摘 要：高含硫气田开发安全风险极大，确保其集输管网安全经济稳定运行具有重要意义。为此，利用完整性操作窗口(IOW)技术对其集输管网进行了操作风险分析，首先，把管网输入输出空间划分为正常操作、安全警戒、安全危险、灾难4个区域，并根据管道承受强度、天然气水合物生成温度、管道腐蚀影响等因素确定出了管道中天然气压力、温度、流速为输出区域敏感变量，集气站供气压力、供气温度、供气量为输入区域敏感变量；然后以相关标准规范、工程实践成果等来确定输出区域敏感变量不同输出区域的边界；最后，利用HYSYS软件建立集输系统的工艺模型，基于确定的输出区域变量边界，按管网输入输出区域的映射关系得到了输入区域变量的边界，从而可根据集输管网运行参数进行操作风险等级评估。结果表明：采用IOW技术能够对集输管网工艺状态进行危险等级划分，可为制定集输管网运行策略提供参考。
关键词：高含硫气田 集输管网 操作风险 IOW 系统输入 系统输出
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
随着经济发展对能源需求的不断增大，我国开始开发重庆、川东北等地的高含硫气藏。高含硫天然气中的H2S、CO2等物质对集输管网具有强烈的腐蚀作用，并且高含硫天然气容易发生硫沉积和生成天然气水合物，极易导致管网发生故障[1-3]。此外高含硫天然气中H2S具有剧毒。设备失效、操作失误、设计不合理、管理疏忽等容易造成输气中断、环境污染、燃烧爆炸及人员中毒等恶性后果。因此，高含硫气田集输管网安全运行至关重要，为确保高含硫气田集输管网安全经济稳定的运行，进行高含硫气田集输管网操作风险分析具有重要意义。
在过去的几十年里，已开发和使用各种工艺安全技术，安全检查表、What-If分析法、故障树(FT)、事件树(ET)、危险与可操作性分析法(HAZOP)、失效模式和影响分析法(FMEA)、保护层分析法(LOPA)等是比较常用的方法，可用来辨识工艺故障和确定安全保护措施。完整性操作窗口(Integrity Operating Window，简称IOW)技术是近年来新兴的一种更为本质
的工艺安全技术[4-6]。目前国内在利用IOW技术对工艺进行风险分析方面的研究较少，陈炜等[7]介绍了石化装置IOW技术及应用。国外，Kim J等[4，6]利用IOW技术预防腐蚀，提高化工装置的可靠性，Kelleher A[5]利用IOW技术对压力设备进行腐蚀管理。本文利用IOW技术对高含硫气田集输管网进行操作风险分析，预防影响正常输气的冰堵，减轻管网的腐蚀，预防事故的发生。
1 IOW技术
IOW技术是指通过预先设定工艺参数临界值、操作边界，使工艺或操作严格限制在这些设定的区域范围内，一旦工艺或操作超出这个范围，将反馈一个警报，提示工艺或操作已越界，从而提高设备运行的可靠性，预防设备故障[7]。
IOW分析的基本依据是对整个操作空间的工艺参数进行分类。Lou等[8]建议分别划分工艺输入和输出空间为4个操作区域：①区域Ⅰ，正常操作区域；②区域Ⅱ，安全警戒区域，安全敏感的工艺变化必须处理；③区域Ⅲ，安全危险区域，必须立即采取安全保障措施；④区域Ⅳ，灾难区域，发生了严重的不可逆的工艺变化，并导致灾难性的后果。图1描述了一个普通工艺的操作区域分类以及输入输出空间之间的映射。基于区域分类，得到一个定量化工艺安全状态的工艺操作安全指数(POS)。
大多数工艺模型能够有效描述工艺的正常操作(区域I)，但应认真核实描述异常区域(其他3个区域)系统行为的能力，在区域工中使用的假设可能在其他区域中无效，工艺安全模拟重点集中在区域Ⅱ和区域Ⅱ上，两者合起来称为警戒危险区(SAT区)，SAT区域计算模型称为工艺安全模型(ProSec模型)，没有必要模拟区域Ⅳ，因为当操作进入此区域，灾难已经发生。
1．1 SAT-O区域和SAT-I区域之间的映射
SAT-O区域的系统输出动态由SAT-I区域的输入决定，根据工艺输入可以知道工艺安全状态。对一个普通的工艺，输入紊乱影响输出需要一定的时间，即时间延迟(记为Dtd)，提前知道安全状态的变化，有利于提前采取主动安全措施。图1用函数M(X，Y)描述了输入X和输出Y之间的映射[8]，函数可以从ProSec模型得到。在每对邻近区域边界的3个映射函数是比较关键的：Xan®Yan。；Xta®Yta；Xdt®Ydt。
SAT-Ⅰ区域的辨识非常重要，有利于采取早期措施预防事故。因为如果知道X(t)进入区域SAT-I，那么Y(t)在时间Dtd将进入SAT-O区域。
1．2 工艺操作安全指数
工艺操作安全指数(POS)表示偏离工艺正常操作区域的程度，取值0与1之间，“0”表示安全的状态，“1”意味着灾难性事故发生：
式中Y(t)为包含工艺安全敏感输出变量(如温度、压力等)的向量；Y(an)为包含区域I外边界输出变量的向量；Y(dt)为包含区域Ⅲ外边界输出变量的向量。因此‖Ydt-Yan‖为SAT-O空间大小。‖Y(t)-Yan‖为SAT-O为系统进入SAT-O区域的程度。如果Y(t)位于区域I，POS不能应用，因为没有安全问题。注意POS是时间变量，依赖于输出Y(t)。因此，POS可以反映工艺操作安全程度的变化。
2 高含硫气田集输管网简介及敏感性变量辨识
2．1 高含硫气田集输管网简介
以川东北某高含硫气田集输管网3号线为研究对象，如图2所示，其采用湿气集输工艺，天然气从井口采出后，在集气站加注水合物抑制剂、缓蚀剂，加热节流，单井或多井计量后进入集气干线保温混输，然后在集气末站分离计量后进入天然气净化厂，井站及管网设施简单。此外集气站具有对天然气进行放空和智能清管接收与发送等功能[9-10]。
2．2 安全敏感性变量辨识
2．2．1SAT-O区域变量辨识
根据管道强度、水合物生成的主要影响因素及管道腐蚀影响因素，确定4条管道安全敏感性输出变量为管道中天然气压力、温度、流速。
2．2．2SAT-I区域变量辨识
SAT-I区域变量辨识十分重要，因为它提供潜在失控状态的早期信息。L4、L3、L2、L1管道的敏感性输入变量如下所示。
1)L4管道：P304集气站供气量、供气压力、供气温度。
2)L3管道：①P303集气站供气量、供气压力、供气温度；②P304集气站供气量、供气压力、供气温度。
3)L2管道：①P302集气站供气量、供气压力、供气温度；②P303集气站供气量、供气压力、供气温度；③P304集气站供气量、供气压力、供气温度。
4)L1管道：①P301集气站供气量、供气压力、供气温度；②P302集气站供气量、供气压力、供气温度；③P303集气站供气量、供气压力、供气温度；④P304集气站供气量、供气压力、供气温度。
3 安全敏感性输出变量区域边界辨识
管道安全敏感性输出变量区域边界的确定考虑以下因素：管道关键操作参数(如管道承受压力的极限)及其相关标准和法规；天然气水合物生成、单质硫沉淀等异常现象；天然气的物理和化学性质(如腐蚀性等)。分析这些因素时不仅要研究单根管道的安全性敏感扰动，辨识整个工艺系统的安全状态，而且要研究贯穿系统的扰动传播的综合影响。
3．1 管道压力输出变量区域边界辨识
天然气压力对管道的安全运行非常关键。管道承受最大的压力取决于其设计和所用的材料。管道的最大允许工作压力(MAWP)可以根据安全和健康法规表示为[11]：
MAWP＝Ts×t×(E/R×FS) (2)
式中Ts是材料的极限强度；t为材料厚度；E为纵向焊缝系数；R为管道内径；FS为允许的安全系数。MAWP设置为安全警戒区的边界。对于压力管道，应当用压力释放装置保护，防止压力上升超过MAWP的10％，故1.1MAWP设为安全危险区域边界。认为比正常操作压力大10％的压力为正常操作区域边界。集气管线的管材选用直缝埋弧焊钢管(SAW)，等级为L360，遵循的标准为GB／T 9711．3—2005(1SO 3183-3：1999)《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第3部分：C级钢管》[9]。对无缝钢管，E为1。L360钢管极限强度为460MPa。管道L1、L2、L3、L4压力输出空间区域边界见表1。
3．2 管道中天然气温度输出变量区域边界辨识
由于高含硫天然气中H2S和CO2等物质含量较高，水合物形成温度较高，天然气温度输出变量区域边界主要取决于天然气水合物的形成温度。天然气水合物是在天然气开采、加工和运输过程中在一定温度和压力下，天然气中的某些组分和液态水形成的冰雪复合物，严重时能堵塞井筒、管线、阀门和设备，影响天然气的开采、集输和加工[1，12]。
气田采用湿气输送方案时，应加热输送使集输管网中天然气最低温度高于水合物形成温度3～5℃，根据普光气田已获气井气质报告，使用HYSYS软件计算出不同压力下天然气水合物的形成温度如图3所示，进末站天然气水合物形成温度约24.7℃，考虑5℃的温度裕量后，末站温度应为29．7℃。温度合格判定方法为沿线各节点及末站接气点原料天然气温度不小于30℃[10]。
天然气水合物的生成依次包括晶核形成和生长聚集两个阶段。当天然气压力不变时，温度必须低于理论平衡温度若干摄氏度，并经过一定时间诱导才能形成水合物晶核。有关文献把给定压力下形成水合物的平衡温度(Te)与工艺实际运行操作温度(To)的差值定义为过冷度(DT)，如式(3)所示。而把一定过冷度下形成水合物晶核的时间定义为诱导时间，诱导时间与过冷度之间存在式(4)所示的经验关系。
DT＝Te-To (3)
1gt＝2.1(DT-13.49)-0.225 (4)
式中f表示诱导时间，rain；△丁表示过冷度，℃。
实践表明过冷度不大于7．49℃时，一般不会形成天然气水合物；而过冷度大于11.1℃时，在25min以内(甚至瞬间)就会形成天然气水合物[13]。因此可以确定天然气温度输出空间区域边界，见表2。
3．3 管道中天然气流速输出变量区域边界辨识
气田采用湿气集输方案，使集输管道内气体流速在3m／s以上，并定期清管消除积液，减少管道内腐蚀[14]。在整个集输管网压力允许的前提下，选择经济合理的管径，控制管内气体流速在3～6m／s范围内[3，15]，以保证携液能力，减少积液，同时达到缓蚀剂应用效果。研究和现场实践表明气体流速是影响管道CO2、H2S腐蚀的非常重要的因素。高流速产生的冲刷作用不仅极易破坏管道的腐蚀产物膜，而且阻碍腐蚀产物膜的形成，使管道内表面处于裸露的初始腐蚀状态。因此，通常是流速增加，腐蚀速率也增加[16]。此外，高流速还会影响缓蚀剂发挥作用，研究认为当流速大于10m／s时，缓蚀剂不再发挥作用。流速最大不能超过30m／s，流速太高不仅加速腐蚀和冲蚀，而且会引起管系的阀门(包括控制阀)、特殊管件、管道中物料流向突变的管系、安全阀放空管系等工作时因高流速湍流产生高噪声[2，17]。因此可以确定天然气流速输出变量区域边界，如表3所示。
4 安全敏感性输入变量区域边界辨识
通过了解安全敏感输出变量，根据输出变量的限制，研究各种安全敏感输入变量的区域界限。一个输入变量的变化可能导致多条管道移动到不同的操作区域，在这种情况下，导致任何管道先越过输出区域边界的最严格的约束，作为整个集输系统的特定区域的边界。利用HYSYS软件建造的模型，研究输入变量变化时对不同管道的影响，在软件巾用混合器把来自4个集气站的高含硫天然气并到集气干线，使用管段模块模拟集气站间的集输管道。因为所处地形多变，管段模拟中必须考虑海拔变化，使用HYSYS的稳态功能模拟处于不同地形的集输管网。集输管网所处地形如图2所示。
在本文的研究中，当一个输入变量变化时，所有其他的输入变量和运行参数保持在正常操作区域，然后进行模拟，将来再研究不同干扰的综合影响。本文将对下列工艺敏感性输入变量进行研究：①供气量的变化；②供气温度的变化；③供气压力变化。详细说明供气量、供气压力、供气温度的变化对不同管道安全敏感扰动的“连锁效应”。
4．1 P304集气站供气量的影响
利用模拟结果研究P304集气站供气量的变化对L4、L3、L2、L1管道中天然气流速、压力、温度的影响，其中对管道中天然气流速的影响最为明显。根据模拟结果研究L4、L3、L2、L1管道流速变化情况。正常条件下，P304集气站供气量为200×104m3／a，当P304正常供气时，最低流速出现在L4管道，管道气体流速随地形变化如图4所示。当P304供气量减少时，管道气体流速会减小。
当P304供气量为170×104m3／d时，L4管道最低流速为3m／s。当P304供气量达到249×104m3／d时，L2管道最大流速达到6m／s。当P304供气量达到282×104m3／a时，L3管道中的最大流速达到6m／s。当P304供气量达到337×104m3／d时，L4管道最大流速达到6m／s。表4列出了P304集气站供气量对整个集输系统的输入区域边界。
4．2 P304集气站供气温度的影响
研究P304集气站供气温度对整个集输管网的影响。P304集气站供气温度设计值为55℃，对P304集气站不同的供气温度进行模拟，检查L4、L3、L2、L1管道中天然气温度的情况。P304集气站供气温度的减小，会导致L4、L3、L2、L1管道中天然气温度的降低。L4、L3、L2、L1管道中天然气最低温度随P304集气站供气温度变化如图5所示。基于管道中天然气温度输出区域边界可以确定P304集气站供气温度输入区域边界。如图5所示，当P304集气站供气温度为17.2℃时，L4管道最低温度为17.2℃，当P304集气站供气温度为24.7℃时，L4管道最低温度为24.7℃，当P304集气站供气温度为30℃时，L4管道最低温度为30℃。当P304集气站供气温度为17.2℃时，L4管道最低温度为17.2℃，其他管道最低温度没有低于30℃。因此，基于管道中天然气温度的P304集气站供气温度的输入区域边界见表5。
4．3 P304集气站供气压力的影响
P304集气站供气压力增加会对管道有影响，并且影响水合物的形成温度。当压力为25MPa时，天然气水合物的形成温度为27.6℃。L4、L3、L2、L1管道中，L3管道温度最低为32.5℃，仍高于天然气水合物的形成温度。P304集气站供气压力对管道强度的影响大于对天然气水合物形成的影响。P304供气压力变化对管道最大压力的影响如图6所示。当P304集气站供气压力为9.81MPa、10.45MPa、11.49MPa时，L4管道最大压力达到9.9MPa、10.55MPa、11.60MPa。而L2、L3、L4管道最大压力均在正常操作区间内。
根据《川气出川天然气管道工程可行性研究报告》要求，净化气首站进站压力为8.0MPa，考虑净化厂净化工艺压力损失0.2～0.3MPa，故普光气田内部集输工艺在出末站压力最低压力为8.2MPa。当P304集气站供气压力为8.93MPa时，L1管道末端输出压力为8.2MPa。因此基于管道最大压力的P304集气站供气压力的输入区域边界见表6。
根据类似的原理和方法，可以得出P303、P302、P301集气站的供气温度、供气压力、供气量的输入区域边界。
5 结论
1)以高含硫气田集输系统为研究对象，基于IOW技术对其操作风险等级评估进行研究。首先辨识工艺安全敏感输出和输入变量，然后根据物理极限、法规、工程实践等确定每条管道的安伞敏感输出变量的区域边界。最有意义的是安全敏感输入变量区域边界的辨识。通过模拟各种情形下的工艺状态，仔细分析每个输入变量的变化对整个集输系统的影响，对输入变量操作空间分级，评价工艺的安全状态，为制定集输系统运行操作方针提供参考，预防事故的发生。
2)当选择一个输入变量进行SAT-I空间分类时．是建立在固定其他剩余输入变量在正常操作区域的基础上。当不仅仅一个输入变量变化时，区域边界应当重新确定。为了确保工艺安全，如果任何一条管道的输出变量越过一个特定的区域边界，那么就认为整个集输系统某个安全敏感输入变量进入一个特定的区域。
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