毕新忠1，赵华1，张军2
（1?中国石化胜利油田分公司桩西采油厂，山东 东营 257237；2?中国石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026）
摘要：针对元坝气田天然气高含硫化氢和二氧化碳的特点，集输系统采用改良的湿气集输工艺，通过加热及水合物抑制剂有效控制水合物生成；通过污水管道将集气站分出的污水输送到污水站集中处理回注。介绍了高含硫集输系统设计需要采取的安全措施。
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关键词 ：高含硫；湿气分输；安全设计要求；安全控制技术
中图分类号：X 954文献标识码：A
收稿日期：2015-01-20
第一作者简介：毕新忠（1970-），男，高级技师，从事油气集输管理工作。
高含硫气田开发期间地面集输设计的难点：一是高含硫天然气介质具有剧毒和强腐蚀性，硫化氢泄漏风险高，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。
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33 km；元坝总体集输工艺路线推荐“改良的全湿气加热保温混输工艺”。单井站→集气站：采用湿气加热保温、气液混输工艺；集气站→集气总站：采用湿气加热保温、气液分输工艺，井口天然气经节流、分离、加热、计量后外输，其中外输原料气采用“加热保温＋注缓蚀剂”工艺经集气支线进入集气干线，然后输送至集气总站，集气站分离出来的生产污水外输至元坝29污水站处理后回注地层；输送至集气总站的原料气再次分水，生产污水输送至大坪污水站处理后回注地层，含饱和水蒸气的酸气则送至净化厂进行净化后外输。元坝地面集输管网布局如图1所示。
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。
1集输工艺
1?1湿气集输工艺流程
湿气分输工艺主流程如下：
采用井场分离采出水和凝结水的湿气集输工艺，与两相混输工艺相比，井场设备多了分离器。污水可以通过车拉或管道输送到污水站。分水湿气输送方案主要有以下优点：
（1）集输管道在正常情况下为单相输送，清管通球的频率减少，方便操作管理；
（2）采出地层水量大时，流程适应能力较强。后期可以计量地层出水情况；
（3）形成段塞流几率小。
1?2水合物防治技术
为了防止高压天然气在节流和输送过程中形成水合物，必须采取防止水合物形成的措施，通常采用的措施有加热、加抑制剂两种方法。
目前常用的加热设备为水套加热炉。水套加热炉适用于热负荷波动范围较大的场合，其易于操作和控制，使用也比较安全。经分离后的天然气进入加热炉加热，在压力和水含量不变的情况下，加热后的天然气中的水含量将处于不饱和状态，亦即天然气温度高于其露点温度，因而可以防止水合物的形成。
正常生产时，气田采用水套加热炉加热防止水合物的形成；事故工况和开停工状况下则采用注抑制剂方式防止水合物形成。
1?3污水收集及处理技术
元坝气田的生产污水主要来自于各集气站和集气总站分离出来的污水，分离出的污水经污水收集管线输送到污水站集中处理，污水管线与酸气管线同沟敷设。
污水处理主流程如下：
污水来水→压力两相污水接收罐 →污水池→污水提升泵→双滤料过滤器→精细过滤器缓冲罐→外输泵→污水外输回注
1?4阀室设置
根据SY/T 0612-2008《 高含硫化氢气田地面集输系统设计规范》高含硫气田需要设置阀室，其主要作用是限制H2S最大泄漏量，缩小扩散范围，降低泄漏后环境中H2S浓度。阀室的数量由公式（1）计算确定。
式中：
D0——酸气管线的内径（m）；
L——ESD阀室的间距（m）；
P1——酸气管道的操作压力（MPa）；
C0——H2S的摩尔浓度；
VH2S——H2S的释放量（m3）；
P0——标况下的压力，P0=0?1 MPa。
2综合防腐技术
气田集输系统腐蚀防护采用 “抗硫管材+缓蚀剂+腐蚀监测+阴极保护+智能清管”的综合防腐工艺，在选用抗腐蚀材质的基础上，加注缓蚀剂减缓系统腐蚀，采用腐蚀监测手段随时跟踪监测系统腐蚀状况，同时定期清管保持系统处于相对“干燥”状态，从而降低酸性气体的腐蚀影响。
2?1材料选择
在酸气系统中，存在高浓度的H2S、CO2（并可能存在氯离子和单质S）等多种腐蚀物质，腐蚀环境极其恶劣。依据执行NACE MR0175/ISO 15156《石油天然气生产中-含硫化氢环境中原材料使用规定》标准，集输管道和设备选材要求如下：
（1）酸气集输管道及管件选用L360QS无缝钢管，腐蚀余量取3?2 mm，并对材料的纯净度、杂质的形态控制、钙化处理、S、P等有害元素进行严格的限定，控制材料的硬度，模拟现场条件对所选抗硫管材进行SSC、HIC试验和评价，以及焊接工艺评定。
（2）设备材料的选择：压力容器以抗硫碳钢材料为主，如Q345R（HIC）、Q245R（HIC）和16Mn（HIC）锻件等，对材料本体在化学成分、力学性能、晶粒度、带状组织、低温冲击韧性、热处理、硬度，以及抗HIC、SSC、SOHIC性能评价等方面进行抗硫限定。
2?2集输管道内防腐
在井口及出站管线处加注缓蚀剂以抑制内腐蚀的发生，保证集输系统平稳安全的运行；建立在线腐蚀监测系统，实现对缓蚀剂效果及集输系统腐蚀状态的在线监测分析。
（1）缓蚀剂加注。缓蚀剂加注采用缓蚀剂预涂膜+缓蚀剂连续加注+缓蚀剂批处理联合工艺。
①预涂膜缓蚀剂：在系统投产前利用清管器携带油溶性缓蚀剂对站外集输管线内壁进行预涂膜。
②连续加注缓蚀剂：在井口处连续加注缓蚀剂。
③批处理缓蚀剂：为了增强连续加注缓蚀剂的保护效果，结合腐蚀监测情况，每年采用油溶性缓蚀剂定期进行处理，按每月1次批处理操作。
（2）腐蚀监测系统。站场采用了腐蚀挂片（CC）、电阻探针（ER）、线形极化探针（LPR）、定期进行铁离子分析，及时了解腐蚀情况。在线路管道上采用电指纹（FSM）系统进行监测，随时掌握管道的腐蚀数据。
除腐蚀挂片外的所有在线监测方法测量的数据可通过网络传至站控室和中控室，进行实时在线监测和数据分析处理。通过对腐蚀监测数据进行分析，可及时了解系统腐蚀状况，以便及时调整缓蚀剂的配方、加注量及批处理频率等参数，优化防腐措施，有效防止腐蚀的加剧，保证管道的安全运行。
3安全控制技术
3?1智能检测
智能检测是利用管道变形及腐蚀检测器进行检测，可对管道缺陷及设施进行准确定位，及时了解管线变形及腐蚀情况，掌握管道的原始数据，并在投产后进行周期性检测对比，预测泄漏发生的可能性，为系统的及时维护与检修提供科学依据。
智能检测技术包括管道清洁、几何变形检测、漏磁金属损失检测，以及管道内壁、轴向沟槽、环向槽等的腐蚀情况。通过对管道的基线检测，能够对管道缺陷及设施定位，为今后的检测提供对比分析数据，以便及时掌握管线的变形及腐蚀情况，合理地调整生产运行参数和防腐措施。
3?2防护措施及安全控制技术
高含硫天然气含有剧毒H2S，一旦发生重大泄漏事故，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。
（1）站场布置安全措施：
①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。
②集气站内设置应急疏散门，每站两个，一个在大门处，另一个在装置区的围墙上。为了防止紧急情况下不能及时打开大门，故在其旁边增设小门，以便应急逃生。
（2）管网布置原则：
①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，选线过程中应尽量利用现有交通条件，以方便运管、堆管、抬管、吊管、组焊，以及各种施工机具的进入。
②山区管线应多走山瘠线、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。
3?3自动控制系统
元坝气田17亿m2/a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系统即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。
3?4泄漏检测技术
（1）泄漏监测：
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。
（2）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，具有微量泄漏预警技术特点。可监测1 000 m范围内的含硫天然气泄漏情况。
3?5紧急关断系统
紧急关断控制系统的作用是：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。
（1）紧急关断（ESD）功能设置：
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可对元坝气田含硫区块生产过程中的所有关键参数（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。
（2）紧急关断系统关断级别划分：
全气田的ESD紧急关断逻辑共分为以下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。
3?6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要求，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。
（1）放空火炬：
集气站场的所有设备、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。
（2）安全阀：
为了预防事故状态下设备因超压造成破裂，引发更大的事故，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。
（3）紧急疏散广播系统：
为在事故发生的第一时间对事故可能影响区域内的居民进行报警和通知，设计了紧急疏散广播系统，事故地点通过电话或网络向指挥中心发送信息，按照储存好的方案，将广播信号通过基站发送给相应的终端。
该系统通过分户报警通知方式和分址调频控制防空警报方式对需要疏散的居民进行通知。分户紧急疏散广播系统主要针对室内居民进行通知，通过安装在每户中的报警通知终端设备对冬季密闭房屋内熟睡的居民进行报警通知。通过自动化和分组管理，该报警通知系统报警内容的清晰、明了，能够实现分组广播、分区疏散，可最大限度的保障居民的安全。
3?7防硫化亚铁自燃措施
对可能存在硫化亚铁的容器或管道进行检修时，应进行充水作业和润湿，以防止硫化亚铁自燃。在装置区收发球筒、分离器等设备处设置了清水龙头，操作收发球筒和检修设备时对设备进行完净化气、氮气置换后，还需加清水置换后再打开收发球筒和设备。
对管道进行缓蚀剂预涂膜和定期批处理，在管道上形成防护膜，以减少管道腐蚀及硫化亚铁的生成。
3?8含硫污水运输、装卸过程中安全措施
本工程设计有两台密闭污水罐车拉运含硫污水，卸车过程能够自动向水罐补充氮气；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、高液位声光报警装置，能够连锁关闭装车泵。
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的危害。
3?9污水管线防水击、防泄漏的安全措施
采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，发生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漏，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，截断阀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。
3?10人员逃生和救生措施
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，并根据事故状况启动区级应急预案，同时向厂调报告，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。
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参考文献：
［1］国家发展和改革委员会.SY/T 0612-2008高含硫化氢气田地面集输系统设计规范［S］.北京：石油工业出版社，2008
