高含硫气田开发期间地面集输存在多项挑战,一是高含硫天然气介质具有剧毒和强腐蚀性,硫化氢泄露风险高,安全运行要求高;二是地处复杂山地地貌,人口稠密,管网布局难度大,集输难度大;三是气井含有地层水,特别是运行几年后含水量大,影响集输管道的正常运行,污水处理和回注难度大;四是安全环保要求高。
胜利油田元坝单井平台较多,气井比较分散,最边缘站场距集气总站约33km,需要采用新集输技术工艺。元坝总体集输技术工艺选用“改良的全湿气加热保温混输工艺”。但针对湿气输送过程中的腐蚀风险,确定了以集输管材和缓蚀剂应用为主要内容的综合防腐技术。同时配套应用自动控制、联锁关断和环境保护技术,实现安全、高效和环保开发。
防护措施及安全控制技术
高含硫天然气含有剧毒H2S,一旦发生重大泄露事故,将对人民的生命和财产安全造成巨大损失。因此,安全措施成为高含硫气田开发的重中之重。
站场和管线布置安全措施,集气站场内凡产生有害气体和可燃气体的生产设施,按当地全年最小频率风向布置在站控室或明火区的上风侧;集气站内考虑应急疏散门,每站2个,一个在大门处,一个在装置区围墙上。紧急情况下大门不能及时打开,故在其旁边增设小门,以便应急逃生。
管网布置原则,a)沿线地势险峻、沟壑纵横,属典型山区、深丘地形,且穿越山涧、沟壑多。考虑到多数路段不具备机械施工条件,选线过程中尽量利用现有交通条件,方便运管、堆管、抬管、吊管、组焊以及各种施工机具的进入;山区管线多走山瘠线、垭口,少走合水线及比较陡峭的山顶,经过梯田时尽量垂直穿过,以减少保坎护坡工作量,并可增强管线的稳定性。
自动控制系统的投用
元坝气田17亿立方米/年试采工程地面集输工程的自动控制系统采用以计算机为核心的监控和数据采集(SCADA)系统,该系统将达到在调度控制中心完成对全线进行监控、调度、管理的自动化水平。操作人员在调度控制中心通过SCADA系统可完成对集输系统的监控和运行管理,沿线各站场可达到有人值守,无人操作的运行管理水平,而阀室无人值守。
SCADA系统分为三大部分:过程控制系统(PCS)、安全仪表系统(SIS)和调度中心控制系统。在每个控制接点(站场和阀室)均分别设置两套子系统:过程控制系统(PCS)、安全仪表系统(SIS),作为一个单独的网络节点,挂在相同的光纤通信子网及5.8G无线备用网络上,分别对应实时数据服务器和中心安全仪表系统上传或下载数据。其中PCS主要负责正常的工艺流程控制和监视,SIS则负责对超出PCS控制范围的工艺控制对象进行相应的联锁保护。
泄露检测技术
站场以及阀室设置点式红外可燃气田探测器和电化学式有毒气体探测器以便于探测甲烷和硫化氢浓度。阀室线路截断阀配套电子防爆管单元,可监测管线的压力变化情况,以推断管线是否存在泄漏。隧道中设置开路式、红外吸收补偿式可燃气体探测器和电化学式有毒气田探测器以便于探测甲烷和硫化氢浓度。
含硫天然气泄漏激光监测装置,基于调制半导体激光吸收光谱(TDLAS)学原理,利用二级管激光器的窄线宽和可调谐等特性,完成了用于隧道天然气集输管线泄漏的开放光路激光监测系统的研制和开发。该监测系统采用先进的定标方法设计,运行过程中无需标气,提高了系统的可靠性,可对CH4、H2S气体的特征吸收光谱同步实时监测,测量灵敏度高,测量下限达到PPM量级,由此具有微量泄漏预警技术特点。可监测1000米范围内的含硫天然气泄漏。
紧急关断控制系统
紧急关作用是当发生事故时能及时对系统进行关断,有效控制泄漏并确保人员和设备安全。紧急关断(ESD)功能的设置,ESD功能可在发生事故的情况下确保人员和生产设施的安全,防止环境污染,尽量减少事故造成的影响。系统的关断逻辑由安全仪表系统(SIS)来实现。ESD通过对元坝气田含硫区块生产过程中的所有关键参数(譬如:压力、温度、液位、火/气探测设备)进行连续监视,当检测的安全参数超过限定值时,SIS将按照预定的ESD逻辑立即对生产设备进行操作,力争将生产过程控制到安全的状态,把发生恶性事故的可能性降到最低,保护人员、生产设备及周边环境的安全。在站场进出口设置ESD手动按钮,调度控制中心、集气站控制室设置ESD手操台,阀室设置ESD手操面板。所有的ESD手操设备均是“防误操作”设计。
全气田的ESD紧急关断逻辑共分为4级:ESD-1:气田关断。此级关断需触发气田站场的ESD-3级关断。ESD-2:支线关断。此级关断需触发此支线沿线站场的ESD-3级关断。ESD-3:集气站保压关断。生产流程以及辅助流程均关断,是否启动放空需根据现场实际情况确定,必须由站场指定的操作人员手动确认后触发。ESD-4:单元关断。各工艺单元关断。
安全泄放系统
为保护站场内的各种承压设备及满足管道事故泄放需要,对可能超压的设备、管道设置安全阀及放空系统,放出的气体进入火炬系统燃烧。
集气站场的所有工艺设备、管道放空均进入火炬系统焚烧后排放。集气干线紧急关断后,如果需要放空泄压进行维修作业,管道中的含硫化氢天然气必须通过站场的火炬系统放空,严禁高含硫化氢的天然气不经火炬焚烧冷放。火炬设施包括火炬筒体、塔架、长明灯、点火系统等装置。为了防止空气进入火炬筒体内发生爆炸事故,火炬筒体内通入燃料气作为密封气体。
为了预防事故状态下设备因超压造成破裂,引发更大事故,按照安全阀设置规定要求,在操作过程中可能超压的压力容器上均设置安全阀,安全阀的泄放量、定压、背压、校验和维护均按规定执行。为在事故发生的第一时间对事故可能影响区域内的村民进行报警和通知。
含硫污水运输、装卸过程中安全措施
本工程设计有2台密闭污水罐车拉运含硫污水,卸车过程自动向水罐补氮气;装车过程的天然气回气密闭流程,确保含硫天然气不外泄。污水罐设计有液位连续监测,高液位声光报警,连锁关闭装车泵。
在污水站和注水站装卸车区域均配置有固定式H2S监测仪,24小时连续监测现场H2S浓度,监测仪探头置于现场H2S易泄漏区域,主机安装于远离现场的控制室。配备移动式H2S监测仪,正压式呼吸器和检修时用的现场通风机等,以降低或消除含硫气体对操作人员健康危害。
污水管线防水击和防泄漏的安全措施
用流体模拟软件模拟污水收集过程和水击情况,在分离器出口设置水力控制阀和安全阀,事故时的污水排放至集气站和集气总站的缓冲罐。污水管破裂后会发生污水泄露,污水中含有硫化氢,可能会对周围的人员造成伤害。因此, 在污水管线沿途截断阀室内设置污水截断阀,截断发室内设置压力变送器,检测污水管线压力变化,压力数据上传至中控室,同时要求巡检人员加强巡检。
站场发生气体泄漏报警时,如果在可控范围内,操作人员佩戴正压式空气呼吸器到现场确认,确认后向区调报告现场情况,根据情况启动区级应急预案,并向厂调报告,中控室密切监控;如果达到ESD关断条件,操作人员佩戴正压式空气呼吸器并触发关断后从紧急逃生门撤离就地警戒,向区调报告,启动区级应急预案,向厂调报告,中控室监控确定关断情况,启动厂级应急预案,并向分公司调度汇报。