??????? 摘要：我國高含硫氣田大規(guī)模開發(fā)尚屬首次，缺乏成熟配套的安全控制技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和管理體系，安全生產(chǎn)和應(yīng)急處置面臨一系列技術(shù)難題。普光氣田硫化氫含量高、壓力高、集輸系統(tǒng)點多線長，泄漏監(jiān)測與安全控制要求高，同時由于地形復(fù)雜，人口密集，應(yīng)急處置和應(yīng)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(chǎn)區(qū)域的安全防護距離進行了優(yōu)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(xué)和無線遠(yuǎn)程監(jiān)測，形成了平面布局、立體布防、全方位的天然氣泄漏多元監(jiān)測體系；優(yōu)化氣井、集輸、凈化、外輸緊急關(guān)斷系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，創(chuàng)建了大型高含硫氣田上下游一體化的4級聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)。②應(yīng)用含硫天然氣泄漏山地擴散模型劃分應(yīng)急區(qū)域，建設(shè)了最大規(guī)模的緊急疏散通訊系統(tǒng)，通過應(yīng)急疏散能力評估對應(yīng)急道路進行了優(yōu)化，研發(fā)了山地消防坦克和遠(yuǎn)程點火等裝備，建立了完整的應(yīng)急處置、人員疏散與應(yīng)急救援體系，形成了復(fù)雜山地高含硫氣田大規(guī)模應(yīng)急疏散與救援技術(shù)。這些措施為該氣田綠色、高效開發(fā)提供了安全保障。
??????? 關(guān)鍵詞：普光氣田；高含硫天然氣；天然氣泄漏；泄漏監(jiān)測；緊急關(guān)斷；安全控制；應(yīng)急疏散；應(yīng)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(nèi)開發(fā)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(tǒng)地形復(fù)雜、點多面廣，泄漏風(fēng)險大[1]，準(zhǔn)確快速監(jiān)測難度大。一旦某個節(jié)點發(fā)生重大泄漏或應(yīng)急事故，對上、下游的生產(chǎn)都會產(chǎn)生影響，因而從氣井生產(chǎn)、管道集輸、凈化處理到天然氣外輸?shù)母鱾€環(huán)節(jié)都要求具有安全可靠的快速響應(yīng)和聯(lián)鎖關(guān)斷機制[2]。而且普光氣田地處川東北山區(qū)，地形險峻，相對高差最大近1000m，人口稠密，應(yīng)急救援難度很大。因此，安全控制和應(yīng)急管理措施成為氣田開發(fā)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(yōu)化
??????? 1.1.1復(fù)雜地形條件高含硫天然氣泄漏擴散模擬[3]
??????? 應(yīng)用三維數(shù)字高程模型、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分、非線性擬合等理論，真實再現(xiàn)普光復(fù)雜地形，建立了硫化氫山地擴散模型，模擬復(fù)雜山地高含硫天然氣泄漏擴散規(guī)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(fù)雜山地硫化氫泄漏進行現(xiàn)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(shù)據(jù)165組。誤差分析表明，模型與實測結(jié)果誤差小于±15%。
??????? 研究表明，在復(fù)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(xiàn)為：向有利于氣體運動和聚集的地形環(huán)境擴散，如：平緩坡地、山澗、山谷、河谷等；沿下風(fēng)向分布，在泄漏口周邊下風(fēng)向臨近區(qū)域形成穩(wěn)定危害區(qū)域，遠(yuǎn)離泄漏口后，在山前、低洼處、氣流通道等易形成危害區(qū)域；山體阻擋時，順風(fēng)逆坡而上，在山體正面形成大面積堆積，危害嚴(yán)重；在“U”形山谷大量蓄積，難以擴散，進而產(chǎn)生持續(xù)和大面積危害。
??????? 1.1.2硫化氫防護距離優(yōu)化
??????? 采用高含硫天然氣泄漏山地擴散模型，結(jié)合硫化氫毒理學(xué)分析，分別計算出集輸管道、集氣站和凈化廠發(fā)生天然氣泄漏的毒性負(fù)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(jié)果表明：
??????? 1) 集輸管道發(fā)生高含硫天然氣泄漏時，1000ppm硫化氫煙羽最遠(yuǎn)擴散距離為11Om。綜合考慮泄漏監(jiān)測、緊急關(guān)斷等安全保障和應(yīng)急處置措施，同時參考加拿大EUB標(biāo)準(zhǔn)，將安全防護距離確定為100m。
??????? 2) 集氣站發(fā)生高含硫天然氣泄漏時，1000ppm硫化氫煙羽最遠(yuǎn)擴散距離為286m。氣井井口和井下同時安裝了安全閥，具有遠(yuǎn)程關(guān)斷、火災(zāi)易熔塞自動關(guān)斷、高低壓限壓關(guān)斷等多重關(guān)斷措施，同時考慮單井產(chǎn)量高，人口密集，地形復(fù)雜等因素，將安全防護距離確定為300m。
??????? 3) 凈化廠發(fā)生高含硫天然氣泄漏時，1000ppm硫化氫煙羽最遠(yuǎn)擴散距離為401m。考慮到凈化廠有6套聯(lián)合裝置，凈化處理規(guī)模大，為降低安全風(fēng)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(shè)防距離內(nèi)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(shè)置了界樁，起提示和警告作用。
??????? 1.2 天然氣泄漏多元監(jiān)測技術(shù)
??????? 1.2.1集氣站場泄漏監(jiān)測技術(shù)
??????? 高含硫天然氣的劇毒性和易燃易爆特性對泄漏的準(zhǔn)確、及時監(jiān)測提出了很高的要求。為提高：泄漏監(jiān)測的可靠性，在不同的生產(chǎn)裝置區(qū)分別采用硫化氫、可燃?xì)怏w等監(jiān)測手段進行實時監(jiān)測。根據(jù)天然氣泄漏擴散模擬結(jié)果[3]對生產(chǎn)系統(tǒng)的泄漏監(jiān)測點進行優(yōu)化配置。泄漏監(jiān)測布點原則主要有3點：①根據(jù)HAZOP分析和LEAK軟件泄漏頻率計算結(jié)果，綜合考慮氣候條件，確定布點方案；②根據(jù)工藝流程、裝置設(shè)備以及人員活動頻率確定布點方案；③根據(jù)特殊地段特點，借鑒國外泄漏監(jiān)測經(jīng)驗，確定布點方案。
??????? 根據(jù)站場工藝流程特點，結(jié)合監(jiān)測儀器特性，在井口、分離器、加熱爐等區(qū)域設(shè)置硫化氫探測器和可燃?xì)怏w探測器，構(gòu)建立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)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(shè)定報警值?？扇?xì)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(jiān)控以及報警裝置。監(jiān)測信號同步遠(yuǎn)傳到站控室、中控室、119調(diào)度中心和應(yīng)急指揮中心。
??????? 1.2.2閥室泄漏監(jiān)測技術(shù)
??????? 在管道截斷閥室配置電子防爆管單元，監(jiān)測管線的壓力變化并推斷管線是否存在泄漏，根據(jù)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?xì)怏w探測器、狀態(tài)指示燈和報警系統(tǒng)，報警狀態(tài)直接傳送給中控室。
??????? 1.2.3隧道泄漏監(jiān)測技術(shù)
??????? 在集輸管道隧道兩端設(shè)置電化學(xué)式有毒氣體探測器和開路式、紅外吸收補償式可燃?xì)怏w探測器，并安裝狀態(tài)指示燈實現(xiàn)聲光報警。此外，在隧道內(nèi)還安裝了新開發(fā)研制的激光監(jiān)測裝置[4]，同時監(jiān)測甲烷和硫化氫兩種氣體的泄漏，監(jiān)測距離達到1km，監(jiān)測靈敏度20ppm，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離監(jiān)測和微量泄漏預(yù)警。
??????? 普光氣田集輸系統(tǒng)共設(shè)置各類泄漏監(jiān)測裝置900余套，其中在黃家?guī)r隧道、眼梁隧道等5條隧道中安裝了激光監(jiān)測裝置。
??????? 1.2.4無線遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)
??????? 針對氣田開發(fā)生產(chǎn)中的氣井放噴作業(yè)、檢維修、應(yīng)急救援與疏散等特殊狀況，利用無線遠(yuǎn)程多點布控技術(shù)，建立區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，跟蹤監(jiān)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(qū)域、指導(dǎo)疏散撤離、保障人員安全提供決策依據(jù)。該監(jiān)測系統(tǒng)由兩臺主機和16臺終端組成。一臺主機用于現(xiàn)場監(jiān)測，另一臺用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，各終端監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奖O(jiān)控站，實現(xiàn)實時監(jiān)控。無線遠(yuǎn)程監(jiān)測半徑達4km，可一次同時布設(shè)32個監(jiān)測點。
??????? 1.3 自動控制與聯(lián)鎖關(guān)斷
??????? 1.3.1 SCADA自動控制系統(tǒng)
??????? 普光氣田集輸系統(tǒng)采用SCADA(Suppervisory Control And Data Acquisition System)自動控制系.統(tǒng)，它將先進的計算機技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)和通信技術(shù)有機地結(jié)合在一起，既具有強大的現(xiàn)場測控功能，又具有極強的組網(wǎng)通信能力，是自動化領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的重要系統(tǒng)之一。
??????? SCADA系統(tǒng)采用冗余光纖環(huán)網(wǎng)作為主干網(wǎng)，5.8G無線網(wǎng)絡(luò)為備用。整個SCADA系統(tǒng)分為3大部分：過程控制系統(tǒng)(PCS)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)以及中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在每一個控制節(jié)點(站場和閥室)均分別設(shè)置兩套子系統(tǒng)：即過程控制系統(tǒng)(PCS)和安全儀表系統(tǒng)(SIS)，作為一個單獨的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，掛在相同的光纖通信子網(wǎng)及5.8G無線備用網(wǎng)絡(luò)上，分別對應(yīng)實時數(shù)據(jù)服務(wù)器和中心安全儀表系統(tǒng)上傳或下載數(shù)據(jù)。其中PCS主要負(fù)責(zé)正常的工藝流程控制和監(jiān)視，SIS則負(fù)責(zé)對超出PCS控制范圍的工藝控制對象進行相應(yīng)的聯(lián)鎖保護。
??????? 1.3.2上下游聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)
??????? 普光氣田根據(jù)生產(chǎn)流程可分為3大系統(tǒng)，即集輸系統(tǒng)(含井口控制系統(tǒng))、凈化處理系統(tǒng)和天然氣外輸系統(tǒng)。這3大系統(tǒng)有各自獨立的安全控制體系：集輸系統(tǒng)采用SCADA+SIS，凈化廠采用DCS+SIS系統(tǒng)，普光輸氣首站采用SCS+緊急關(guān)斷(ESD)系統(tǒng)[2]。3大系統(tǒng)中任意一個系統(tǒng)出現(xiàn)重大泄漏或應(yīng)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(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)斷，而且要求響應(yīng)及時，關(guān)斷可靠。為此，按全氣田、單線、單站、單元設(shè)備劃分區(qū)域，實行4級聯(lián)鎖。通過優(yōu)化控制邏輯、優(yōu)選系統(tǒng)互聯(lián)技術(shù)，整合3大控制系統(tǒng)，形成集輸、凈化及外輸管道的聯(lián)鎖關(guān)斷，創(chuàng)建了大型高含硫氣田上下游一體化的4級聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)。當(dāng)任何一個系統(tǒng)發(fā)生一級關(guān)斷時，上下游的其他幾個系統(tǒng)能自動觸發(fā)一級關(guān)斷，如切斷閥門、關(guān)閉井口等，上下游各部分通過聯(lián)鎖進行控制，從而大大提高了系統(tǒng)的安全性。