宋志軍 楊青文 康樹臣 李 煒

長慶油田安全環(huán)保監(jiān)督部第六監(jiān)督站

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天然氣增壓站壓縮機(jī)運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)與控制

宋志軍 楊青文 康樹臣 李 煒

長慶油田安全環(huán)保監(jiān)督部第六監(jiān)督站

【摘 要】本文通過對氣田典型集氣站增壓站壓縮機(jī)工藝安全現(xiàn)狀進(jìn)行分析研究，查找現(xiàn)場工藝安全的薄弱環(huán)節(jié)，對增壓站壓縮機(jī)的工藝安全、火災(zāi)性提出了防范安全措施，提出工藝、安全管理改進(jìn)意見和建議，促進(jìn)天然氣壓縮機(jī)的運(yùn)行安全管理。

【關(guān)鍵詞】天然氣壓縮機(jī)；風(fēng)險(xiǎn)；防范措施

氣田目前正步入穩(wěn)產(chǎn)增壓生產(chǎn)階段，集氣站天然氣生產(chǎn)正逐步引入以壓縮機(jī)為核心設(shè)備的增壓生產(chǎn)模式，其安全運(yùn)行對天然氣集輸、生產(chǎn)的影響非常大。同時(shí)，天然氣屬于易燃、易爆、含毒（主要指硫化氫）危險(xiǎn)品，一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，不僅增壓站設(shè)備設(shè)施受損，而且對周圍建筑物和環(huán)境也有極大威脅。因此做好天然氣增壓站壓縮機(jī)組運(yùn)行過程中風(fēng)險(xiǎn)因素識別和提出控制削減措施是實(shí)現(xiàn)天然氣集氣站安全平穩(wěn)運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)，具有重大的意義。

1　天然氣壓縮機(jī)概況

1.1天然氣壓縮機(jī)技術(shù)概況

目前，天然氣壓縮機(jī)的生產(chǎn)廠家主要集中在美國，以庫伯公司、艾里爾公司和德來賽蘭公司等為代表。國內(nèi)天然氣壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家主要有代表COOPER-AJAX技術(shù)的成都壓縮機(jī)廠，代表DERSSER-RAND技術(shù)的江漢三機(jī)廠等。這些天然氣壓縮機(jī)在機(jī)組的自動控制方面，應(yīng)用了超溫、超壓、振動、超負(fù)荷、超轉(zhuǎn)速、超油位、超液位等方面的自動保護(hù)裝置，大大提高了壓縮機(jī)組的自動化程度和工作可靠性。在氣田范圍內(nèi)使用的壓縮機(jī)以DPC-2804，DPC-2803系列為主。

1.2DPC-2804天然氣壓縮機(jī)概況

以某增壓站為例，現(xiàn)有1臺DPC-2804整體撬裝往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)，其由煙臺杰瑞設(shè)備能源制造有限公司生產(chǎn)，作為增壓工藝的“心臟”其良好的工作性能是確保天然氣增壓開采的關(guān)鍵。該機(jī)組主體部分有4個(gè)動力缸，3個(gè)壓縮缸，其額定功率為630kw，額定轉(zhuǎn)速為440r/min。輔助系統(tǒng)主要有燃?xì)庀到y(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、工藝氣系統(tǒng)等。如圖1，壓縮機(jī)組具備原動機(jī)、壓縮機(jī)、排氣消音、分離器、空冷器等典型配置特性。機(jī)組采用微機(jī)電腦進(jìn)行全自動監(jiān)控，自動顯示各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)異常顯示、報(bào)警與停機(jī)保護(hù)，其在實(shí)際應(yīng)用中，一次性設(shè)置好機(jī)組各報(bào)警點(diǎn)參數(shù)以及停機(jī)保護(hù)參數(shù)后，操作員工的主要工作量就是日常巡檢、運(yùn)行參數(shù)實(shí)適時(shí)調(diào)整，該機(jī)型具備二次事故預(yù)防能力。

圖1　壓縮機(jī)組典型配置圖

1.3DPC-2804壓縮機(jī)動力缸工作原理

動力部分是二沖程發(fā)動機(jī)，曲軸每旋轉(zhuǎn)一周，動力活塞就有一個(gè)作功沖程。當(dāng)活塞向氣缸頭運(yùn)動時(shí)，活塞后部內(nèi)腔形成瞬時(shí)負(fù)壓，混合閥靠壓差打開，動力缸吸入新鮮空氣，活塞頭部首先關(guān)閉進(jìn)氣口，然后再封閉排氣口，燃?xì)鈬娚溟y靠液壓力打開，燃?xì)膺M(jìn)入動力缸，活塞繼續(xù)運(yùn)動，這就是壓縮沖程；封在活塞頭部內(nèi)的這部分混合氣體在接近壓縮沖程終點(diǎn)前，由火花塞點(diǎn)燃，混合氣體燃燒膨脹作功，使動力活塞向曲軸端運(yùn)動，這就是作功沖程；當(dāng)活塞運(yùn)動至不能封閉排氣口時(shí)，燃燒后的廢氣就由排氣口排出，活塞繼續(xù)運(yùn)動，進(jìn)氣口被打開，這時(shí)，在壓縮沖程中進(jìn)入后部的空氣已被壓縮到具有一定的壓力，形成掃氣泵，再此壓力下，新鮮的空氣由進(jìn)氣口進(jìn)入活塞頭部的空腔，并吹掃殘留在缸內(nèi)的廢氣，有助于廢氣的排氣，這就是進(jìn)氣、排氣沖程，稍后，活塞又向缸頭運(yùn)動，又開始新的沖程。

1.4DPC-2804壓縮壓縮缸工作原理

如圖2所示，當(dāng)發(fā)動機(jī)帶動曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過連桿、十字頭的傳動，活塞做往復(fù)運(yùn)動，帶動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，通過連桿變曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為十字頭在滑道內(nèi)的往復(fù)直線運(yùn)動，十字頭又通過活塞桿帶動活塞在雙作用氣缸內(nèi)作往復(fù)直線周期性運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)氣體的吸入、壓縮、排出，即完成一個(gè)工作循環(huán)，壓縮缸組件帶有可調(diào)余隙缸，余隙缸安裝在壓縮缸的缸頭端，通過調(diào)節(jié)余隙活塞的行程可以調(diào)節(jié)余隙容積，即可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的最大功率和最大排量的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，也可滿足部分變工況的要求。

圖2　壓縮缸工作原理圖

2　壓縮機(jī)運(yùn)行安全因素分析

增壓站站天然氣壓縮機(jī)組投產(chǎn)后，經(jīng)過近幾年的連續(xù)使用，氣井產(chǎn)氣量不再遞減，單井產(chǎn)氣量明顯升高，氣井在低井口壓力下生產(chǎn)表現(xiàn)出較好的穩(wěn)產(chǎn)能力。但從其近幾年生產(chǎn)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題可以看出，壓縮機(jī)的安全運(yùn)行存在一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.1增壓介質(zhì)的易燃易爆性

集氣站增壓介質(zhì)是含硫天然氣，天然氣主要成分為甲烷，屬一級可燃?xì)怏w，甲類火災(zāi)危險(xiǎn)。

2.2硫化氫腐蝕

集氣站壓縮機(jī)低轉(zhuǎn)速自動停機(jī)，氣動馬達(dá)左旋頭斷裂，無法重新啟動。經(jīng)廠家維修工程師現(xiàn)場確認(rèn)TDI公司生產(chǎn)的啟動馬達(dá)軸承部件不抗硫，集氣站壓縮機(jī)氣動馬達(dá)的多次損壞，如圖3。

圖3　軸承對比

壓縮機(jī)因2#動力缸不點(diǎn)火，低轉(zhuǎn)速停機(jī)。如圖4所示，在維修清理火花塞時(shí)，側(cè)電極直接腐蝕斷裂。

圖4　側(cè)電極斷裂火花塞

在對集氣站DPC-2804壓縮機(jī)進(jìn)行運(yùn)行管理及日常維護(hù)過程中，該機(jī)型呈現(xiàn)的一些腐蝕異常情況：故障維修及日常維護(hù)保養(yǎng)的過程中，動力缸火花塞側(cè)電極異常減薄、斷裂或在調(diào)整間隙時(shí)直接斷裂，且更換較為頻繁；壓縮機(jī)壓縮缸十字頭中體撬殼內(nèi)壁存在不同程度的銹蝕現(xiàn)象；余隙缸頭導(dǎo)壓管環(huán)狀斷裂；進(jìn)氣壓變導(dǎo)壓管環(huán)狀斷裂（材質(zhì)為不銹鋼）；壓縮機(jī)4000小時(shí)保養(yǎng)更換曲軸箱潤滑油時(shí)，能夠明顯聞到潤滑油略帶酸味，檢測PH值＜7成酸性。南3增壓站天然氣硫化氫平均含量超過2000mg/m3。動力缸常年使用高含硫燃料氣，對火花塞產(chǎn)生腐蝕造成側(cè)電極減薄或斷裂不能使用。壓縮機(jī)壓縮缸十字頭中體撬殼內(nèi)壁受壓縮缸活塞桿密封填料磨損及活塞桿磨損，壓縮缸外漏高含硫天然氣沖刷撬殼內(nèi)壁，造成了表面腐蝕。余隙缸頭、進(jìn)氣壓變導(dǎo)壓管受氣質(zhì)影響發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕、氫致斷裂。

2.3天然氣泄漏

從集氣站4000小時(shí)保養(yǎng)的重點(diǎn)針對項(xiàng)目“壓縮缸密封填料漏氣”來看，該型壓縮機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)設(shè)備老化，壓縮機(jī)體填料、活塞間隙增大、磨損嚴(yán)重，高壓狀態(tài)下天然氣內(nèi)泄漏和外部空間泄漏不可避免，在有限的工作腔室內(nèi)與空氣形成爆炸性氣體混合物，甚至?xí)M(jìn)入設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部，達(dá)到爆炸極限濃度的混合物遇到火源就會發(fā)生空間的爆炸或外部火災(zāi)。

現(xiàn)場觀測，壓縮缸中體聯(lián)通大氣的管線向外泄露天然氣，且該管線接入大氣，直接排放于壓縮機(jī)噪音棚外，當(dāng)天然氣達(dá)到爆炸極限濃度時(shí)極易發(fā)生爆燃或爆炸事故。

2.4超溫

集氣站壓縮機(jī)因十字頭、連桿瓦、連桿銅套磨損燒毀停機(jī)維修。期間，增壓站員工發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)曲軸箱通氣帽出現(xiàn)白色氣體上逸。經(jīng)檢查，壓縮缸十字頭、連桿瓦、連桿銅套出現(xiàn)較為嚴(yán)重的磨損、燒蝕現(xiàn)象，潤滑油大量損失。設(shè)備工程師在分析后，給出結(jié)論為維修作業(yè)致使部件配合間隙出現(xiàn)偏差，造成潤滑間隙減少，出現(xiàn)磨損。

從事故本身來看，設(shè)備部件已經(jīng)出現(xiàn)高溫使?jié)櫥驼扯冉档褪櫥饔?，運(yùn)行部件摩擦加劇進(jìn)一步造成設(shè)備內(nèi)溫度超高，壓縮機(jī)曲軸箱內(nèi)的空氣與霧化的潤滑油或其分解產(chǎn)物，在較高的溫度下伴隨著潤滑油蒸汽急劇膨脹，會致使機(jī)體密封失效，潤滑油泄漏，曲軸箱有限空間內(nèi)，在高溫、意外機(jī)械撞擊、氣流沖擊、電器短路、外部火災(zāi)等引燃條件下都有可能發(fā)生火災(zāi)或者爆炸。

2.5壓縮機(jī)設(shè)計(jì)、制造和工藝上的風(fēng)險(xiǎn)

2.5.1壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造缺陷

壓縮系統(tǒng)的缺陷或故障產(chǎn)生于設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行和檢修的各個(gè)環(huán)節(jié)。增壓站在長期的運(yùn)行管理中受第一臺試驗(yàn)機(jī)型的設(shè)計(jì)限制，原動機(jī)、曲軸箱體密封不好，不同程度存在著泄漏潤滑油的現(xiàn)象，而基座又存在著半封閉制造，導(dǎo)致泄漏的潤滑油不能夠及時(shí)排放，長期聚集在設(shè)備底座，并隨著基座滲透、蔓延、散流。附近的原動機(jī)的排氣管線高達(dá)400℃，且距設(shè)備基座不超過20cm，當(dāng)區(qū)域環(huán)境達(dá)到條件，就會發(fā)生潤滑油自然火災(zāi)，并導(dǎo)致天然氣生產(chǎn)的次生事故，引起天然氣爆炸或者火災(zāi)。

2.5.2工藝缺陷

（1）增壓站壓縮機(jī)配套工藝管線只能實(shí)現(xiàn)氮?dú)庵脫Q，但相對壓縮機(jī)機(jī)體內(nèi)空間無法實(shí)現(xiàn)氮?dú)庵脫Q。當(dāng)執(zhí)行壓縮缸或空冷管束拆檢維修作業(yè)時(shí)，加載氣閥也無手動切換裝置，氮?dú)鉄o法通過壓縮缸及空冷管束形成回路，致使壓縮缸及空冷管束無法實(shí)現(xiàn)空氣的氮?dú)庵脫Q。當(dāng)空氣與天然氣混合物進(jìn)入上述設(shè)備內(nèi)部，啟機(jī)運(yùn)行壓縮機(jī)后，在高溫高壓的狀態(tài)下，在此過程壓縮機(jī)機(jī)體中易形成爆炸性混合物。

（2）按照GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.7.3條的要求“事故緊急停機(jī)時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)出口閥應(yīng)自動關(guān)閉，防喘振閥應(yīng)開啟，壓縮機(jī)及其配管應(yīng)泄壓”。但是目前增壓站壓縮機(jī)進(jìn)出口管線的閥門為手動球閥，未設(shè)置防喘振閥，緊急情況下無法自動切斷氣源及進(jìn)行泄壓作業(yè)。

（3）按照GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》6.7.2的要求。壓縮機(jī)組應(yīng)該安裝軸承震動監(jiān)控裝置及振動高限報(bào)警、超限自動停機(jī)裝置；壓縮機(jī)組應(yīng)設(shè)置軸承溫度及燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)氣氣體溫度監(jiān)控裝置、溫度高限報(bào)警、超限自動停機(jī)裝置；壓縮機(jī)組軸位移檢測、報(bào)警及超限自動停機(jī)裝置、壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)應(yīng)有泄放超限報(bào)警裝置。目前增壓站壓縮機(jī)組缺少以上防護(hù)檢測的設(shè)備設(shè)施。

3　壓縮機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)防控措施

壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，主要安全風(fēng)險(xiǎn)是機(jī)體超溫、超壓及人員違章操作，其次就是設(shè)計(jì)缺陷和天然氣含硫腐蝕引起潛在風(fēng)險(xiǎn)。針對這些風(fēng)險(xiǎn)，重點(diǎn)采取以下風(fēng)險(xiǎn)防控措施。

3.1防機(jī)體超溫措施

（1）根據(jù)壓縮的天然氣性質(zhì)，選擇閃點(diǎn)高、氧化后析碳量少的高級潤滑脂，注油量適當(dāng)，定期進(jìn)行油質(zhì)分析、更換新油、清洗油路。監(jiān)督檢查時(shí)對壓縮機(jī)使用的潤滑脂情況落實(shí)。

（2）壓縮機(jī)運(yùn)行中定期清除污垢，保證冷卻水暢通和冷卻水的質(zhì)量。保證壓縮機(jī)組的冷卻系統(tǒng)溫度報(bào)警及停車連鎖保護(hù)裝置完好。

（3）經(jīng)常檢查油水分離器是否正常好用，并及時(shí)排放分離出來的油和水。

3.2防超壓

（1）壓縮機(jī)出口安裝質(zhì)量好的單流閥代替截止閥，防止加載后出口流程截?cái)嘣斐沙瑝骸?/p>

（2）在壓縮機(jī)進(jìn)、出口設(shè)高、低壓報(bào)警和高壓越限連鎖停機(jī)保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動監(jiān)控。防止意外發(fā)生。

3.3防硫化氫腐蝕

（1）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況增加簡易脫硫裝置，降低介質(zhì)中硫化氫含量，減少硫化氫對壓縮機(jī)組內(nèi)部部件的腐蝕。

（2）根據(jù)運(yùn)行時(shí)限，對壓縮機(jī)個(gè)別關(guān)鍵部件進(jìn)行更換，防止出現(xiàn)腐蝕導(dǎo)致其它潛在事故出現(xiàn)。

（3）對增壓站內(nèi)與壓縮天然氣接觸的設(shè)備、管道、管件、閥門、法蘭、墊片等的材質(zhì)選用抗硫材料代替。

3.4防火防爆措施

（1）壓縮機(jī)進(jìn)氣、出口管線設(shè)自動截?cái)嚅y。當(dāng)發(fā)生天然氣泄漏、火災(zāi)或其它事故時(shí)，操作人員能及時(shí)關(guān)閉截?cái)嚅y，切斷氣源。

（2）增壓站增設(shè)可燃?xì)怏w檢測報(bào)警系統(tǒng)，對運(yùn)行過程泄露的可燃?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)控、報(bào)警、連鎖保護(hù)。

（3）定期對增壓站進(jìn)行系統(tǒng)檢測驗(yàn)漏。

（4）在壓縮機(jī)檢修作業(yè)結(jié)束后，進(jìn)行氮?dú)庵脫Q時(shí)對壓縮機(jī)手動盤車，使壓縮缸進(jìn)、出氣閥自動打開，形成回路，置換出壓縮缸內(nèi)的空氣，確保在運(yùn)行時(shí)天然氣與空氣不接觸。

3.5完善工藝設(shè)計(jì)

（1）將壓縮機(jī)的進(jìn)出口管線的手動控制閥門更換成自動控制閥門，便于緊急情況下自動切斷氣源及進(jìn)行泄壓。

（2）給壓縮機(jī)組安裝軸承震動監(jiān)控裝置及振動高限報(bào)警、超限自動停機(jī)裝置；給壓縮機(jī)增設(shè)軸承溫度進(jìn)氣溫度監(jiān)控裝置、溫度高限報(bào)警、超限自動停機(jī)裝置；給壓縮機(jī)組增設(shè)軸位移檢測、報(bào)警及超限自動停機(jī)裝置；壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)增設(shè)泄放超限報(bào)警裝置；壓縮機(jī)進(jìn)、出口增加高、低壓報(bào)警和高壓越限停機(jī)裝置。

4　結(jié)論

以上是在幾年來對生產(chǎn)單位增壓站壓縮機(jī)在使用過程中出現(xiàn)的問題及其他壓縮機(jī)使用單位發(fā)生事故的原因分析，結(jié)合現(xiàn)有國家標(biāo)和企業(yè)規(guī)范，對增壓站運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的分析與認(rèn)識，提出的防范措施與建議。目前，新投產(chǎn)的壓縮機(jī)的進(jìn)出口管線的手動控制閥門已經(jīng)更換成自動控制閥門，增壓站增設(shè)可燃?xì)怏w檢測報(bào)警系統(tǒng)，介質(zhì)為含硫天然氣的壓縮機(jī)管、閥、配件更換為抗硫材質(zhì)，運(yùn)行安全可靠性得到提高。