天然气管网系统可靠性应用技术

宋东昱

中国石油天然气总公司规划设计总院　严大凡

石油大学(北京)

摘　要　介绍了国内外对天然气管网可靠性的研究现状。并介绍了可靠性分析、计算在研究开发气井数、采气管网结构形式,确定影响大的重要组成单元、集气站生产能力、加热炉连接方式、管道工程等方面的应用,达到提高经济效益的目的。

主题词　天然气　管网　可靠性　科研成果　科学技术

　　可靠性科学是近十几年发展最为迅猛的学科之一。产品质量与可靠性水平的高低,代表了一个国家的总体科技水平。可靠性技术的推广与应用是提高产品竞争力,增强国家综合实力的关键因素,这一点已为世界各国的实践所证明。

天然气管网是天然气生产和供应的生命线,管网发生故障,将直接影响气田生产和供气质量,造成严重后果和不良影响。而可靠性评估可以预测系统将按怎样的方式发生故障以及故障后果,可为工程设计人员和管理人员提供系统质量与工程投资、运行费用相关的信息及其整个寿命期投资效益情况。使他们对系统运行和系统行为有更加深入的了解,以获得好的设计、运行和维修方案。

技术现状

国外,天然气管网的可

靠性研究始于80年代初。1980年,Et No r se v eritas 在“各种管网的事故及其事故率”一文中介绍了北海油田和墨西哥湾地区海底管网系统的事故数据,为后来美、英、南斯拉夫等国家天然气管网系统的可靠性研究奠定了基础。他们采用的方法有:故障树结构的事故分析技术、事件树结构的可靠性分析技术和Ba yesian 方法等。

前苏联,有资料介绍,60年代就进行了天然气管道的可靠性研究。到目前为止,有关天然气管网工艺系统的可靠性计算方法,可说是“百花齐放”,具有代表性的有:系统可靠性快速评估法、可靠性计算的递推法、系统可靠性M onte Carlo 仿真算法等;各有所长。

国内,目前在探讨运用可靠性理论对天然气管网系统进行规划、设计、施工和制定操作规程、维修策略的应用技术。关于天然气管道强度可靠性设计、天然气集输工艺系统可靠性分析与计算、天然气管道事故修复策略、气田天然气开发井数确定及气井运行可靠性计算的应用实例已有报道。

研究范围及

应用实例

天然气管网系统可靠性研究范围包括天然气的开发方案、

集输和供气系统,涉及到气井、采气管线、注醇系统、集气站、集气支线、集气干线、气体净化厂、压缩机站、外输干线、储气设施、城市配气管网和用户等单元或分系统。

1　开发气井数。

通过对气田先导开发实验区现有气井、集气管网系统的可靠性分析计算,可确定大规模开发时,完成预计产气量需开发的最少气井数。避免了过去那种多钻井、保产量的保守作法,降低了天然气生产成本。陕甘宁盆地中部气田,就其先导开发实验区目前采用的集输系统和现场操作管理水平,地面集气工艺系统一期工程建成投产后,预计平均日产气量424万m 3,要完成任务产气量15×108m 3/a ,至少需开采72口气井。而青海气田,就涩北一号气田目前采用的集气流

程和操作管理水平,完成一期工程任务产气量12×108m 3/a ,至少需开采90口气井。

2　采气管网结构形式。

采气管网的结构形式直接影响着气井的正常生产。运用先导开发实验区现有气井和采气管线的运行资料,计算集气系统的可用度,确定出适合具体气田实际情况的采气管网结构形式。

国内各气田大多采用井口注醇多井集气工艺流程。经计算,陕甘宁中部气田多井集气工艺系统的采气管网结构宜采用辐射状。这可显著降低因采气管网结构形式采用不当而造成事故关井的事故率。如陕甘宁盆地中部气田先导开发试验区84井的采气管线中途搭接在17井至81井集气站的采气管线上,其结果与其它直接与集气站相连的气井相比,17井和84井的事故率增加了、平均无故障采气时间由131小时缩短到90小时。

3　集气工艺系统主要组成单元对气田生产的影响程度。系统组成单元对所在系统可靠性的贡献大小因自身质量

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　■专题讲座■

石油规划设计　1998年第1期

宋东昱,男,39岁,高级工程师。1982年毕业于华东石油学院石油储运专业,获学士学位;1992年毕业于西南石油学院石油储运专业,获硕士学位;1996年毕业于石油大学(北京)石油储运专业,获博士学位。现在中国石油天然气总公司规划设计总院从事规划工作。地址∶北京学院路938信箱,100083

和所在系统中的位置而不同。要确定各单元对系统可靠性贡献的大小,可采用故障树分析技术进行定量计算。设计人员依据计算结果,应对那些影响大的重要组成单元进行特殊选型和连接方式的专门研究;以各单元对整体系统可靠性贡献相等为规划、设计的追求目标,把钱花在“刀刃上”,获得投资少、系统整体可靠性高、易于操作、便于维修的最佳设计方案。

对陕甘宁中部气田一期工程设计方案集气系统管网的故障树分析,我们清楚地知道,高压注醇多井集气气井对系统的影响最大,其次是脱水装置、注醇泵系统;其余单元组的影响程度相差不大,基本上为一个等级。当每口高压注醇多井集气气井的事故率由统计的67次/a 降至2.78次/a(单井集气气井)时,系统的可用度由0.1194提高到0.2970,增加了148.7%。因此,高压注醇多井集气气井是集气工艺系统中最薄弱的单元,提高高压注醇多井集气气井的可靠度,将会使整个集气工艺系统的可靠性得到显著改善。

4　集气站的生产能力。

通过对集气站管辖的气井、采气管线、注醇系统和站内设备组成的联合工作系统的可靠性分析与计算,能预测系统各种可能状态(正常工作状态、局部故障状态、完全故障状态)下,集气站对应状态下的生产能力及其对应概率;这是制定气田优化运行方案的基础;离开了系统可靠性分析计算的优化操作方案是不科学的。图1是陕甘宁中部气田管辖5口气井的西一集气

站的生产能力及其状态概率分布。

图1　5井集气站生产能力的概率分布

5　加热炉连接方式。

为提高加热炉的效益和利用率,减少因加热炉故障而关井停产的事件,可选用可修单元串联或并联可靠性模型,计算天然气加热系统的可用度,确定二加热炉的合理连接方式。

气田上常见的二加热炉的连接方式有两种形式∶ 每口气井来的天然气进集气站后分两路各进一个加热炉,加热节流后再汇合; 一口气井来气直接分两路进同一个加热炉,另一口气井来气进另一个加热炉,互不影响,各成一体。对于集气站满负荷生产的大概率状态,我们称前者为二加热炉的并联系

统、后者为二加热炉的串联系统。代入单炉可靠性特征量计算,

运行相同时间后,系统的瞬时故障概率,前者比后者低。且前种加热炉组合系统也比后者的操作灵活性高。

6　管道工程。

规划和设计阶段:天然气管道规划和设计阶段都要进行系统的可靠性分析与计算,这在国外管道设计规范中有明文规定。为满足顾客对系统功能和可靠性指标的要求,设计人员势必要以系统的观点,考虑顾客允许的投资资金,运用可靠性工程技术对管网系统进行规划和设计,以获得顾客满意的设计方案。文献介绍了应用可靠性理论确定经济管径和满足可靠性要求的最佳管子壁厚的方法。

稳定运行阶段:天然气管道建成投产后,运行1～3年后进入稳定运行时期(见图2);这一时期可根据管道历年运行资料,预测管道事故发生的概率及事故持续时间;并通过管道系统的可靠性分析与计算,制定适合该管道具体情况的优化运营方案,向管道用户提供优质服务。目前,国内天然气管线的事故率约4.3×103次/km ・a ,美国陆地气管线0.9×10-3次/km ・a,北海油田海底气管线2.2×10-3次/km ・a 。

图2　输气管道的事故率曲线

维修策略:对管道系统经常进行系统可靠性定量评估,能确定管道系统的合理维修范围及预测进行维修的最佳时刻和维修持续的时间。

对管道运行和事故抢修时间的统计、修复措施的分析和管道系统可能状态的研究,我们可制定出管道事故修复的合理策略。例如,由据四川石理局输气公司管理的13条输气管线27年的运行资料,对管道系统可能状态的分析和计算结果表明∶ 天然气管道穿孔泄漏采用打卡作为最终修复时,管道系统的可用度最低,其次是打卡作为临时修理的管道系统;不采用打卡而进行事故彻底修复的管道系统,其可用度最高。 从运行时间看,打卡作为最终修理的管道系统,两次事故停输之间的平均运行时间最短,这说明打卡堵漏作为最终修理是不可取的。 不采用打卡的彻底修复与打卡作为临时性维修措施比较,虽然增加了停运抢修的次数,但延长了系统正常工作状态的持续时间;而且前者能避免维修工作量不均匀的现象,即可

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■专题讲座■

石油规划设计　1998年第1期

!耗损阶段:依据管网运行资料进行系统可靠性评估,能预先确定某段管道系统的耗损期,即管道系统的事故率随运行时间急剧增大的阶段。这对经营管理人员有极大的好处,以便合理利用将要报废的管段和设备以及优化系统检测、控制和更新过程。图2表明付家庙至漕家坝输气管段已进入耗损期,应更换。

7　用户可靠性。

对于输气设施和配气站来说,用气大户生产上出现事故时,比平时少用甚至停用的气量不能被其它用户所吸收。这对于天然气输配设施和天然气生产单位都有重大的影响。通过走访下游天然气大用户,了解用户少用或停用天然气的事件,统计历史上这种事件的持续时间和间隔时间,我们可以找出大用户的用气规律,预测其停用气的概率,估计停用气的持续时间;有利于制定下游检修方案、确定储气设施的储气规模。

参　考　文　献1　北航校友通讯.北京航空航天大学出版社,1996

2　宋东昱,肖芳淳等.多目标灰色局势决策在油气管路设计中的应用.

石油学报,1994,15(1)

3　宋东昱,肖芳淳.管道结构多目标可靠性灰色优化设计。天然气工业.1993,13(3)

4　陈靖华,宋东昱.复合材料管道设计.北京:复合材料学报.1996,13

(2)

5　宋东昱,严大凡.天然气管道可靠性特征量.天然气工业.1997,17(6) 6　宋东昱,严大凡.天然气管网系统可靠性数据统计方法.油气储运.

1997,16(12)

7　宋东昱,严大凡.多井集气站内注醇泵系统的可靠性计算.石油工业技术监督.1997,13(9)

8　陈靖华,宋东昱.天然气管道状态的概率计算.天然气工业.1996,16

(5)

收稿日期:1997

编辑:马三佳

(上接第33页)

扩大国际租赁融资

50年代以来,国际租赁从无到有,不断加速发展; 90年代以来,国际租赁交易活跃,交易额稳定增长。利用国际租赁进行石油工业建设项目融资,至少有5点优势:(1)可以减少设备特别是大型设备使用权的一次投资,只用先支付部分预付金,从而有效地缓解石油企业的资金紧张局面。(2)租赁费用可以税前列支,这相当于从国家获得了额外的财政支持。(3)带动国内石油租赁业的快速发展,最终降低石油工业设备占用总规模和勘探开发建设成本。大庆油田的设备租赁管理实践表明,租赁融资和设备租赁管理,可以使企业的总体大型设备购置费用降低20%左右。(4)通过租赁可以租用到美国等国禁止向中国出售的高精尖技术设备。1985年,胜利油田就成功地利用国际租赁获得了一套美国高性能计算机的使用权。(5)融资租赁的设备,一般都由外方专家负责技术服务和维护,这为我国石油工业与技术提供国的长期合作提供了牢固的基础,从而增加了直接向外国专家学习技术和管理的机会。

积极探索BO T

石油工业基础设施能力不足及建设资金短缺由来已久,推行BOT投资方式,可以带动这些问题的解决。

国家计委从1994年就开始研究BOT投资方式,并在1995年5月指令广西来宾电厂B厂(2×35万kW・h级燃煤机组)作为我国第一个BOT试点项目。1995年8月国家计委、电力部、交通部联合下发了《关于试办外商投资特许权项目审批管理有关问题的通知》,对BOT试点项目的有关审批程序做出了明确的规定。目前国家计委等部门已经选择了一些条件具备的公路、桥梁、供水厂及电厂项目,进一步开展BOT的试点工作。

石油工业可以稳步地、有计划地探索BOT项目。第一步可以先选择一些用电量大、供电形势紧张的大油田,由他们选择若干个拟建电厂项目,与外商进行BOT接触。这一步走通之后,可以逐步探索其他项目的BOT投资方式。

参　考　文　献

1　.中国利用外资基础知识.北京:党校出版社,中国对外经济贸易出版社.1995(第1版)

2　肖勤福.国际投资和我国利用外资概论.北京:党校出版社.1996(第1版)

3　陈谌匀.金融创新实务.上海:上海人民出版社.1995(第1版)

4　储祥银,章昌裕.国际融资.北京:对外经济贸易出版社.

1996(第1版)

5　薛求知.中国企业海外融资.上海:上海外语教育出版社.

1996(第1版)

收稿日期:1997-12-10

编辑:马三佳

42　■专题讲座■石油规划设计　1998年第1期