基于HYSYS动态模拟的海上无人井口平台管道压力优化设计

衣华磊 朱海山 静玉晓 崔月红 郝 蕴 杨泽军 李瑞龙

(中海油研究总院 北京 100028 )

基于HYSYS动态模拟的海上无人井口平台管道压力优化设计

衣华磊 朱海山 静玉晓 崔月红 郝 蕴 杨泽军 李瑞龙

(中海油研究总院 北京 100028 )

衣华磊,朱海山,静玉晓，等.基于HYSYS动态模拟的海上无人井口平台管道压力优化设计[J].中国海上油气，2017,29(2)：152-155.

YI Hualei,ZHU Haishan,JING Yuxiao,et al.Optimized design of pipe pressure at the offshore unmanned wellhead platforms based on HYSYS dynamic simulation[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(2):152-155.

以某海上无人井口平台工艺设计为基础，运用HYSYS软件对主工艺管线因下游堵塞导致的超压工况进行了动态模拟，通过研究主工艺管线最快升压时间下的产气量，分析井上翼阀(SWV)关闭时间和主工艺管线压力升高的关系，成功将主工艺管线压力等级从2 500#降到了1 500#，将主工艺管线2 500#/1 500#等级压力分界点从压力超压保护系统关断阀后前移到生产管汇前的手动隔离阀后，既实现了降本增效和节能减排，又提升了无人井口平台工艺设计水平，对海上无人井口平台管道压力优化设计具有参考价值。

HYSYS;无人井口平台；主工艺管线；动态模拟；压力等级；管线降压；优化设计

在海上无人井口平台工艺设计中，出于保守考虑，一般把上部主工艺管线按照关井压力进行全压设计，这样上部主工艺管线即使在关井压力条件下也可保证管线不会出现超压工况，但由于缺少对管线内压力是否会达到关井压力工况的研究，从而可能造成整体工艺管线压力等级过高，造成不必要的成本支出。目前，在常规工艺设计基础上的动态模拟计算日益受到重视，国际上包括BP和WorleyParsons等大公司均已开始将动态模拟应用到海上平台工艺设计中[1-4]，国内也逐步开始进行工艺系统动态模拟计算和校核的研究和应用[5-8]，并取得了很好的效果，为工艺设计提供了重要的参考和指导。

某海上气田无人井口平台上部组块工艺流程见图1，根据最大关井压力确定生产管汇压力等级为2 500#，共包含3口生产井，分别汇集到生产管汇后经外输管线进入海管外输，其中在生产管汇上的压力超压保护系统SDV(应急关断阀)后进行了2 500#/1 500#压力等级的划分，在外输海管SDV后进行了1 500#/900#压力等级的划分。根据API RP 14C规范[9]，如果出油管线最大允许工作压力大于最大关井压力，则工艺管线不需设置PSV(压力安全阀)，即工艺管线采用全压设计；同时该规范也指出，如果外输海管SDV上游管线的容积能在超过最大允许工作压力前有足够的时间关闭主阀或翼阀，那么翼阀和与之相连的压力关断设置也可以代替PSV。本文研究的目的就是基于HYSYS软件，通过动态模拟研究工艺管线能够达到的最高压力以及与翼阀关闭时间的关系，尽可能将2 500#/1 500#压力等级划分点向上游移动，从而降低整体工艺系统的压力等级。

图1 某海上气田无人井口平台原工艺流程Fig .1 Original PFD of the offshore unmanned wellhead platform

1 目标气田基础数据

该气田相关井口数据见表1，井筒和配管数据分别见表2、3,井口性能曲线见图2。

按照工程惯例，关断阀关闭速度为25.4 mm/s[10]。因此，对于公称直径为508 mm的阀门，关闭时间不大于20 s；同样，对于152.4 mm的SWV(井上翼阀)关闭，阀门关闭时间不大于6 s。

表1 某海上气田相关井口数据Table 1 Wellhead data of an offshore gas field

表2 某海上气田油管参数Table 2 Tubing parameters of an offshore gas field

表3 某海上气田上部组块工艺管线容积Table 3 Topside process pipeline parameters of an offshore gas field

图2 某海上气田井口性能曲线图Fig .2 Well performance curve of an offshore gas field

2 管线最快升压时间动态模拟

目标气田管线最快升压时间动态模拟采用国际通用的工艺模拟软件HYSYS 7.3进行，热力包选用Peng-Robinson，管段模型选用Pipe Segment，流动模型选用Beggs and Brill(1979)，主要研究不同产气量(56×104～504×104Sm3/d)下海管外输SDV故障关断后，平台上部工艺管线从正常操作压力升高到关井压力(28.5 MPaG)所需要的时间(简称为升压时间)。比较不同产气量的升压时间，记录最快升压时间所对应的产气量作为下一步研究SWV关闭时间的产气量。具体步骤如下：①在某一产气量下稳态运行10 s；②10 s后关闭外输海管SDV，监测油嘴前后的压力和流量；③当工艺管线压力达到关井压力后，模拟完成；④记录压力升高到1 500#等级压力时所需的时间；⑤改变产气量，重复上述步骤。

该气田113×104Sm3/d产气量下主工艺管线升压曲线见图3，可以看出：t1=10 s时，外输海管SDV关闭，管线压力开始上升；t2=17 s时，管线压力达到管线高高关断压力(最大允许工作压力)；t3=50 s时，管线压力达到1 500#等级压力；t4=250 s时，管线压力达到关井压力。因此，该气田在113×104Sm3/d产气量下，外输海管SDV关闭后主工艺管线压力达到1 500#等级压力的时间是40 s。

图3 某海上气田113×104Sm3/d产气量下主工艺管线 升压曲线Fig .3 Main flowline pressure boosting curve with gas flowrate of 113×104Sm3/d of an offshore gas field

分别完成不同产气量下的模拟后，得到一系列时长数据点(图4)。从图4可以看出，140×104Sm3/d产气量下的工艺管线升压最快，其升压至1 500#等级压力的时间仅为32 s。因此，将140×104Sm3/d作为下一步研究SWV关闭时间与管线压力升高情况的产气量值。

图4 某海上气田不同产气量与SWV阀关闭后升压至 1 500#等级压力所需的时间Fig .4 Relationship between different gas flowrates and time speeding in pressure boosting to 1 500# after SWV shut down on an offshore gas field

3 SWV阀关闭时间与主工艺管线升压动态模拟

该模拟是研究目标气田海管外输SDV故障关断后，SWV在设定关闭时间内其下游管线压力是否超过1500#等级压力，模拟用的产气量选用前述得到的升压最快的140×104Sm3/d，模拟工况按SWV在高高关断设定压力(13.5 MPaG)下开始关闭并选择关闭时间分别是6、10、20、30 s的升压情况。

模拟步骤如下：①稳态运行模拟10 s；②10 s后关闭外输海管SDV；③工艺管线压力上升到高高关断压力时SWV开始关闭，第6 s完全关闭SWV；④监测SWV上下游的压力和流量；⑤当SWV完全关闭后，模拟完成；⑥改变SWV关闭时间，重复以上步骤。

完成各工况模拟后，得到该气田不同关闭时间下SWV阀后工艺管线升压曲线(图5)，整理得到模拟结果(表4)。

图5 某海上气田不同SWV关闭时间与SWV阀后工艺 管线压力升高曲线Fig .5 SWV shut down time vs flowline pressure boosting of an offshore gas field表4 某海上气田SWV关闭时间模拟数据汇总Table 4 SWV shut down time summary of an offshore gas field

SWV关闭时间/sSWV关断压力/MPaG最大超压压力/MPaG距离1500#压力余量/MPaG是否超过1500#等级压力613.517.67.4否1013.519.35.7否2013.523.71.3否3013.527.4-2.4是

根据图5和表4可以看出，该气田除SWV关闭时间为30 s时工艺管线压力超过了1 500#等级压力外，其他3个工况下的工艺管线压力均未超过1 500#等级压力。根据这3个工况数据可以拟合得到该气田SWV关闭时间与SWV阀后管线压力关系，如图6所示。

从图6可以看出，该气田上部工艺管线压力从正常压力升高到1 500#等级压力的时间约为23 s，所以该气田152.4 mm的SWV在6 s内关闭足以保证上部工艺管线不会超过1 500#等级压力。因此，可以将该气田工艺管线2 500#/1 500#压力分界点从压力保护系统SDV阀后前移到生产管汇前的手动隔离阀后(图7)，这表明在压力等级降低的同时，也降低了管线的冷放空泄放量和冷放空罐尺寸，实现了降本增效和节能减排。

图6 海上某气田SWV关闭时间与SWV阀后管线压力关系Fig .6 SWV shut down time vs flowfline (behind the SWV) max pressure of an offshore gas field

图7 某海上气田无人井口平台优化后工艺流程Fig .7 Optimized PFD of the wellhead platform of an offshore gas field

4 结论

通过对某海上气田无人井口平台不同产气量条件下工艺管线在SDV故障关闭后的升压模拟，确定了140×104Sm3/d作为升压最快的模拟气量。针对最快升压气量下的SWV阀在不同关闭时间下的动态模拟研究表明，SWV在6 s的关闭时间内足以满足工艺管线不超过1 500#等级压力，因此主工艺管线2 500#/1 500#等级压力分界点可以从压力超压保护系统关断阀后前移到生产管汇前的手动隔离阀后，从而降低了整体工艺管线的压力等级，实现了降本增效和节能减排。

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(编辑：吕欢欢)

Optimized design of pipe pressure at the offshore unmanned wellhead platforms based on HYSYS dynamic simulation

YI Hualei ZHU Haishan JING Yuxiao CUI Yuehong HAO Yun YANG Zejun LI Ruilong

(CNOOCResearchInstitute,Beijing, 100028,China)

In the process design for certain offshore unmanned wellhead platform, dynamic simulation of the major pipe pressure rising in the case of downstream blockage was conducted with HYSYS software. Based on the gas flow rate during the fastest pressure rising time, the relationship between the closing time of SWV and rise in pipe pressure was analyzed. On this basis the main pipe pressure rating was lowered from 2 500# to 1 500# successfully, and the spec break point of 2 500#/1 500# was moved from downstream flange of POPS valve to downstream flange of flowline manual isolation valve before production manifold. By doing so the investment is decreased and the benefit is enhanced, as well as energy saved and emission cut down, which provides a reference for pipe pressure design for offshore unmanned wellhead platforms.

HYSYS; unmanned wellhead platform; main process pipe; dynamic simulation; pressure rating; pipe pressure drop; optimized design

衣华磊，男，高级工程师，2007年毕业于中国石油大学(华东)，现主要从事海上平台的设计与研究工作。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院(邮编：100028)。E-mail：yihl@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)02-0152-04

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.02.022

TE832

A

2016-09-12 改回日期：2016-10-25