含硫化氢天然气管道泄漏扩散控制新技术

含硫化氢天然气管道泄漏

扩散控制新技术

杨锦林ꎬ王㊀旭ꎬ赵㊀凯ꎬ邓远平ꎬ罗广祥

(中国石化西南油气分公司采气一厂ꎬ四川德阳㊀

６１８０００)

㊀㊀摘㊀要:从泄漏扩散控制系统结构原理㊁预警方法㊁关断触发㊁泄漏量计算㊁泄漏后的处置㊁泄漏点定位等介绍了ＣＰＰ管道泄漏控制新技术ꎬ并通过虚拟空间均匀扩散模型ꎬ计算了失误情况下扩散范围ꎬ推荐了管道环空封隔长度㊁触发压力阈值和搬迁距离ꎮ通过建设实验管道证实了ＣＰＰ管道泄漏安全连锁控制比普通管道具有显著的优越性ꎮ

关键词:泄漏扩散㊀ＣＰＰ管道㊀预警㊀控制泄漏定位１㊀现状

含硫化氢天然气泄漏扩散至大气环境ꎬ在大气环境中硫化氢含量达到３００μｍｏｌ/ｍｏｌ会立即威胁生命和健康ꎮ因此ＳＹ６７８０－２０１０«高含硫化氢气田集输管道安全规程»规定ꎬＨ２Ｓ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４０ｍꎬ应急撤离距离宜不小于管道两侧各１５００ｍꎻ天然气裸露集输管道的搬迁距离宜不小于管道两侧各２００ｍꎬ应急撤离距离宜不小于管道两侧各１５００ｍꎮ

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ꎬ最主要的是设置采气㊁集气管道安全截断系统ꎬ确保线路爆破情况下能快速关闭邻近的两个阀室ꎮ包括安全截断装置㊁安全泄放装置㊁安全报警装置ꎻ新建集气干线埋设警示带ꎬ沿线设置里程桩㊁转角桩㊁警示牌等措施ꎮ但没有泄漏后阻止扩散的安全措施ꎮ本文提出一种含硫化氢天然气泄漏ꎬ但不扩散到大气环境的控制技术ꎮ２㊀泄漏控制新技术

２.１㊀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㊁分析预警并配合连锁关断来实现的ꎬ管道模型如图１所示ꎬ管道系统由酸气管道㊁保护套管㊁紧急关断阀㊁封隔器㊁传感器㊁扶正器等组成ꎮ将具有上述结构的管道系统称之为ＣＰＰ管道(ＣａｓｉｎｇＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＰｉｐｅｌｉｎｅ)ꎬ其中酸气管道称之为内管ꎬ保护套管称之为外管ꎮ外管既起到保护酸气管道的作用ꎬ也起到阻止硫化氢气体向大气扩散作用ꎮ

图１㊀ＣＰＰ模型原理

２.２㊀泄漏预警分析

泄漏预警分析包括预警理论与实现方法ꎮ为便于计算ꎬ本文在环形空间充注氮气的压力取０ ５ＭＰａꎮ２.２.１㊀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ꎬ用Ｐ０㊁Ｔ０表示ꎮ此后环空压力随温度变化的状态为Ｐ１㊁Ｔ１ꎬ监视到的压力为Ｐꎮ

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

Ｐ１Ｔ１＝Ｐ０Ｔ０＝ＺｎＲＶ

＝Ｃ(１)

利用公式(１)可以计算正常状态下ꎬ温度变化

后环空压力Ｐ１ꎬ如公式(２)ꎮ

Ｐ１＝

Ｐ０Ｔ１Ｔ０＝ＺｎＲＴ１

Ｖ

(２)

如果发生酸气管道泄漏ꎬ物质的量ｎ会显著

增大导致环空压力Ｐ远远超过Ｐ１ꎬ监控中心监视到的压力会超过Ｐ１ꎬ即Ｐ>Ｐ１ꎮＰ１即是判断酸气管道泄漏的阈值ꎮ取四川地区全年最高环境温度

４０ħ作为环空氮气受影响的最高温度ꎬ可以计算出内管泄漏的阈值为０ ５７ＭＰａꎮ２.２.２㊀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ꎬ由于环空泄漏ꎬ环空中物质的量ｎ会显著减小ꎬ环空压力会显著低于０ ５ＭＰａꎮ取四川地区全年最低环境温度０ħ作为环空氮气受影响的最低温度ꎬ可以计算出外管泄漏的阈值为０ ５ＭＰａꎮ２.２.３㊀泄漏预警方法

内管泄漏预警可以有３种方法ꎮ①阈值法ꎬ通过理论计算的阈值进行判断ꎬ当监视到某管段压力大于预警阈值ꎬ发出预警ꎻ②历史曲线法ꎬ监视压力历史曲线ꎬ将某一点数小时或者数日压力数据绘制成曲线ꎬ呈持续㊁异常上升的压力点可以判断为内管泄漏ꎬ发出预警ꎻ③空间曲线法ꎬ将多个管段同一时刻压力绘制成沿管道走向的压力曲线ꎬ压力异常升高的点可以判断为内管泄漏ꎬ发出预警ꎮ

外管泄漏预警同样有３种方法ꎮ①当监视到某管段压力低于预警阈值ꎬ发出预警ꎻ②监视压力历史曲线ꎬ将某一点压力呈持续㊁异常下降的压力点可以判断为外管泄漏ꎬ发出预警ꎻ③空间曲线法ꎬ压力异常下降的点可以判断为外管泄漏ꎬ发出预警ꎮ

２.３㊀泄漏控制

泄漏控制包括触发ＥＳＤＶ１㊁ＥＳＤＶ２阀关断动

作ꎬ计算关断时泄漏到环形空间的硫化氢总量ꎮ２.３.１㊀连锁关断控制技术

在管道两端分别设置紧急截断阀ＥＳＤＶ１㊁ＥＳ￣

ＤＶ２(图１)ꎬ取各个管段监视压力的最大值ＭａｘＰ

＝ｍａｘ{Ｐ１㊁Ｐ２ Ｐｎ}作为内管泄漏连锁紧急截断阀

触发信号ꎮ如果ＭａｘＰ到达连锁截断的触发条件ꎬ触发紧急截断阀ＥＳＤＶ１㊁ＥＳＤＶ２关闭气源ꎮ按照文中的计算ꎬ内管泄漏触发条件ＭａｘＰ大于０ ５７即可ꎬ为防止仪器仪表误差引发错误触发关断ꎬ本文计算中触发条件为ＭａｘＰ＝１ ０ＭＰａꎮ

取各个管段监视压力的最小值ＭｉｎＰ＝ｍｉｎ

{Ｐ１㊁Ｐ２ Ｐｎ}作为外管泄漏连锁紧急截断阀触发信号ꎬ如果ＭｉｎＰ到达连锁关断的触发条件ꎬ触发紧急截断阀关闭气源ꎮ外管泄漏触发条件可以设置为ＭｉｎＰ＝０ ３ＭＰａꎮ

同样ꎬ采用历史曲线法和空间曲线法ꎬ根据监视情况ꎬ可以在监控中心人工触发紧急截断阀ꎮ２.３.２㊀连锁时间与泄漏量控制

由于各段环形空间体积非常有限ꎬ酸气泄漏时环形空间压力上升会非常快ꎬ并且压力升高的数值与ｎ呈正相关关系ꎬ采用前述触发条件ꎬ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ꎮ

Ｑ酸＝

Ｐ关Ｖ

Ｐ标

－Ｑ氮

(３)

酸式中:Ｑ酸 酸气泄漏量ꎬｍ３ꎻ

Ｐ关 触发关断压力阈值ꎬＭＰａꎬ取值１ ０ꎻＶ ＣＰＰ管道环形空间体积ꎬｍ３ꎻＰ标 标况压力ꎬＭＰａꎬ取值０ １０１ꎻＱ氮 ＣＰＰ管道环形空间充装的氮气体积ꎬｍ３ꎻ

ｔ 泄漏开始到触发关断所经历时间ꎬｍｉｎꎻｑ 酸气泄漏速度ꎬｍ３/ｍｉｎꎮ

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)ꎬ可以计算泄漏的硫化氢总量ꎬ如公式(５)ꎮ

ＱＨ２Ｓ＝ＣＱ酸

(５)

式中:ＱＨ２ＳＣ 天然气中Ｈ２Ｓ百分含量ꎬ本文取

１３％ꎮ

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㊁连锁关断所需时间㊁关断时泄漏的硫化氢总量ꎮ

以１０００ｍＣＰＰ管道为例(表１)ꎬ假设建设

ＤＮ２００的内管ꎬ采用ＤＮ３００的保护套管ꎬ内管与保护套管环形空间充装０ħꎬ０ ５ＭＰａ氮气ꎮ取最高

环境温度４０ħꎬ用公式(２)计算酸气泄漏预警阈值为０ ５７ＭＰａꎬ预设触发条件为环空压力达到１ ０ＭＰａꎬ利用公式(３)~(５)计算酸气泄漏量㊁连锁关

断触发时间㊁关断时硫化氢泄漏总量ꎮ

表１㊀１０００ｍＤＮ２００ＣＰＰ管道泄漏控制计算数据

看出(表２)ꎬ即使酸气管道发生泄漏的速度很小ꎬ

也能够触发连锁关断ꎮ而大量泄漏情况表明ꎬ普通管道泄漏ꎬ在泄漏量较小时ꎬ基本不具备连锁关断的能力ꎬ发现泄漏完全依靠人工巡查ꎬ时间可能长达数天甚至数十天ꎮ

表２㊀ＣＰＰ管道泄漏连锁关断响应时间与

泄漏情况计算数据

段长度５００ｍꎬ预警与触发连锁关断时的泄漏量会下降５０％ꎬ时间会缩短５０％ꎬ并且可以类推ꎮ连锁

关断触发阈值越低ꎬ泄漏到环空的酸气总量越小ꎬ触发关断时间越短ꎮ２.４㊀泄漏处置

内管泄漏后ꎬ通过环空监视并采取超压连锁关断ＥＳＤＶ阀ꎬ关断气源ꎮ对泄漏的内管ꎬ通过最近安全泄放系统放空ꎬ氮气置换后处置ꎮ内管降压后ꎬ对泄漏到环空的含Ｈ２Ｓ的天然气ꎬ通过取压点引至碱液罐进行中和处理ꎬ降低整个管段环空压力至大气压ꎬ再用氮气置换后与内管同步补漏或者更换即可ꎮ整个处置过程ꎬ正常情况下不会向大气环境释放出硫化氢ꎮ２.５㊀泄漏点定位

除了泄漏扩散范围控制㊁管道保护以外ꎬＣＰＰ管道还能定位泄漏点ꎮ如果酸气管道泄漏ꎬ泄漏点所在的密封管段环空压力会快速上升ꎬ超过其他管段并且超过温度变化引起的压力上限ꎬ根据这个现象确定泄漏管段ꎮ在ＣＰＰ模型示意图中ꎬ密封的管段长度可以根据泄漏定位的精度要求确定ꎮ在管道建设时将一条管道根据工程定位精度