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㊀６１８０００)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)ꎮＰ１Ｔ１＝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)ꎮＰ１＝Ｐ０Ｔ１Ｔ０＝ＺｎＲＴ１Ｖ(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ꎮ２.３㊀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ꎮＱ酸＝Ｐ关ＶＰ标－Ｑ氮(３)酸式中:Ｑ酸 酸气泄漏量ꎬｍ３ꎻＰ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ꎬｍ３ꎻｔ 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)ꎮＱＨ２Ｓ＝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需要ꎬ按照５０~５００ｍ的间隔设置监测管段ꎬ可以快速定位ꎬ定位的精度就是管段的长度ꎮ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ꎮ２.６㊀泄漏扩散浓度与搬迁距离在泄漏处置过程中ꎬ如果出现失误如碱液准备不足㊁操作失误可能引起含硫化氢天然气释放到大气ꎬ但释放的总量不高(表２)ꎬ扩散范围有限ꎮ通过建立虚拟空间均匀扩散模型ꎬ可以计算扩散边界的浓度及管道两侧搬迁距离ꎮ虚拟空间均匀扩散模型ꎬ是指以泄漏点为中心ꎬ虚拟出方形㊁圆柱形㊁半球形㊁椭球形４种空间ꎬ假设泄漏的气体均匀充满这个虚拟空间ꎬ计算气体平均浓度ꎬ作为空间边界的浓度ꎮ由于泄漏扩散浓度递减效应ꎬ计算的平均浓度其实是边界上气体浓度上限ꎬ根据这个浓度上限确定安全防护距离ꎬ是一种有效的距离防护ꎮ２.６.１㊀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ꎬ分析计算各种距离边界可能的Ｈ２Ｓ浓度上限ꎮ该浓度即为泄漏气体标况下的体积总量所占空间的比例ꎬ计算公式如式(６)ꎮ图２㊀方形虚拟空间均匀扩散示意Ｃｍａｘ＝Ｑ２Ｌˑ２ＬˑＨˑ１０６(６)式中:Ｃｍａｘ Ｌ距离边界处气体浓度上限ꎬμｍｏｌ/ｍｏｌꎻＱ 泄漏到大气中气体总量ꎬｍ３ꎻＬ 泄漏点管道两侧距离ꎬｍꎻＨ 泄漏扩散高度ꎬｍꎮ２.６.２㊀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ꎬ则边界处浓度上限Ｃｍａｘ可用公式(７)计算ꎮＣｍａｘ＝Ｑ３.１４ˑＬˑＬˑＨˑ１０６(７)图３㊀圆柱形虚拟空间均匀扩散示意２.６.３㊀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ꎬ则边界处浓度上限Ｃｍａｘ可用公式(８)计算ꎮＣｍａｘ＝Ｑ２.０９ˑＬˑＬˑＬˑ１０６(８)图４㊀半球形虚拟空间扩散模型示意２.６.４㊀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ꎬ短轴方向垂直于地平面ꎬ长轴方向平行于地平面ꎬ呈圆形状扩散ꎬ则边界处浓度上限Ｃｍａｘ可用公式(９)计算ꎮ图５㊀椭球形虚拟空间扩散模型示意Ｃｍａｘ＝Ｑ２.０９ˑＬˑＬˑＨˑ１０６(９)式中:Ｌ 椭球体长轴半径ꎬｍꎻＨ 椭球体短轴半径ꎬｍꎮ从公式(６)~(９)可以看出ꎬ如果知道泄漏气体的总量ꎬ就可以计算泄漏点附近各个距离点的最大气体浓度ꎮＣＰＰ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ꎮ２.６.５㊀扩散浓度与搬迁距离公式(６)~(９)表明ꎬ泄漏的总量越小ꎬ空气中硫化氢浓度越低ꎻ应用上述４种均匀扩散模型与环空管段长度㊁连锁管段阈值㊁原料气硫化氢含量㊁扩散高度等变量ꎬ计算各种情况下管道两侧Ｌ距离处硫化氢浓度ꎮ根据计算ꎬ在管道两侧相同距离处ꎬ其他条件相同时ꎬ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ꎬ方形虚拟空间均匀扩散模型计算的硫化氢浓度最低ꎬ见表３ꎮ从提高安全性的角度出发ꎬ安全防护距离宜选择椭球形虚拟空间均匀扩散模型ꎮ表３㊀椭球形虚拟空间Ｈ２－２０１０搬迁距离的规定ꎬ即含硫化氢天然气发生泄漏时ꎬ空气中硫化氢浓度可能达到１０００μｍｏｌ/ｍｏｌ的距离作为搬迁距离推荐依据ꎮ根据表３ꎬ可以得到各种情况下ＣＰＰ管道搬迁距离对照表(表不宜大于２００ｍꎬ推荐环空分隔管段长度１００ｍꎬ触发超压连锁关断阈值１ ０ＭＰａꎬ管道两侧搬迁距离推荐２５ｍꎮ天然气中硫化氢含量小于９％时ꎬ推荐管道两侧搬迁距离２０ｍꎮ表４㊀ＣＰＰ管道安全防护搬迁距离ｍ３㊀泄漏控制实验３.１㊀普通管道泄漏控制实验西南油气分公司在ＳＦ３１建设５００ｍ实验管道ꎬ开展天然气泄漏连锁关断实验ꎬ实验井生产为０ ６ˑ１０４ｍ３/ｄꎬ下游管网输气量为６ˑ１０４ｍ３/ｄꎮ实验结果表明在与输气管网连通条件下ꎬ测试(０ １~１)ˑ１０４ｍ３/ｄ泄漏速度ꎬ在泄漏点附近压力基本无变化(表５)ꎮ说明在上下游气源不断补给的条件下ꎬ管道腐蚀穿孔的泄漏强度通常较小ꎬ管线压力几乎没有变化ꎬ不会触发紧急关断阀的动作ꎮ只有在模拟爆管情况下(没有下游气源补充)ꎬ当泄漏量达到气井产量１ ３４倍时ꎬ才会触发井口紧急关断阀动作(表６)ꎮ表５㊀正常输气条件下泄漏点上游压降表６㊀模拟爆管泄漏条件下紧急切断阀关断动作实验为验证管道建设的可行性以及泄漏安全连锁可靠性ꎬ在ＣＸ９３井站建设了一条长约２０ｍ设计压力为４ ０ＭＰａ的实验管道ꎮ在６０ｍｉｎ时间内完成了０ ３ＭＰａ失压ꎬ１ ０ＭＰａ㊁１ ２ＭＰａ㊁１ ４ＭＰａ超压自动连锁关断ꎮ实验表明ꎬ在很短的时间内就能监视到压力异常上升ꎬ并实现自动关断ꎮ内管泄漏连锁关断过程没有天然气释放到大气环境ꎮ４㊀管道施工技术ＣＰＰ管道与夹套管相似ꎬ与夹套管相比ꎬ增加了环空压力监视㊁连锁控制㊁环空分段密封ꎬ但是管路上的阀门没有采用普通夹套阀的必要ꎬ管道建设施工方法可以参照夹套管施工方法[２－５](图８)ꎮ５㊀结论ａ)ＣＰＰ酸气管道集输技术集远程压力监视㊁泄漏预警㊁泄漏扩散控制㊁泄漏定位㊁管道与环境保护㊁连锁关断于一体的技术ꎬ具有限制危险源能量㊁隔离㊁安全冗余㊁防失误设计理念ꎬ是一种具有本质安全的酸气管道集输技术ꎮｂ)实验表明ꎬＣＰＰ管道可以有效实现天然气泄漏后快速预警㊁关断等响应ꎬ泄漏过程无天然气释放到大气ꎬ与常规管道泄漏控制相比ꎬ具有显著的优越性ꎮ图８㊀ＣＰＰ管道施工技术方案流程６㊀参考文献[１]㊀王允诚.油层物理学[Ｍ].北京石油工业出版社ꎬ１９９３.[２]㊀吴芳ꎬ李文东.夹套管施工技术[Ｊ].化工建设工程ꎬ２００１(２):３４－３５.[３]㊀李籍ꎬ甘泉.硫磺回收装置中夹套管施工工艺探讨[Ｊ].石油工程建设ꎬ２０１６(４):４６－４９.[Ｓ].[５]㊀孙文强ꎬ孙光磊.夹套管道施工技术与工艺[Ｊ].石油化工建设ꎬ２００９ꎬ３１(３):６７－６８.ＮｅｗＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｔｈｅＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳｏｕｒＧａｓＰｉｐｅｌｉｎｅＬｅａｋａｇｅａｎｄＤｉｆｆｕｓｉｏｎＹａｎｇＪｉｎｌｉｎꎬＷａｎｇＸｕꎬＺｈａｏＫａｉꎬＤｅｎｇＹｕａｎｐｉｎｇꎬＬｕｏＧｕａｎｇｘｉａｎｇ(ＳＩＮＯＰＥＣＳｏｕｔｈｗｅｓｔＯｉｌａｎｄＧａｓＢｒａｎｃｈＮｏ.１ＧａｓＦａｃｔｏｒｙꎬＳｉｃｈｕａｎꎬＤｅｙａｎｇꎬ６１８０００)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣＰＰｐｉｐｅｌｉｎｅｌｅａｋａｇｅｃｏｎｔｒｏｌｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｌｅａｋａｇｅａｎｄｄｉｆｆｕｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｅｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄꎬｔｈｅｃｌｏｓｉｎｇｔｒｉｇｇｅｒꎬｔｈｅｌｅａｋａｇｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎꎬｔｈｅｄｉｓｐｏｓａｌａｆｔｅｒｔｈｅｌｅａｋａｇｅａｎｄｔｈｅｌｅａｋａｇｅｌｏｃａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｒａｎｇｅｕｎｄｅｒｔｈｅｅｒｒｏｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｄｉｆ￣ｆｕｓｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｓｐａｃｅ.Ｔｈｅｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｅａｌｉｎｇｌｅｎｇｔｈꎬｔｈｅｔｒｉｇｇｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｈｅｒｅｌｏｃａｔｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｗｅｒｅｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ.ＴｅｓｔｓｉｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｉｐｅｌｉｎｅｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＣＰＰｐｉｐｅｌｉｎｅｗｉｔｈｌｅａｋａｇｅｓａｆｅｔｙｉｎｔｅｒｌｏｃｋｓｗａｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｓｕｐｅｒｉｏｒｔｏｏｒ￣ｄｉｎａｒｙｐｉｐｅｌｉｎｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｌｅａｋａｇｅａｎｄｄｉｆｆｕｓｉｏｎꎻＣＰＰｐｉｐｅｌｉｎｅꎻｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇꎬｃｏｎｔｒｏｌꎻｌｅａｋａｇｅｌｏｃａｔｉｏｎ。