湿天然气集输管道系统危险和可操作性分析

董勇 姚亚男 肖芳（中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司）

引言

在高含硫天然气藏的开发中，集输管道输送工艺对天然气集输系统的安全运行具有十分重要的意义[1]。集输管道系统的工艺过程除集聚危险气体外，外部环境的变化（压力、温度、缓蚀剂等）也直接影响集输管道的安全运行状态。因此，有必要对集输管道系统进行危险和可操作性研究，并对可能造成天然气管道安全隐患的因素进行分析[2]。本文通过采用危险和可操作性分析方法，结合动态过程模拟技术，对影响集输管道系统安全的风险进行识别，并对过程进行危险和可操作性定量评价。

一、湿天然气集输工艺过程简介

随着高含硫天然气田开发规模的扩大，考虑到集输系统的经济性，高压湿天然气集输管道工艺逐渐受到人们的青睐。湿天然气集输工艺是指天然气不经过脱水处理，在水汽饱和条件下输送。湿天然气集输工艺过程主要如下：井口来天然气经一级节流降压后进入井口分离器，进行气液分离，分离后的天然气仍含饱和水蒸气。由于节流降压使天然气温度也同时下降，为避免水合物生成，天然气进入水套加热炉进行一级加热后再经二级节流降压，然后需进入水套炉进行二级加热，以达到外输要求。各井口来气经生产汇管收集计量后外输至集气站进行进一步处理，也可进入单井计量汇管分别计量后外输至集气站进行进一步处理。为控制水合物形成和管道内腐蚀，设置水合物抑制剂和缓蚀剂注入口。

二、湿天然气集输过程危险和可操作性分析

湿气集输过程的安全评价分析方法，主要包括故障类型和影响分析法、i f-wh a t法、事件树、故障树、危险和可操作性分析等。不同方法适用范围不同，危险和可操作性方法相较其他方法分析全面且系统，因此，成为广泛应用的危险性分析方法。

1.危险和可操作性分析方法

危险和可操作性分析的基本原理是以引导词为引导，分析过程工艺中的状态参数，找出参数变化的前因后果并依据分析结果给出改进建议或控制措施。危险和可操作性分析过程如下：

(1)根据湿天然气集输过程工艺仪表安装图（P&I D图）对工艺单元或节点进行划分并确定边界；

(2)使用引导词对节点的状态参数进行偏差分析，偏差通常采用“引导词+工艺参数”的形式；

(3)对产生偏差的原因进行确定，在假设已有的安全措施失效的情况下，对偏差导致的后果进行确定；

(4)进行安全保护的确定，减轻或避免偏差产生导致的后果；

(5)依据对偏差分析的结果，制定改进建议或控制措施。

2.湿天然气集输工艺危险和可操作性分析

以高含硫湿天然气集输工艺为例，采用危险和可操作性分析方法进行分析，发现最重要的偏差主要为3个方面：(1)防止水合物的生成；(2)燃料气系统；(3)腐蚀控制。

（1）防止水合物生成

在高含硫天然气的开发过程中，必须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剂、加热和放空气体。

在正常运营中，为了提高气体温度，主要措施是使用井口加热炉。如果加热炉由于某些原因不能使用，则下游天然气管道会生成水合物。因此必须对加热炉的可用性进行分析，并且分析是否需要在加热炉出口管线上增加低温报警/关井。在高含硫湿天然气集输工艺中，主要采用注入抑制剂的措施来防止水合物生成。

（2）燃料气系统

如果燃料气中存在水，由于管道材料是碳钢，会导致碳钢发生腐蚀，因此必须确认燃料气有足够低的露点。

如果燃料气供应不足，必然导致部分天然气管道的关闭，建议对用户的优先级进行区分，以便在紧急情况发生时，可以按照优先级进行燃料气供应。

（3）腐蚀防护

高含硫湿天然气集输管道系统中的H2O、H2S和 CO2含量很高，容易造成腐蚀，因此必须有腐蚀防护措施。通常控制腐蚀的方法有使用合理的管道材料、防腐探测和注入缓蚀剂。

如果火炬系统的材质是碳钢，放空未注入缓蚀剂的气体会造成腐蚀。虽然火炬系统的低压力会降低腐蚀的可能性，但是考虑到安全性，需考虑使用铬/镍材料的可能性。

三、结合动态模拟的危险和可操作性分析定量评价

1.集输过程风险动态模拟的必要性与可行性

在湿天然气集输管道系统采用危险和可操作性分析，由于偏差偏离大小无法定量描述，因此分析结果对工程指导作用受限。在实际工程中，偏差的大小与安全影响之间的关系往往更有助于制定措施和提出改进意见，因此，在参数较多的情况下，通过危险和可操作性分析，并结合动态过程模拟技术，对风险较大的偏差和对集输管道安全运行影响较大的偏差进行识别和模拟分析，并最终得到定量评估结果。

2.集输工艺动态建模过程

首先采用危险和可操作性分析方法对湿天然气集输管道系统进行分析后，可识别出对过程产生影响的偏差，继而采用动态过程模拟技术，对偏差进行模拟分析，最后得到集输管道系统危险和可操作性的定量评价结果。分析过程如下所示。

(1)采用集总模型计算：首先定义设备尺寸等参数，采用集总模型模拟动态过程，在节省建模及计算时间的同时，满足模拟精度要求；

(2)汇管、分离器、混合器等非线性方程求解由求解器完成；

(3)模型各模块在满足质量守恒的同时，必须满足湿天然气成分守恒公式和能量平衡公式；

(4)模型中各设备热量两相分离、混合、传递涉及的偏微分方程采用隐式E u l e r法求解；

(5)在保证动态变化模拟准确性的同时，为缩短计算时间，模型可对物流成分、能量和体积进行积分时采用不同的步长。

结论

湿天然气集输管道系统的过程风险分析，对集输管道的安全运行具有重要意义。采用危险和可操作性方法，识别系统中的防止水合物生成等直接影响安全运行的风险偏差。结合动态过程模拟技术，提出危险和可操作性定量评估方法，通过模拟分析过程偏差，得到定量分析结果，使风险分析结果更有实际意义。

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

[2]廖学品.化工过程危险性分析[M].北京:化学工业出版社,2000.