摘要：我国高含硫气田大规模开发尚属首次，缺乏成熟配套的安全控制技术、标准规范和管理体系，安全生产和应急处置面临一系列技术难题。普光气田硫化氢含量高、压力高、集输系统点多线长，泄漏监测与安全控制要求高，同时由于地形复杂，人口密集，应急处置和应急疏散难度大。为此，①通过建立含硫天然气泄漏山地扩散模型，对不同生产区域的安全防护距离进行了优化，确定了我国高含硫气田的安全防护距离；集成红外、激光、电化学和无线远程监测，形成了平面布局、立体布防、全方位的天然气泄漏多元监测体系；优化气井、集输、净化、外输紧急关断系统的逻辑关系，创建了大型高含硫气田上下游一体化的4级联锁关断系统。②应用含硫天然气泄漏山地扩散模型划分应急区域，建设了最大规模的紧急疏散通讯系统，通过应急疏散能力评估对应急道路进行了优化，研发了山地消防坦克和远程点火等装备，建立了完整的应急处置、人员疏散与应急救援体系，形成了复杂山地高含硫气田大规模应急疏散与救援技术。这些措施为该气田绿色、高效开发提供了安全保障。
关键词：普光气田；高含硫天然气；天然气泄漏；泄漏监测；紧急关断；安全控制；应急疏散；应急管理
普光气田天然气中的硫化氢含量高达15%，二氧化碳含量为8%左右，是典型的高含硫酸性气田，也是目前国内开发的硫化氢含量最高的天然气田。
普光气田采用湿气集输工艺，集输系统地形复杂、点多面广，泄漏风险大[1]，准确快速监测难度大。一旦某个节点发生重大泄漏或应急事故，对上、下游的生产都会产生影响，因而从气井生产、管道集输、净化处理到天然气外输的各个环节都要求具有安全可靠的快速响应和联锁关断机制[2]。而且普光气田地处川东北山区，地形险峻，相对高差最大近1000m，人口稠密，应急救援难度很大。因此，安全控制和应急管理措施成为气田开发的重中之重。
1 安全控制措施
1.1 天然气泄漏扩散模拟及防护距离优化
1.1.1复杂地形条件高含硫天然气泄漏扩散模拟[3]
应用三维数字高程模型、非结构网格划分、非线性拟合等理论，真实再现普光复杂地形，建立了硫化氢山地扩散模型，模拟复杂山地高含硫天然气泄漏扩散规律。采用有色烟雾释放和六氟化硫(SF6)扩散示踪两种实验手段，对复杂山地硫化氢泄漏进行现场模拟实验，同时对扩散模型进行验证。共进行10组烟雾释放实验，记录影像150min；5组六氟化硫释放实验，收集六氟化硫数据165组。误差分析表明，模型与实测结果误差小于±15%。
研究表明，在复杂地形影响下，硫化氢泄漏扩散具有显著的不确定性，主要表现为：向有利于气体运动和聚集的地形环境扩散，如：平缓坡地、山涧、山谷、河谷等；沿下风向分布，在泄漏口周边下风向临近区域形成稳定危害区域，远离泄漏口后，在山前、低洼处、气流通道等易形成危害区域；山体阻挡时，顺风逆坡而上，在山体正面形成大面积堆积，危害严重；在“U”形山谷大量蓄积，难以扩散，进而产生持续和大面积危害。
1.1.2硫化氢防护距离优化
采用高含硫天然气泄漏山地扩散模型，结合硫化氢毒理学分析，分别计算出集输管道、集气站和净化厂发生天然气泄漏的毒性负荷和1000ppm(硫化氢浓度1ppm=1.5mg/m3，下同)瞬间致死浓度硫化氢烟羽扩散距离，以此为参考建立硫化氢安全防护距离。
模拟结果表明：
1) 集输管道发生高含硫天然气泄漏时，1000ppm硫化氢烟羽最远扩散距离为11Om。综合考虑泄漏监测、紧急关断等安全保障和应急处置措施，同时参考加拿大EUB标准，将安全防护距离确定为100m。
2) 集气站发生高含硫天然气泄漏时，1000ppm硫化氢烟羽最远扩散距离为286m。气井井口和井下同时安装了安全阀，具有远程关断、火灾易熔塞自动关断、高低压限压关断等多重关断措施，同时考虑单井产量高，人口密集，地形复杂等因素，将安全防护距离确定为300m。
3) 净化厂发生高含硫天然气泄漏时，1000ppm硫化氢烟羽最远扩散距离为401m。考虑到净化厂有6套联合装置，净化处理规模大，为降低安全风险，将净化厂安全防护距离扩大到800m。
投料试车前，在地方政府的大力支持下，对于设防距离内的2603户民居全部拆迁，并在管线、站场、净化厂周边安全距离处设置了界桩，起提示和警告作用。
1.2 天然气泄漏多元监测技术
1.2.1集气站场泄漏监测技术
高含硫天然气的剧毒性和易燃易爆特性对泄漏的准确、及时监测提出了很高的要求。为提高：泄漏监测的可靠性，在不同的生产装置区分别采用硫化氢、可燃气体等监测手段进行实时监测。根据天然气泄漏扩散模拟结果[3]对生产系统的泄漏监测点进行优化配置。泄漏监测布点原则主要有3点：①根据HAZOP分析和LEAK软件泄漏频率计算结果，综合考虑气候条件，确定布点方案；②根据工艺流程、装置设备以及人员活动频率确定布点方案；③根据特殊地段特点，借鉴国外泄漏监测经验，确定布点方案。
根据站场工艺流程特点，结合监测仪器特性，在井口、分离器、加热炉等区域设置硫化氢探测器和可燃气体探测器，构建立体监测网络。根据硫化氢比空气重的特性，硫化氢探测器贴近地面安装，并可按要求设定报警值。可燃气体探测器利用红外光声原理探测甲烷浓度。此外还安装了火焰探测、视频监控以及报警装置。监测信号同步远传到站控室、中控室、119调度中心和应急指挥中心。
1.2.2阀室泄漏监测技术
在管道截断阀室配置电子防爆管单元，监测管线的压力变化并推断管线是否存在泄漏，根据电子防爆管单元的压降速率报警。同时还安装了硫化氢气体探测器、可燃气体探测器、状态指示灯和报警系统，报警状态直接传送给中控室。
1.2.3隧道泄漏监测技术
在集输管道隧道两端设置电化学式有毒气体探测器和开路式、红外吸收补偿式可燃气体探测器，并安装状态指示灯实现声光报警。此外，在隧道内还安装了新开发研制的激光监测装置[4]，同时监测甲烷和硫化氢两种气体的泄漏，监测距离达到1km，监测灵敏度20ppm，实现了远距离监测和微量泄漏预警。
普光气田集输系统共设置各类泄漏监测装置900余套，其中在黄家岩隧道、眼梁隧道等5条隧道中安装了激光监测装置。
1.2.4无线远程监测技术
针对气田开发生产中的气井放喷作业、检维修、应急救援与疏散等特殊状况，利用无线远程多点布控技术，建立区域监测网络，跟踪监测天然气、硫化氢，以及大气中的二氧化硫、氧气等含量，为确定安全区域、指导疏散撤离、保障人员安全提供决策依据。该监测系统由两台主机和16台终端组成。一台主机用于现场监测，另一台用于远程数据传输，各终端监测数据无线传输到监控站，实现实时监控。无线远程监测半径达4km，可一次同时布设32个监测点。
1.3 自动控制与联锁关断
1.3.1 SCADA自动控制系统
普光气田集输系统采用SCADA(Suppervisory Control And Data Acquisition System)自动控制系.统，它将先进的计算机技术、工业控制技术和通信技术有机地结合在一起，既具有强大的现场测控功能，又具有极强的组网通信能力，是自动化领域中广泛应用的重要系统之一。
SCADA系统采用冗余光纤环网作为主干网，5.8G无线网络为备用。整个SCADA系统分为3大部分：过程控制系统(PCS)、安全仪表系统(SIS)以及中心数据处理系统。在每一个控制节点(站场和阀室)均分别设置两套子系统：即过程控制系统(PCS)和安全仪表系统(SIS)，作为一个单独的网络节点，挂在相同的光纤通信子网及5.8G无线备用网络上，分别对应实时数据服务器和中心安全仪表系统上传或下载数据。其中PCS主要负责正常的工艺流程控制和监视，SIS则负责对超出PCS控制范围的工艺控制对象进行相应的联锁保护。
1.3.2上下游联锁关断系统
普光气田根据生产流程可分为3大系统，即集输系统(含井口控制系统)、净化处理系统和天然气外输系统。这3大系统有各自独立的安全控制体系：集输系统采用SCADA+SIS，净化厂采用DCS+SIS系统，普光输气首站采用SCS+紧急关断(ESD)系统[2]。3大系统中任意一个系统出现重大泄漏或应急事故，都将直接威胁到上(下)游的安全[5]，因此要求3大系统实现联锁关断，而且要求响应及时，关断可靠。为此，按全气田、单线、单站、单元设备划分区域，实行4级联锁。通过优化控制逻辑、优选系统互联技术，整合3大控制系统，形成集输、净化及外输管道的联锁关断，创建了大型高含硫气田上下游一体化的4级联锁关断系统。当任何一个系统发生一级关断时，上下游的其他几个系统能自动触发一级关断，如切断阀门、关闭井口等，上下游各部分通过联锁进行控制，从而大大提高了系统的安全性。
全气田联锁控制紧急关断逻辑共分为4级：
ESD-1：一级关断为最高级别，该级别关断为全气田关断(包括井场、集输、净化和外输)。其处理分为两种方式：紧急关断并保压、紧急关断并放火炬。此级关断触发全气田站场的ESD-1级关断。
ESD-2：支线关断或区域联合装置级关断。此级关断触发此支线沿线站场的ESD-2级关断。主要由以下原因触发：输气支线爆管泄漏；线路阀室火灾或气体大量泄漏；手动触发。
ESD-3：单站关断。分两种情况：ESD-3级泄压关断和ESD-3级保压关断。
ESD-4：单元关断(站场3级)。此级别关断应由操作人员确认报警后，自动触发，切断相关工艺单元，视具体逻辑启动局部放空。
普光气田在投产试运过程中曾3次触发一级关断，其可靠性得到了充分的验证，同时为普光气田的应急处置和抢修提供了实战演练的机会。
2 应急管理措施
2.1 复杂山地大型高含硫气田应急疏散通讯系统
根据硫化氢含量和紧急切断阀(ESDV)间距，应用含硫天然气泄漏山地扩散模型研究确定通讯覆盖范围，并根据地形地貌和人口分布，确定广播点数量与位置，在普光气田各站场、输气管道沿线1.5km，净化厂围墙外2km危险范围内建立了世界上最大规模的紧急疏散广播系统。广播系统采用800M数字集群+5.8G微波通讯系统。通过研发任意区域、任意组合的分区广播技术，实现指定区域广播通讯。研发了应急广播的实时自检技术，确保系统完好；研发的集群电话强插广播技术，实现了紧急状态下的及时广播。应急疏散广播系统共设置6个基站、287个广播点，范围达140km2，覆盖6个乡镇23村，6万多人口。
2.2 应急疏散能力评估与道路优化[6]
根据不同疏散路径、人口密度、居民的年龄和性别、运行速度、疏散时间以及硫化氢扩散规律等影响因素，对普光地区居民行走速度进行实地测试，运用步行人流模拟(BuildingEXODUS)等软件对普光气田应急疏散能力进行评估研究。根据疏散评估结果，优化了应急道路。
在人口密集区域，根据厂(站)、集气干线分布情况修建了应急主干道。对居住在场站、管道周边的居民从居住点到应急集合点修建了应急便道。优化后的应急道路呈网状和枝状分布，各种道路相互贯通，便于突发事件情况下人员疏散。普光主体共修建了6条应急主干道，道路总长约65km；96条支干道，道路总长约86km。通过企地应急演练，应急疏散快速有序，应急疏散道路满足需要。
2.3 应急预案体系
结合该气田实际，制订了分公司、厂、车间3级应急预案：①分公司级包括1个综合预案和9个专项应急预案；②厂级(采气厂、净化厂)分别包括1个综合预案和8个专项应急预案；③车间级包括应急处置方案345个(采气区202个、净化厂车间143个)。至此，普光气田初步形成了“一点一案、一事一案”，“横向到边、纵向到底”的应急预案体系，填补了国内高含硫气田应急管理的空白。
2.4 应急指挥系统
普光气田成立了以生产调度为中心的分公司、厂两级应急指挥系统。采气厂、净化厂生产调度室分别配备4名专职应急管理工程师，以及应急救援中心119调度室值班人员，实行24h监管。
2.5 企地应急联动机制
建立三级企地应急联动机制，即：分公司与宣汉县的一级应急疏散联动；厂与乡镇的二级应急疏散联动；站与村的三级应急疏散联动。重点针对净化厂周边群众在突发事故时能够在最短时间内有序、高效撤离至安全区域，最大限度地降低事故后果。与普光镇和土主乡成立了厂镇应急联动指挥部，与村联合成立村社应急联动小组，制订了应急联动程序和处置方案。
同时采取多种形式的安全教育：对净化厂周边1500m以内居民发放《应急知识宣传册》、《安全告知书》；对普光镇、土主乡组织开展群众教育，开展应急培训；对应急联动指挥人员进行应急疏散方案培训；定期组织疏散演练，使居民掌握应急状态下的逃生方法等。
2.6 应急救援装备
为有效应对高含硫气田各类突发事故，提高应急救援效率，保证救援作业顺利实施，根据高含硫天然气特性和当地特定的地形条件，研发并配备了大量应急救援专用装备。
2.6.1山地消防坦克
选用国产59式主战坦克底盘研发了山地消防坦克，可翻越0.5m障碍物，跨越2m宽壕沟，装备气体探测仪、氧气呼吸器、军用车载喉头无线对讲系统、数码温控喷淋启动装置等装备。具有防爆炸、防撞击、防高温、防坍塌等性能，加之完善的隔热、喷淋降温保护措施，可实现近距离灭火或穿越火场。消防坦克顶部装有大口径车载水炮，既可打出水柱也可打出泡沫。同时配备液压式清障铲，依靠520马力(1马力=735.499W)坦克发动机提供的巨大动力，可撞击、推铲、拉拽各种障碍物，确保在各种复杂条件下接近火场灭火或为抢险处置开辟救援通道。
2.6.2涡喷消防车
针对硫化氢气体不易逸散的特点，研发了第一代强风抢险车。该车安装液压轴流式风机，并在排烟通风机四周安装了水雾灭火系统，是集通风、排烟、除尘、灭火、改变风向等功能于一身的多功能全遥控机器人，可以在距离100m范围内，对车辆和强风机进行遥控操作，极大地满足了火场特别是硫化氢泄漏区域、隧道、地铁或石油化工场所的消防救援需要。2009年研发了强风车的第二代车品——涡喷消防车。该车功能更为强大，利用涡喷发动机产生高速气流作为载体，将灭火剂撞击成雾状的颗粒，以巨大动能，远距离、高强度、大范围地喷出直接灭火，提高灭火效率。喷射水雾流有效距离大于等于80m，出口风速70m处达到18m/s(相当于10级大风)，出口风量80m处约为116×104m3/h。该车可以实现正压送风，改变方向，迅速冷却降温，稀释有毒有害气体，保护抢险人员人身安全，同时具有防化洗消作用，利用涡喷发动机喷口喷出的燃气高温、高速射流，对受污染物体表面连续喷吹清洗。
2.6.3远程点火装置
为解决钻井井喷、酸压放喷过程中可能发生点火失效的问题，先后尝试使用弓弩、信号发射器等实施远程点火，但因无法准确点火而放弃。最终选择了军用火焰喷射器改进方案，并研发了远程点火装置。该点火装置射程约60m，火焰温度2000℃，并可在100m范围内进行遥控。
3 认识与建议
1) 普光气田建立了完善的安全控制技术，对不同生产区域的安全防护距离进行了优化，确定了我国高含硫气田的安全防护距离；集成多种监测手段，形成了平面布局、立体布防、全方位的多元监测体系；在国际上首次创建了上下游一体化的4级联锁关断系统。
2) 建设了世界上最大规模的紧急疏散广播系统，通过应急疏散能力评估对应急道路进行了优化，研发了山地消防坦克和远程点火等装备，建立了完整的应急处置、人员疏散与应急救援体系，形成了复杂山地高含硫气田大规模应急疏散与救援技术，填补了我国高含硫气田应急管理技术的空白，能满足和应对高含硫气田安全生产和应急管理需要。
3) 普光气田的安全控制和应急管理技术达到世界领先水平。但在生产运行阶段，安全控制技术还需要进一步完善。首先，随着生产的运行，集输系统出现不同程度的积液和硫沉积，因此应加强对积液和硫沉积的预防与控制，降低系统的安全风险。其次，要有计划地开展集输管道内检测、氢脆腐蚀监测、缺陷无损检测以及管道安全性评价技术研究。此外，要对关断系统进行优化改造，进一步优化联锁关断逻辑。
参考文献
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[2] 付建民，陈国明，龚金海，等.酸性气田集输系统紧急关断方案设计[J].天然气工业，2009，29(6)：94-97.
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[4] 于殿强，董金婷，张建，等.天然气集输站场CH4及H2S泄漏检测技术研究[J].油气田地面工程，2009，28(5)：2-3.
[5] 付建民，陈国明，朱渊，等.紧急关断阀关断延迟对天然气管道泄漏过程的影响[J].化工学报，2009，60(12)：3178-3183.
[6] 席学军，董文彤，郭再富.复杂山区地形高含硫气井安全防护距离研究[J].中国安全科学学报，2009，19(12)：66-73.
(本文作者：王寿平1 龚金海2 刘德绪2 王晓霖2 王勇2 1.中国石化股份有限公司中原油田分公司；2.中国石化集团中原石油勘探局勘察设计研究院)
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