，單井或多井計量后進入集氣干線保溫混輸，然后在集氣末站分離計量后進入天然氣凈化廠，井站及管網(wǎng)設施簡單。此外集氣站具有對天然氣進行放空和智能清管接收與發(fā)送等功能[9-10]。
2．2 安全敏感性變量辨識
2．2．1SAT-O區(qū)域變量辨識
根據(jù)管道強度、水合物生成的主要影響因素及管道腐蝕影響因素，確定4條管道安全敏感性輸出變量為管道中天然氣壓力、溫度、流速。
2．2．2SAT-I區(qū)域變量辨識
SAT-I區(qū)域變量辨識十分重要，因為它提供潛在失控狀態(tài)的早期信息。L4、L3、L2、L1管道的敏感性輸入變量如下所示。
1)L4管道：P304集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度。
2)L3管道：①P303集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；②P304集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度。
3)L2管道：①P302集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；②P303集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；③P304集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度。
4)L1管道：①P301集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；②P302集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；③P303集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度；④P304集氣站供氣量、供氣壓力、供氣溫度。
3 安全敏感性輸出變量區(qū)域邊界辨識
管道安全敏感性輸出變量區(qū)域邊界的確定考慮以下因素：管道關鍵操作參數(shù)(如管道承受壓力的極限)及其相關標準和法規(guī)；天然氣水合物生成、單質(zhì)硫沉淀等異常現(xiàn)象；天然氣的物理和化學性質(zhì)(如腐蝕性等)。分析這些因素時不僅要研究單根管道的安全性敏感擾動，辨識整個工藝系統(tǒng)的安全狀態(tài)，而且要研究貫穿系統(tǒng)的擾動傳播的綜合影響。
3．1 管道壓力輸出變量區(qū)域邊界辨識
天然氣壓力對管道的安全運行非常關鍵。管道承受最大的壓力取決于其設計和所用的材料。管道的最大允許工作壓力(MAWP)可以根據(jù)安全和健康法規(guī)表示為[11]：
MAWP＝Ts×t×(E/R×FS) (2)
式中Ts是材料的極限強度；t為材料厚度；E為縱向焊縫系數(shù)；R為管道內(nèi)徑；FS為允許的安全系數(shù)。MAWP設置為安全警戒區(qū)的邊界。對于壓力管道，應當用壓力釋放裝置保護，防止壓力上升超過MAWP的10％，故1.1MAWP設為安全危險區(qū)域邊界。認為比正常操作壓力大10％的壓力為正常操作區(qū)域邊界。集氣管線的管材選用直縫埋弧焊鋼管(SAW)，等級為L360，遵循的標準為GB／T 9711．3—2005(1SO 3183-3：1999)《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術條件第3部分：C級鋼管》[9]。對無縫鋼管，E為1。L360鋼管極限強度為460MPa。管道L1、L2、L3、L4壓力輸出空間區(qū)域邊界見表1。
3．2 管道中天然氣溫度輸出變量區(qū)域邊界辨識
由于高含硫天然氣中H2S和CO2等物質(zhì)含量較高，水合物形成溫度較高，天然氣溫度輸出變量區(qū)域邊界主要取決于天然氣水合物的形成溫度。天然氣水合物是在天然氣開采、加工和運輸過程中在一定溫度和壓力下，天然氣中的某些組分和液態(tài)水形成的冰雪復合物，嚴重時能堵塞井筒、管線、閥門和設備，影響天然氣的開采、集輸和加工[1，12]。
氣田采用濕氣輸送方案時，應加熱輸送使集輸管網(wǎng)中天然氣最低溫度高于水合物形成溫度3～5℃，根據(jù)普光氣田已獲氣井氣質(zhì)報告，使用HYSYS軟件計算出不同壓力下天然氣水合物的形成溫度如圖3所示，進末站天然氣水合物形成溫度約24.7℃，考慮5℃的溫度裕量后，末站溫度應為29．7℃。溫度合格判定方法為沿線各節(jié)點及末站接氣點原料天然氣溫度不小于30℃[10]。
天然氣水合物的生成依次包括晶核形成和生長聚集兩個階段。當天然氣壓力不變時，溫度必須低于理論平衡溫度若干攝氏度，并經(jīng)過一定時間誘導才能形成水合物晶核。有關文獻把給定壓力下形成水合物的平衡溫度(Te)與工藝實際運行操作溫度(To)的差值定義為過冷度(DT)，如式(3)所示。而把一定過冷度下形成水合物晶核的時間定義為誘導時間，誘導時間與過冷度之間存在式(4)所示的經(jīng)驗關系。
DT＝Te-To (3)
1gt＝2.1(DT-13.49)-0.225 (4)
式中f表示誘導時間，rain；△丁表示過冷度，℃。
實踐表明過冷度不大于7．49℃時，一般不會形成天然氣水合物；而過冷度大于11.1℃時，在25min以內(nèi)(甚至瞬間)就會形成天然氣水合物[13]。因此可以確定天然氣溫度輸出空間區(qū)域邊界，見表2。
3．3 管道中天然氣流速輸出變量區(qū)域邊界辨識
氣田采用濕氣集輸方案，使集輸管道內(nèi)氣體流速在3m／s以上，并定期清管消除積液，減少管道內(nèi)腐蝕[14]。在整個集輸管網(wǎng)壓力允許的前提下，選擇經(jīng)濟合理的管徑，控制管內(nèi)氣體流速在3～6m／s范圍內(nèi)[3，15]，以保證攜液能力，減少積液，同時達到緩蝕劑應用效果。研究和現(xiàn)場實踐表明氣體流速是影響管道CO2、H2S腐蝕的非常重要的因素。高流速產(chǎn)生的沖刷作用不僅極易破壞管道的腐蝕產(chǎn)物膜，而且阻礙腐蝕產(chǎn)物膜的形成，使管道內(nèi)表面處于裸露的初始腐蝕狀態(tài)。因此，通常是流速增加，腐蝕速率也增加[16]。此外，高流速還會影響緩蝕劑發(fā)揮作用，研究認為當流速大于10m／s時，緩蝕劑不再發(fā)揮作用。流速最大不能超過30m／s，流速太高不僅加速腐蝕和沖蝕，而且會引起管系的閥門(包括控制閥)、特殊管件、管道中物料流向突變的管系、安全閥放空管系等工作時因高流速湍流產(chǎn)生高噪聲[2，17]。因此可以確定天然氣流速輸出變量區(qū)域邊界，如表3所示。
4 安全敏感性輸入變量區(qū)域邊界辨識
通過了解安全敏感輸出變量，根據(jù)輸出變量的限制，研究各種安全敏感輸入變量的區(qū)域界限。一個輸入變量的變化可能導致多條管道移動到不同的操作區(qū)域，在這種情況下，導致任何管道先越過輸出區(qū)域邊界的最嚴格的約束，作為整個集輸系統(tǒng)的特定區(qū)域的邊界。利用HYSYS軟件建造的模型，研究輸入變量變化時對不同管道的影響，在軟件巾用混合器把來自4個集氣站的高含硫天然氣并到集氣干線，使用管段模塊模擬集氣站間的集輸管道。因為所處地形多變，管段模擬中必須考慮海拔變化，使用HYSYS的穩(wěn)態(tài)功能模擬處于不同地形的集輸管網(wǎng)。集輸管網(wǎng)所處地形如圖2所示。
在本文的研究中，當一個輸入變量變化時，所有其他的輸入變量和運行參數(shù)保持在正常操作區(qū)域，然后進行模擬，將來再研究不同干擾的綜合影響。本文將對下列工藝敏感性輸入變量進行研究：①供氣量的變化；②供氣溫度的變化；③供氣壓力變化。詳細說明供氣量、供氣壓力、供氣溫度的變化對不同管道安全敏感擾動的“連鎖效應”。
4．1 P304集氣站供氣量的影響
利用模擬結(jié)果研究P304集氣站供氣量的變化對L4、L3、L2、L1管道中天然氣流速、壓力、溫度的影響，其中對管道中天然氣流速的影響最為明顯。根據(jù)模擬結(jié)果研究L4、L3、L2、L1管道流速變化情況。正常條件下，P304集氣站供氣量為200×104m3／a，當P304正常供氣時，最低流速出現(xiàn)在L4管道，管道氣體流速隨地形變化如圖4所示。當P304供氣量減少時，管道氣體流速會減小。
當P304供氣量為170×104m3／d時，L4管道最低流速為3m／s。當P304供氣量達到249×104m3／d時，L2管道最大流速達到6m／s。當P304供氣量達到282×104m3／a時，L3管道中的最大流速達到6m／s。當P304供氣量達到337×104m3／d時，L4管道最大流速達到6m／s。表4列出了P304集氣站供氣量對整個集輸系統(tǒng)的輸入?yún)^(qū)域邊界。
4．2 P304集氣站供氣溫度的影響
研究P304集氣站供氣溫度對整個集輸管網(wǎng)的影響。P304集氣站供氣溫度設計值為55℃，對P304集氣站不同的供氣溫度進行模擬，檢查L4、L3、L2、L1管道中天然氣溫度的情況。P304集氣站供氣溫度的減小，會導致L4、L3、L2、L1管道中天然氣溫度的降低。L4、L3、L2、L1管道中天然氣最低溫度隨P304集氣站供氣溫度變化如圖5所示?；诠艿乐刑烊粴鉁囟容敵鰠^(qū)域邊界可以確定P304集氣站供氣溫度輸入?yún)^(qū)域邊界。如圖5所示，當P304集氣站供氣溫度為17.2℃時，L4管道最低溫度為17.2℃，當P304集氣站供氣溫度為24.7℃時，L4管道最低溫度為24.7℃，當P304集氣站供氣溫度為30℃時，L4管道最低溫度為30℃。當P304集氣站供氣溫度為17.2℃時，L4管道最低溫度為17.2℃，其他管道最低溫度沒有低于30℃。因此，基于管道中天然氣溫度的P304集氣站供氣溫度的輸入?yún)^(qū)域邊界見表5。
4．3 P304集氣站供氣壓力的影響
P304集氣站供氣壓力增加會對管道有影響，并且影響水合物的形成溫度。當壓力為25MPa時，天然氣水合物的形成溫度為27.6℃。L4、L3、L2、L1管道中，L3管道溫度最低為32.5℃，仍高于天然氣水合物的形成溫度。P304集氣站供氣壓力對管道強度的影響大于對天然氣水合物形成的影響。P304供氣壓力變化對管道最大壓力的影響如圖6所示。當P304集氣站供氣壓力為9.81MPa、10.45MPa、11.49MPa時，L4管道最大壓力達到9.9MPa、10.55MPa、11.60MPa。而L2、L3、L4管道最大壓力均在正常操作區(qū)間內(nèi)。
根據(jù)《川氣出川天然氣管道工程可行性研究報告》要求，凈化氣首站進站壓力為8.0MPa，考慮凈化廠凈化工藝壓力損失0.2～0.3MPa，故普光氣田內(nèi)部集輸工藝在出末站壓力最低壓力為8.2MPa。當P304集氣站供氣壓力為8.93MPa時，L1管道末端輸出壓力為8.2MPa。因此基于管道最大壓力的P304集氣站供氣壓力的輸入?yún)^(qū)域邊界見表6。
根據(jù)類似的原理和方法，可以得出P303、P302、P301集氣站的供氣溫度、供氣壓力、供氣量的輸入?yún)^(qū)域邊界。
5 結(jié)論
1)以高含硫氣田集輸系統(tǒng)為研究對象，基于IOW技術對其操作風險等級評估進行研究。首先辨識工藝安全敏感輸出和輸入變量，然后根據(jù)物理極限、法規(guī)、工程實踐等確定每條管道的安傘敏感輸出變量的區(qū)域邊界。最有意義的是安全敏感輸入變量區(qū)域邊界的辨識。通過模擬各種情形下的工藝狀態(tài)，仔細分析每個輸入變量的變化對整個集輸系統(tǒng)的影響，對輸入變量操作空間分級，評價工藝的安全狀態(tài)，為制定集輸系統(tǒng)運行操作方針提供參考，預防事故的發(fā)生。
2)當選擇一個輸入變量進行SAT-I空間分類時．是建立在固定其他剩余輸入變量在正常操作區(qū)域的基礎上。當不僅僅一個輸入變量變化時，區(qū)域邊界應當重新確定。為了確保工藝安全，如果任何一條管道的輸出變量越過一個特定的區(qū)域邊界，那么就認為整個集輸系統(tǒng)某個安全敏感輸入變量進入一個特定的區(qū)域。
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長輸燃氣管道的安全保護距離
