摘要：我國高含硫氣田大規模開發尚屬首次，缺乏成熟配套的安全控制技術、標準規范和管理體系，安全生產和應急處置面臨一系列技術難題。普光氣田硫化氫含量高、壓力高、集輸系統點多線長，泄漏監測與安全控制要求高，同時由于地形復雜，人口密集，應急處置和應急疏散難度大。為此，①通過建立含硫天然氣泄漏山地擴散模型，對不同生產區域的安全防護距離進行了優化，確定了我國高含硫氣田的安全防護距離；集成紅外、激光、電化學和無線遠程監測，形成了平面布局、立體布防、全方位的天然氣泄漏多元監測體系；優化氣井、集輸、凈化、外輸緊急關斷系統的邏輯關系，創建了大型高含硫氣田上下游一體化的4級聯鎖關斷系統。②應用含硫天然氣泄漏山地擴散模型劃分應急區域，建設了最大規模的緊急疏散通訊系統，通過應急疏散能力評估對應急道路進行了優化，研發了山地消防坦克和遠程點火等裝備，建立了完整的應急處置、人員疏散與應急救援體系，形成了復雜山地高含硫氣田大規模應急疏散與救援技術。這些措施為該氣田綠色、高效開發提供了安全保障。
關鍵詞：普光氣田；高含硫天然氣；天然氣泄漏；泄漏監測；緊急關斷；安全控制；應急疏散；應急管理
普光氣田天然氣中的硫化氫含量高達15%，二氧化碳含量為8%左右，是典型的高含硫酸性氣田，也是目前國內開發的硫化氫含量最高的天然氣田。
普光氣田采用濕氣集輸工藝，集輸系統地形復雜、點多面廣，泄漏風險大[1]，準確快速監測難度大。一旦某個節點發生重大泄漏或應急事故，對上、下游的生產都會產生影響，因而從氣井生產、管道集輸、凈化處理到天然氣外輸的各個環節都要求具有安全可靠的快速響應和聯鎖關斷機制[2]。而且普光氣田地處川東北山區，地形險峻，相對高差最大近1000m，人口稠密，應急救援難度很大。因此，安全控制和應急管理措施成為氣田開發的重中之重。
1 安全控制措施
1.1 天然氣泄漏擴散模擬及防護距離優化
1.1.1復雜地形條件高含硫天然氣泄漏擴散模擬[3]
應用三維數字高程模型、非結構網格劃分、非線性擬合等理論，真實再現普光復雜地形，建立了硫化氫山地擴散模型，模擬復雜山地高含硫天然氣泄漏擴散規律。采用有色煙霧釋放和六氟化硫(SF6)擴散示蹤兩種實驗手段，對復雜山地硫化氫泄漏進行現場模擬實驗，同時對擴散模型進行驗證。共進行10組煙霧釋放實驗，記錄影像150min；5組六氟化硫釋放實驗，收集六氟化硫數據165組。誤差分析表明，模型與實測結果誤差小于±15%。
研究表明，在復雜地形影響下，硫化氫泄漏擴散具有顯著的不確定性，主要表現為：向有利于氣體運動和聚集的地形環境擴散，如：平緩坡地、山澗、山谷、河谷等；沿下風向分布，在泄漏口周邊下風向臨近區域形成穩定危害區域，遠離泄漏口后，在山前、低洼處、氣流通道等易形成危害區域；山體阻擋時，順風逆坡而上，在山體正面形成大面積堆積，危害嚴重；在“U”形山谷大量蓄積，難以擴散，進而產生持續和大面積危害。
1.1.2硫化氫防護距離優化
采用高含硫天然氣泄漏山地擴散模型，結合硫化氫毒理學分析，分別計算出集輸管道、集氣站和凈化廠發生天然氣泄漏的毒性負荷和1000ppm(硫化氫濃度1ppm=1.5mg/m3，下同)瞬間致死濃度硫化氫煙羽擴散距離，以此為參考建立硫化氫安全防護距離。
模擬結果表明：
1) 集輸管道發生高含硫天然氣泄漏時，1000ppm硫化氫煙羽最遠擴散距離為11Om。綜合考慮泄漏監測、緊急關斷等安全保障和應急處置措施，同時參考加拿大EUB標準，將安全防護距離確定為100m。
2) 集氣站發生高含硫天然氣泄漏時，1000ppm硫化氫煙羽最遠擴散距離為286m。氣井井口和井下同時安裝了安全閥，具有遠程關斷、火災易熔塞自動關斷、高低壓限壓關斷等多重關斷措施，同時考慮單井產量高，人口密集，地形復雜等因素，將安全防護距離確定為300m。
3) 凈化廠發生高含硫天然氣泄漏時，1000ppm硫化氫煙羽最遠擴散距離為401m。考慮到凈化廠有6套聯合裝置，凈化處理規模大，為降低安全風險，將凈化廠安全防護距離擴大到800m。
投料試車前，在地方政府的大力支持下，對于設防距離內的2603戶民居全部拆遷，并在管線、站場、凈化廠周邊安全距離處設置了界樁，起提示和警告作用。
1.2 天然氣泄漏多元監測技術
1.2.1集氣站場泄漏監測技術
高含硫天然氣的劇毒性和易燃易爆特性對泄漏的準確、及時監測提出了很高的要求。為提高：泄漏監測的可靠性，在不同的生產裝置區分別采用硫化氫、可燃氣體等監測手段進行實時監測。根據天然氣泄漏擴散模擬結果[3]對生產系統的泄漏監測點進行優化配置。泄漏監測布點原則主要有3點：①根據HAZOP分析和LEAK軟件泄漏頻率計算結果，綜合考慮氣候條件，確定布點方案；②根據工藝流程、裝置設備以及人員活動頻率確定布點方案；③根據特殊地段特點，借鑒國外泄漏監測經驗，確定布點方案。
根據站場工藝流程特點，結合監測儀器特性，在井口、分離器、加熱爐等區域設置硫化氫探測器和可燃氣體探測器，構建立體監測網絡。根據硫化氫比空氣重的特性，硫化氫探測器貼近地面安裝，并可按要求設定報警值?？扇細怏w探測器利用紅外光聲原理探測甲烷濃度。此外還安裝了火焰探測、視頻監控以及報警裝置。監測信號同步遠傳到站控室、中控室、119調度中心和應急指揮中心。
1.2.2閥室泄漏監測技術
在管道截斷閥室配置電子防爆管單元，監測管線的壓力變化并推斷管線是否存在泄漏，根據電子防爆管單元的壓降速率報警。同時還安裝了硫化氫氣體探測器、可燃氣體探測器、狀態指示燈和報警系統，報警狀態直接傳送給中控室。
1.2.3隧道泄漏監測技術
在集輸管道隧道兩端設置電化學式有毒氣體探測器和開路式、紅外吸收補償式可燃氣體探測器，并安裝狀態指示燈實現聲光報警。此外，在隧道內還安裝了新開發研制的激光監測裝置[4]，同時監測甲烷和硫化氫兩種氣體的泄漏，監測距離達到1km，監測靈敏度20ppm，實現了遠距離監測和微量泄漏預警。
普光氣田集輸系統共設置各類泄漏監測裝置900余套，其中在黃家巖隧道、眼梁隧道等5條隧道中安裝了激光監測裝置。
1.2.4無線遠程監測技術
針對氣田開發生產中的氣井放噴作業、檢維修、應急救援與疏散等特殊狀況，利用無線遠程多點布控技術，建立區域監測網絡，跟蹤監測天然氣、硫化氫，以及大氣中的二氧化硫、氧氣等含量，為確定安全區域、指導疏散撤離、保障人員安全提供決策依據。該監測系統由兩臺主機和16臺終端組成。一臺主機用于現場監測，另一臺用于遠程數據傳輸，各終端監測數據無線傳輸到監控站，實現實時監控。無線遠程監測半徑達4km，可一次同時布設32個監測點。
1.3 自動控制與聯鎖關斷
1.3.1 SCADA自動控制系統
普光氣田集輸系統采用SCADA(Suppervisory Control And Data Acquisition System)自動控制系.統，它將先進的計算機技術、工業控制技術和通信技術有機地結合在一起，既具有強大的現場測控功能，又具有極強的組網通信能力，是自動化領域中廣泛應用的重要系統之一。
SCADA系統采用冗余光纖環網作為主干網，5.8G無線網絡為備用。整個SCADA系統分為3大部分：過程控制系統(PCS)、安全儀表系統(SIS)以及中心數據處理系統。在每一個控制節點(站場和閥室)均分別設置兩套子系統：即過程控制系統(PCS)和安全儀表系統(SIS)，作為一個單獨的網絡節點，掛在相同的光纖通信子網及5.8G無線備用網絡上，分別對應實時數據服務器和中心安全儀表系統上傳或下載數據。其中PCS主要負責正常的工藝流程控制和監視，SIS則負責對超出PCS控制范圍的工藝控制對象進行相應的聯鎖保護。
1.3.2上下游聯鎖關斷系統
普光氣田根據生產流程可分為3大系統，即集輸系統(含井口控制系統)、凈化處理系統和天然氣外輸系統。這3大系統有各自獨立的安全控制體系：集輸系統采用SCADA+SIS，凈化廠采用DCS+SIS系統，普光輸氣首站采用SCS+緊急關斷(ESD)系統[2]。3大系統中任意一個系統出現重大泄漏或應急事故，都將直接威脅到上(下)游的安全[5]，因此要求3大系統實現聯鎖關斷，而且要求響應及時，關斷可靠。為此，按全氣田、單線、單站、單元設備劃分區域，實行4級聯鎖。通過優化控制邏輯、優選系統互聯技術，整合3大控制系統，形成集輸、凈化及外輸管道的聯鎖關斷，創建了大型高含硫氣田上下游一體化的4級聯鎖關斷系統。當任何一個系統發生一級關斷時，上下游的其他幾個系統能自動觸發一級關斷，如切斷閥門、關閉井口等，上下游各部分通過聯鎖進行控制，從而大大提高了系統的安全性。
全氣田聯鎖控制緊急關斷邏輯共分為4級：
ESD-1：一級關斷為最高級別，該級別關斷為全氣田關斷(包括井場、集輸、凈化和外輸)。其處理分為兩種方式：緊急關斷并保壓、緊急關斷并放火炬。此級關斷觸發全氣田站場的ESD-1級關斷。
ESD-2：支線關斷或區域聯合裝置級關斷。此級關斷觸發此支線沿線站場的ESD-2級關斷。主要由以下原因觸發：輸氣支線爆管泄漏；線路閥室火災或氣體大量泄漏；手動觸發。
ESD-3：單站關斷。分兩種情況：ESD-3級泄壓關斷和ESD-3級保壓關斷。
ESD-4：單元關斷(站場3級)。此級別關斷應由操作人員確認報警后，自動觸發，切斷相關工藝單元，視具體邏輯啟動局部放空。
普光氣田在投產試運過程中曾3次觸發一級關斷，其可靠性得到了充分的驗證，同時為普光氣田的應急處置和搶修提供了實戰演練的機會。
2 應急管理措施
2.1 復雜山地大型高含硫氣田應急疏散通訊系統
根據硫化氫含量和緊急切斷閥(ESDV)間距，應用含硫天然氣泄漏山地擴散模型研究確定通訊覆蓋范圍，并根據地形地貌和人口分布，確定廣播點數量與位置，在普光氣田各站場、輸氣管道沿線1.5km，凈化廠圍墻外2km危險范圍內建立了世界上最大規模的緊急疏散廣播系統。廣播系統采用800M數字集群+5.8G微波通訊系統。通過研發任意區域、任意組合的分區廣播技術，實現指定區域廣播通訊。研發了應急廣播的實時自檢技術，確保系統完好；研發的集群電話強插廣播技術，實現了緊急狀態下的及時廣播。應急疏散廣播系統共設置6個基站、287個廣播點，范圍達140km2，覆蓋6個鄉鎮23村，6萬多人口。
2.2 應急疏散能力評估與道路優化[6]
根據不同疏散路徑、人口密度、居民的年齡和性別、運行速度、疏散時間以及硫化氫擴散規律等影響因素，對普光地區居民行走速度進行實地測試，運用步行人流模擬(BuildingEXODUS)等軟件對普光氣田應急疏散能力進行評估研究。根據疏散評估結果，優化了應急道路。
在人口密集區域，根據廠(站)、集氣干線分布情況修建了應急主干道。對居住在場站、管道周邊的居民從居住點到應急集合點修建了應急便道。優化后的應急道路呈網狀和枝狀分布，各種道路相互貫通，便于突發事件情況下人員疏散。普光主體共修建了6條應急主干道，道路總長約65km；96條支干道，道路總長約86km。通過企地應急演練，應急疏散快速有序，應急疏散道路滿足需要。
2.3 應急預案體系
結合該氣田實際，制訂了分公司、廠、車間3級應急預案：①分公司級包括1個綜合預案和9個專項應急預案；②廠級(采氣廠、凈化廠)分別包括1個綜合預案和8個專項應急預案；③車間級包括應急處置方案345個(采氣區202個、凈化廠車間143個)。至此，普光氣田初步形成了“一點一案、一事一案”，“橫向到邊、縱向到底”的應急預案體系，填補了國內高含硫氣田應急管理的空白。
2.4 應急指揮系統
普光氣田成立了以生產調度為中心的分公司、廠兩級應急指揮系統。采氣廠、凈化廠生產調度室分別配備4名專職應急管理工程師，以及應急救援中心119調度室值班人員，實行24h監管。
2.5 企地應急聯動機制
建立三級企地應急聯動機制，即：分公司與宣漢縣的一級應急疏散聯動；廠與鄉鎮的二級應急疏散聯動；站與村的三級應急疏散聯動。重點針對凈化廠周邊群眾在突發事故時能夠在最短時間內有序、高效撤離至安全區域，最大限度地降低事故后果。與普光鎮和土主鄉成立了廠鎮應急聯動指揮部，與村聯合成立村社應急聯動小組，制訂了應急聯動程序和處置方案。
同時采取多種形式的安全教育：對凈化廠周邊1500m以內居民發放《應急知識宣傳冊》、《安全告知書》；對普光鎮、土主鄉組織開展群眾教育，開展應急培訓；對應急聯動指揮人員進行應急疏散方案培訓；定期組織疏散演練，使居民掌握應急狀態下的逃生方法等。
2.6 應急救援裝備
為有效應對高含硫氣田各類突發事故，提高應急救援效率，保證救援作業順利實施，根據高含硫天然氣特性和當地特定的地形條件，研發并配備了大量應急救援專用裝備。
2.6.1山地消防坦克
選用國產59式主戰坦克底盤研發了山地消防坦克，可翻越0.5m障礙物，跨越2m寬壕溝，裝備氣體探測儀、氧氣呼吸器、軍用車載喉頭無線對講系統、數碼溫控噴淋啟動裝置等裝備。具有防爆炸、防撞擊、防高溫、防坍塌等性能，加之完善的隔熱、噴淋降溫保護措施，可實現近距離滅火或穿越火場。消防坦克頂部裝有大口徑車載水炮，既可打出水柱也可打出泡沫。同時配備液壓式清障鏟，依靠520馬力(1馬力=735.499W)坦克發動機提供的巨大動力，可撞擊、推鏟、拉拽各種障礙物，確保在各種復雜條件下接近火場滅火或為搶險處置開辟救援通道。
2.6.2渦噴消防車
針對硫化氫氣體不易逸散的特點，研發了第一代強風搶險車。該車安裝液壓軸流式風機，并在排煙通風機四周安裝了水霧滅火系統，是集通風、排煙、除塵、滅火、改變風向等功能于一身的多功能全遙控機器人，可以在距離100m范圍內，對車輛和強風機進行遙控操作，極大地滿足了火場特別是硫化氫泄漏區域、隧道、地鐵或石油化工場所的消防救援需要。2009年研發了強風車的第二代車品——渦噴消防車。該車功能更為強大，利用渦噴發動機產生高速氣流作為載體，將滅火劑撞擊成霧狀的顆粒，以巨大動能，遠距離、高強度、大范圍地噴出直接滅火，提高滅火效率。噴射水霧流有效距離大于等于80m，出口風速70m處達到18m/s(相當于10級大風)，出口風量80m處約為116×104m3/h。該車可以實現正壓送風，改變方向，迅速冷卻降溫，稀釋有毒有害氣體，保護搶險人員人身安全，同時具有防化洗消作用，利用渦噴發動機噴口噴出的燃氣高溫、高速射流，對受污染物體表面連續噴吹清洗。
2.6.3遠程點火裝置
為解決鉆井井噴、酸壓放噴過程中可能發生點火失效的問題，先后嘗試使用弓弩、信號發射器等實施遠程點火，但因無法準確點火而放棄。最終選擇了軍用火焰噴射器改進方案，并研發了遠程點火裝置。該點火裝置射程約60m，火焰溫度2000℃，并可在100m范圍內進行遙控。
3 認識與建議
1) 普光氣田建立了完善的安全控制技術，對不同生產區域的安全防護距離進行了優化，確定了我國高含硫氣田的安全防護距離；集成多種監測手段，形成了平面布局、立體布防、全方位的多元監測體系；在國際上首次創建了上下游一體化的4級聯鎖關斷系統。
2) 建設了世界上最大規模的緊急疏散廣播系統，通過應急疏散能力評估對應急道路進行了優化，研發了山地消防坦克和遠程點火等裝備，建立了完整的應急處置、人員疏散與應急救援體系，形成了復雜山地高含硫氣田大規模應急疏散與救援技術，填補了我國高含硫氣田應急管理技術的空白，能滿足和應對高含硫氣田安全生產和應急管理需要。
3) 普光氣田的安全控制和應急管理技術達到世界領先水平。但在生產運行階段，安全控制技術還需要進一步完善。首先，隨著生產的運行，集輸系統出現不同程度的積液和硫沉積，因此應加強對積液和硫沉積的預防與控制，降低系統的安全風險。其次，要有計劃地開展集輸管道內檢測、氫脆腐蝕監測、缺陷無損檢測以及管道安全性評價技術研究。此外，要對關斷系統進行優化改造，進一步優化聯鎖關斷邏輯。
參考文獻
[1] 何生厚.普光高含H2S、CO2氣田開發技術難題及對策[J]..天然氣工業，2008，28(4)：82-85.
[2] 付建民，陳國明，龔金海，等.酸性氣田集輸系統緊急關斷方案設計[J].天然氣工業，2009，29(6)：94-97.
[3] 李振林，姚孝庭，張永學，等.基于FLUENT的高含硫天然氣管道泄漏擴散模擬[J].油氣儲運，2008，27(5)：38-41.
[4] 于殿強，董金婷，張建，等.天然氣集輸站場CH4及H2S泄漏檢測技術研究[J].油氣田地面工程，2009，28(5)：2-3.
[5] 付建民，陳國明，朱淵，等.緊急關斷閥關斷延遲對天然氣管道泄漏過程的影響[J].化工學報，2009，60(12)：3178-3183.
[6] 席學軍，董文彤，郭再富.復雜山區地形高含硫氣井安全防護距離研究[J].中國安全科學學報，2009，19(12)：66-73.
(本文作者：王壽平1 龔金海2 劉德緒2 王曉霖2 王勇2 1.中國石化股份有限公司中原油田分公司；2.中國石化集團中原石油勘探局勘察設計研究院)
贊 賞 分享
您可以選擇一種方式贊助本站
支付寶轉賬贊助
微信轉賬贊助
