含硫化氢天然气管道泄漏扩散控制新技术

2018-08-03杨锦林邓远平罗广祥

安全、健康和环境 2018年7期

杨锦林，王旭，赵凯，邓远平，罗广祥

(中国石化西南油气分公司采气一厂，四川德阳 618000)

1 现状

含硫化氢天然气泄漏扩散至大气环境，在大气环境中硫化氢含量达到300 μmol/mol会立即威胁生命和健康。因此SY 6780－2010《高含硫化氢气田集输管道安全规程》规定，H2S平均含量为13% ～15%(体积分数)的天然气埋地集输管道的搬迁距离宜不小于管道两侧个各40 m，应急撤离距离宜不小于管道两侧各1 500 m;天然气裸露集输管道的搬迁距离宜不小于管道两侧各200 m，应急撤离距离宜不小于管道两侧各1 500 m。

常规管道系统安全措施包括距离防护满足GB50183及相关规范要求以外，最主要的是设置采气、集气管道安全截断系统，确保线路爆破情况下能快速关闭邻近的两个阀室。包括安全截断装置、安全泄放装置、安全报警装置;新建集气干线埋设警示带，沿线设置里程桩、转角桩、警示牌等措施。但没有泄漏后阻止扩散的安全措施。本文提出一种含硫化氢天然气泄漏，但不扩散到大气环境的控制技术。

2 泄漏控制新技术

2.1 控制技术管道结构原理

泄漏控制是通过改变管道系统结构、分析预警并配合连锁关断来实现的，管道模型如图1所示，管道系统由酸气管道、保护套管、紧急关断阀、封隔器、传感器、扶正器等组成。将具有上述结构的管道系统称之为CPP管道(Casing Protection Pipeline)，其中酸气管道称之为内管，保护套管称之为外管。外管既起到保护酸气管道的作用，也起到阻止硫化氢气体向大气扩散作用。

图1 CPP模型原理

2.2 泄漏预警分析

泄漏预警分析包括预警理论与实现方法。为便于计算，本文在环形空间充注氮气的压力取0.5 MPa。

2.2.1 内管泄漏预警理论

假设管道建成后在环形空间注入氮气后的状态为初始状态，用P0、T0表示。此后环空压力随温度变化的状态为P1、T1，监视到的压力为P。

根据天然气状态方程[1]PV=ZnRT，其中V即为环形空间的体积，针对特定管道，V为固定不变的数值，ZnR也近似为一个常数。状态方程可以表述为公式(1)。

利用公式(1)可以计算正常状态下，温度变化后环空压力P1，如公式(2)。

如果发生酸气管道泄漏，物质的量n会显著增大导致环空压力P远远超过P1，监控中心监视到的压力会超过P1，即P＞P1。P1即是判断酸气管道泄漏的阈值。取四川地区全年最高环境温度40℃作为环空氮气受影响的最高温度，可以计算出内管泄漏的阈值为0.57 MPa。

2.2.2 外管泄漏预警理论

外管泄漏理论与酸气泄漏的理论完全一致，由于环空泄漏，环空中物质的量n会显著减小，环空压力会显著低于0.5 MPa。取四川地区全年最低环境温度0℃作为环空氮气受影响的最低温度，可以计算出外管泄漏的阈值为0.5 MPa。

2.2.3 泄漏预警方法

内管泄漏预警可以有3种方法。①阈值法，通过理论计算的阈值进行判断，当监视到某管段压力大于预警阈值，发出预警;②历史曲线法，监视压力历史曲线，将某一点数小时或者数日压力数据绘制成曲线，呈持续、异常上升的压力点可以判断为内管泄漏，发出预警;③空间曲线法，将多个管段同一时刻压力绘制成沿管道走向的压力曲线，压力异常升高的点可以判断为内管泄漏，发出预警。

外管泄漏预警同样有3种方法。①当监视到某管段压力低于预警阈值，发出预警;②监视压力历史曲线，将某一点压力呈持续、异常下降的压力点可以判断为外管泄漏，发出预警;③空间曲线法，压力异常下降的点可以判断为外管泄漏，发出预警。

2.3 泄漏控制

泄漏控制包括触发ESDV1、ESDV2阀关断动作，计算关断时泄漏到环形空间的硫化氢总量。

2.3.1 连锁关断控制技术

在管道两端分别设置紧急截断阀ESDV1、ESDV2(图1)，取各个管段监视压力的最大值MaxP=max{P1、P2…Pn}作为内管泄漏连锁紧急截断阀触发信号。如果MaxP到达连锁截断的触发条件，触发紧急截断阀ESDV1、ESDV2关闭气源。按照文中的计算，内管泄漏触发条件MaxP大于0.57即可，为防止仪器仪表误差引发错误触发关断，本文计算中触发条件为MaxP=1.0 MPa。

取各个管段监视压力的最小值MinP=min{P1、P2…Pn}作为外管泄漏连锁紧急截断阀触发信号，如果MinP到达连锁关断的触发条件，触发紧急截断阀关闭气源。外管泄漏触发条件可以设置为MinP=0.3 MPa。

同样，采用历史曲线法和空间曲线法，根据监视情况，可以在监控中心人工触发紧急截断阀。

2.3.2 连锁时间与泄漏量控制

由于各段环形空间体积非常有限，酸气泄漏时环形空间压力上升会非常快，并且压力升高的数值与n呈正相关关系，采用前述触发条件，连锁关断动作时酸气泄漏量与时间可以采用公式(3)与公式(4)计算。

式中:Q酸——酸气泄漏量，m3;

P关——触发关断压力阈值，MPa，取值1.0;

V——CPP管道环形空间体积，m3;

P标——标况压力，MPa，取值0.101;

Q氮——CPP管道环形空间充装的氮气体积，m3;

t——泄漏开始到触发关断所经历时间，min;

q——酸气泄漏速度，m3/min。

由触发连锁关断时泄漏酸性气体量Q酸以及气质组分硫化氢含量C(体积浓度)，可以计算泄漏的硫化氢总量，如公式(5)。

式中:QH2S——硫化氢泄漏量，m3;

C——天然气中 H2S百分含量，本文取13%。

利用公式(3)～(5)可以计算触发连锁关断时泄漏的含H2S天然气总量、连锁关断所需时间、关断时泄漏的硫化氢总量。

以1 000 m CPP管道为例(表1)，假设建设DN200的内管，采用DN300的保护套管，内管与保护套管环形空间充装0℃，0.5 MPa氮气。取最高环境温度40℃，用公式(2)计算酸气泄漏预警阈值为0.57 MPa，预设触发条件为环空压力达到1.0 MPa，利用公式(3)～(5)计算酸气泄漏量、连锁关断触发时间、关断时硫化氢泄漏总量。

表1 1000mDN200CPP管道泄漏控制计算数据

从各种泄漏速度情况下的连锁关断时间可以看出(表2)，即使酸气管道发生泄漏的速度很小，也能够触发连锁关断。而大量泄漏情况表明，普通管道泄漏，在泄漏量较小时，基本不具备连锁关断的能力，发现泄漏完全依靠人工巡查，时间可能长达数天甚至数十天。

表2 CPP管道泄漏连锁关断响应时间与泄漏情况计算数据

从结构原理可知，如果其他条件不变，密封管段长度500 m，预警与触发连锁关断时的泄漏量会下降50%，时间会缩短50%，并且可以类推。连锁关断触发阈值越低，泄漏到环空的酸气总量越小，触发关断时间越短。

2.4 泄漏处置

内管泄漏后，通过环空监视并采取超压连锁关断ESDV阀，关断气源。对泄漏的内管，通过最近安全泄放系统放空，氮气置换后处置。内管降压后，对泄漏到环空的含H2S的天然气，通过取压点引至碱液罐进行中和处理，降低整个管段环空压力至大气压，再用氮气置换后与内管同步补漏或者更换即可。整个处置过程，正常情况下不会向大气环境释放出硫化氢。

2.5 泄漏点定位

除了泄漏扩散范围控制、管道保护以外，CPP管道还能定位泄漏点。如果酸气管道泄漏，泄漏点所在的密封管段环空压力会快速上升，超过其他管段并且超过温度变化引起的压力上限，根据这个现象确定泄漏管段。在CPP模型示意图中，密封的管段长度可以根据泄漏定位的精度要求确定。在管道建设时将一条管道根据工程定位精度需要，按照50～500 m的间隔设置监测管段，可以快速定位，定位的精度就是管段的长度。通过监视各管段环空压力快速下降可以判断套管泄漏及其位置。

2.6 泄漏扩散浓度与搬迁距离

在泄漏处置过程中，如果出现失误如碱液准备不足、操作失误可能引起含硫化氢天然气释放到大气，但释放的总量不高(表2)，扩散范围有限。通过建立虚拟空间均匀扩散模型，可以计算扩散边界的浓度及管道两侧搬迁距离。

虚拟空间均匀扩散模型，是指以泄漏点为中心，虚拟出方形、圆柱形、半球形、椭球形4种空间，假设泄漏的气体均匀充满这个虚拟空间，计算气体平均浓度，作为空间边界的浓度。由于泄漏扩散浓度递减效应，计算的平均浓度其实是边界上气体浓度上限，根据这个浓度上限确定安全防护距离，是一种有效的距离防护。

2.6.1 方形虚拟空间扩散浓度

假设硫化氢均匀扩散到图2所示虚拟空间，分析计算各种距离边界可能的H2S浓度上限。该浓度即为泄漏气体标况下的体积总量所占空间的比例，计算公式如式(6)。

图2 方形虚拟空间均匀扩散示意

式中:Cmax——L距离边界处气体浓度上限，μmol/mol;

Q——泄漏到大气中气体总量，m3;

L——泄漏点管道两侧距离，m;

H——泄漏扩散高度，m。

2.6.2 圆柱形虚拟空间扩散浓度

假设泄漏气体扩散如图3所示呈园柱状，则边界处浓度上限Cmax可用公式(7)计算。

图3 圆柱形虚拟空间均匀扩散示意

2.6.3 半球形虚拟空间扩散浓度

假设泄漏气体扩散如图4所示呈半球状，则边界处浓度上限Cmax可用公式(8)计算。

图4 半球形虚拟空间扩散模型示意

2.6.4 椭球形虚拟空间均匀扩散浓度

假设泄漏气体扩散如图5所示呈椭球状，短轴方向垂直于地平面，长轴方向平行于地平面，呈圆形状扩散，则边界处浓度上限Cmax可用公式(9)计算。

图5 椭球形虚拟空间扩散模型示意

式中:L——椭球体长轴半径，m;

H——椭球体短轴半径，m。

从公式(6)～(9)可以看出，如果知道泄漏气体的总量，就可以计算泄漏点附近各个距离点的最大气体浓度。CPP管道集输技术就是可以控制泄漏总量的一种管道集输技术。

2.6.5 扩散浓度与搬迁距离

公式(6)～(9)表明，泄漏的总量越小，空气中硫化氢浓度越低;应用上述4种均匀扩散模型与环空管段长度、连锁管段阈值、原料气硫化氢含量、扩散高度等变量，计算各种情况下管道两侧L距离处硫化氢浓度。

根据计算，在管道两侧相同距离处，其他条件相同时，采用椭球形虚拟空间均匀扩散模型计算的硫化氢浓度最高，方形虚拟空间均匀扩散模型计算的硫化氢浓度最低，见表3。从提高安全性的角度出发，安全防护距离宜选择椭球形虚拟空间均匀扩散模型。

表3 椭球形虚拟空间H2S均匀扩散浓度计算 μmol/mol

CPP管道两侧的搬迁距离，仍然按照SY 6780－2010搬迁距离的规定，即含硫化氢天然气发生泄漏时，空气中硫化氢浓度可能达到1 000 μmol/mol的距离作为搬迁距离推荐依据。根据表3，可以得到各种情况下CPP管道搬迁距离对照表(表4)。结合对泄漏点定位需求，管道环空分段距离不宜大于200 m，推荐环空分隔管段长度100 m，触发超压连锁关断阈值1.0 MPa，管道两侧搬迁距离推荐25 m。天然气中硫化氢含量小于9%时，推荐管道两侧搬迁距离20 m。

表4 CPP管道安全防护搬迁距离 m

3 泄漏控制实验

3.1 普通管道泄漏控制实验

西南油气分公司在SF31建设500 m实验管道，开展天然气泄漏连锁关断实验，实验井生产为0.6×104m3/d，下游管网输气量为6×104m3/d。实验结果表明在与输气管网连通条件下，测试(0.1～1)×104m3/d泄漏速度，在泄漏点附近压力基本无变化(表5)。说明在上下游气源不断补给的条件下，管道腐蚀穿孔的泄漏强度通常较小，管线压力几乎没有变化，不会触发紧急关断阀的动作。只有在模拟爆管情况下(没有下游气源补充)，当泄漏量达到气井产量1.34倍时，才会触发井口紧急关断阀动作(表6)。

表5 正常输气条件下泄漏点上游压降

表6 模拟爆管泄漏条件下紧急切断阀关断动作实验

3.2 CPP管道泄漏控制实验

为验证管道建设的可行性以及泄漏安全连锁可靠性，在CX93井站建设了一条长约20 m设计压力为4.0 MPa的实验管道。在60 min时间内完成了0.3 MPa 失压，1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa 超压自动连锁关断。实验表明，在很短的时间内就能监视到压力异常上升，并实现自动关断。内管泄漏连锁关断过程没有天然气释放到大气环境。