天然气增压站压缩机运行安全风险与控制

宋志军 杨青文 康树臣 李 炜

长庆油田安全环保监督部第六监督站



天然气增压站压缩机运行安全风险与控制

宋志军 杨青文 康树臣 李 炜

长庆油田安全环保监督部第六监督站

【摘 要】本文通过对气田典型集气站增压站压缩机工艺安全现状进行分析研究，查找现场工艺安全的薄弱环节，对增压站压缩机的工艺安全、火灾性提出了防范安全措施，提出工艺、安全管理改进意见和建议，促进天然气压缩机的运行安全管理。

【关键词】天然气压缩机；风险；防范措施

气田目前正步入稳产增压生产阶段，集气站天然气生产正逐步引入以压缩机为核心设备的增压生产模式，其安全运行对天然气集输、生产的影响非常大。同时，天然气属于易燃、易爆、含毒（主要指硫化氢）危险品，一旦发生火灾爆炸事故，不仅增压站设备设施受损，而且对周围建筑物和环境也有极大威胁。因此做好天然气增压站压缩机组运行过程中风险因素识别和提出控制削减措施是实现天然气集气站安全平稳运行的前提和基础，具有重大的意义。

1　天然气压缩机概况

1.1天然气压缩机技术概况

目前，天然气压缩机的生产厂家主要集中在美国，以库伯公司、艾里尔公司和德来赛兰公司等为代表。国内天然气压缩机生产厂家主要有代表COOPER-AJAX技术的成都压缩机厂，代表DERSSER-RAND技术的江汉三机厂等。这些天然气压缩机在机组的自动控制方面，应用了超温、超压、振动、超负荷、超转速、超油位、超液位等方面的自动保护装置，大大提高了压缩机组的自动化程度和工作可靠性。在气田范围内使用的压缩机以DPC-2804，DPC-2803系列为主。

1.2DPC-2804天然气压缩机概况

以某增压站为例，现有1台DPC-2804整体撬装往复式天然气压缩机，其由烟台杰瑞设备能源制造有限公司生产，作为增压工艺的“心脏”其良好的工作性能是确保天然气增压开采的关键。该机组主体部分有4个动力缸，3个压缩缸，其额定功率为630kw，额定转速为440r/min。辅助系统主要有燃气系统、润滑系统、冷却系统、工艺气系统等。如图1，压缩机组具备原动机、压缩机、排气消音、分离器、空冷器等典型配置特性。机组采用微机电脑进行全自动监控，自动显示各项运行参数，实现优化运行状态、运行参数异常显示、报警与停机保护，其在实际应用中，一次性设置好机组各报警点参数以及停机保护参数后，操作员工的主要工作量就是日常巡检、运行参数实适时调整，该机型具备二次事故预防能力。

图1　压缩机组典型配置图

1.3DPC-2804压缩机动力缸工作原理

动力部分是二冲程发动机，曲轴每旋转一周，动力活塞就有一个作功冲程。当活塞向气缸头运动时，活塞后部内腔形成瞬时负压，混合阀靠压差打开，动力缸吸入新鲜空气，活塞头部首先关闭进气口，然后再封闭排气口，燃气喷射阀靠液压力打开，燃气进入动力缸，活塞继续运动，这就是压缩冲程；封在活塞头部内的这部分混合气体在接近压缩冲程终点前，由火花塞点燃，混合气体燃烧膨胀作功，使动力活塞向曲轴端运动，这就是作功冲程；当活塞运动至不能封闭排气口时，燃烧后的废气就由排气口排出，活塞继续运动，进气口被打开，这时，在压缩冲程中进入后部的空气已被压缩到具有一定的压力，形成扫气泵，再此压力下，新鲜的空气由进气口进入活塞头部的空腔，并吹扫残留在缸内的废气，有助于废气的排气，这就是进气、排气冲程，稍后，活塞又向缸头运动，又开始新的冲程。

1.4DPC-2804压缩压缩缸工作原理

如图2所示，当发动机带动曲轴旋转时，通过连杆、十字头的传动，活塞做往复运动，带动曲柄滑块机构，驱动机带动曲轴旋转，通过连杆变曲轴的旋转运动为十字头在滑道内的往复直线运动，十字头又通过活塞杆带动活塞在双作用气缸内作往复直线周期性运动，实现气体的吸入、压缩、排出，即完成一个工作循环，压缩缸组件带有可调余隙缸，余隙缸安装在压缩缸的缸头端，通过调节余隙活塞的行程可以调节余隙容积，即可实现压缩机的最大功率和最大排量的经济运行，也可满足部分变工况的要求。

图2　压缩缸工作原理图

2　压缩机运行安全因素分析

增压站站天然气压缩机组投产后，经过近几年的连续使用，气井产气量不再递减，单井产气量明显升高，气井在低井口压力下生产表现出较好的稳产能力。但从其近几年生产运行中出现的问题可以看出，压缩机的安全运行存在一定的潜在风险。

2.1增压介质的易燃易爆性

集气站增压介质是含硫天然气，天然气主要成分为甲烷，属一级可燃气体，甲类火灾危险。

2.2硫化氢腐蚀

集气站压缩机低转速自动停机，气动马达左旋头断裂，无法重新启动。经厂家维修工程师现场确认TDI公司生产的启动马达轴承部件不抗硫，集气站压缩机气动马达的多次损坏，如图3。

图3　轴承对比

压缩机因2#动力缸不点火，低转速停机。如图4所示，在维修清理火花塞时，侧电极直接腐蚀断裂。

图4　侧电极断裂火花塞

在对集气站DPC-2804压缩机进行运行管理及日常维护过程中，该机型呈现的一些腐蚀异常情况：故障维修及日常维护保养的过程中，动力缸火花塞侧电极异常减薄、断裂或在调整间隙时直接断裂，且更换较为频繁；压缩机压缩缸十字头中体撬壳内壁存在不同程度的锈蚀现象；余隙缸头导压管环状断裂；进气压变导压管环状断裂（材质为不锈钢）；压缩机4000小时保养更换曲轴箱润滑油时，能够明显闻到润滑油略带酸味，检测PH值＜7成酸性。南3增压站天然气硫化氢平均含量超过2000mg/m3。动力缸常年使用高含硫燃料气，对火花塞产生腐蚀造成侧电极减薄或断裂不能使用。压缩机压缩缸十字头中体撬壳内壁受压缩缸活塞杆密封填料磨损及活塞杆磨损，压缩缸外漏高含硫天然气冲刷撬壳内壁，造成了表面腐蚀。余隙缸头、进气压变导压管受气质影响发生硫化物应力腐蚀、氢致断裂。

2.3天然气泄漏

从集气站4000小时保养的重点针对项目“压缩缸密封填料漏气”来看，该型压缩机已经出现设备老化，压缩机体填料、活塞间隙增大、磨损严重，高压状态下天然气内泄漏和外部空间泄漏不可避免，在有限的工作腔室内与空气形成爆炸性气体混合物，甚至会进入设备系统内部，达到爆炸极限浓度的混合物遇到火源就会发生空间的爆炸或外部火灾。

现场观测，压缩缸中体联通大气的管线向外泄露天然气，且该管线接入大气，直接排放于压缩机噪音棚外，当天然气达到爆炸极限浓度时极易发生爆燃或爆炸事故。

2.4超温

集气站压缩机因十字头、连杆瓦、连杆铜套磨损烧毁停机维修。期间，增压站员工发现压缩机曲轴箱通气帽出现白色气体上逸。经检查，压缩缸十字头、连杆瓦、连杆铜套出现较为严重的磨损、烧蚀现象，润滑油大量损失。设备工程师在分析后，给出结论为维修作业致使部件配合间隙出现偏差，造成润滑间隙减少，出现磨损。

从事故本身来看，设备部件已经出现高温使润滑油粘度降低失去润滑作用，运行部件摩擦加剧进一步造成设备内温度超高，压缩机曲轴箱内的空气与雾化的润滑油或其分解产物，在较高的温度下伴随着润滑油蒸汽急剧膨胀，会致使机体密封失效，润滑油泄漏，曲轴箱有限空间内，在高温、意外机械撞击、气流冲击、电器短路、外部火灾等引燃条件下都有可能发生火灾或者爆炸。

2.5压缩机设计、制造和工艺上的风险

2.5.1压缩机设计制造缺陷

压缩系统的缺陷或故障产生于设计、制造、安装、运行和检修的各个环节。增压站在长期的运行管理中受第一台试验机型的设计限制，原动机、曲轴箱体密封不好，不同程度存在着泄漏润滑油的现象，而基座又存在着半封闭制造，导致泄漏的润滑油不能够及时排放，长期聚集在设备底座，并随着基座渗透、蔓延、散流。附近的原动机的排气管线高达400℃，且距设备基座不超过20cm，当区域环境达到条件，就会发生润滑油自然火灾，并导致天然气生产的次生事故，引起天然气爆炸或者火灾。

2.5.2工艺缺陷

（1）增压站压缩机配套工艺管线只能实现氮气置换，但相对压缩机机体内空间无法实现氮气置换。当执行压缩缸或空冷管束拆检维修作业时，加载气阀也无手动切换装置，氮气无法通过压缩缸及空冷管束形成回路，致使压缩缸及空冷管束无法实现空气的氮气置换。当空气与天然气混合物进入上述设备内部，启机运行压缩机后，在高温高压的状态下，在此过程压缩机机体中易形成爆炸性混合物。

（2）按照GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》中6.7.3条的要求“事故紧急停机时，压缩机进出口阀应自动关闭，防喘振阀应开启，压缩机及其配管应泄压”。但是目前增压站压缩机进出口管线的阀门为手动球阀，未设置防喘振阀，紧急情况下无法自动切断气源及进行泄压作业。

（3）按照GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》6.7.2的要求。压缩机组应该安装轴承震动监控装置及振动高限报警、超限自动停机装置；压缩机组应设置轴承温度及燃气轮机透平进气气体温度监控装置、温度高限报警、超限自动停机装置；压缩机组轴位移检测、报警及超限自动停机装置、压缩机干气密封系统应有泄放超限报警装置。目前增压站压缩机组缺少以上防护检测的设备设施。

3　压缩机运行风险防控措施

压缩机在运行过程中，主要安全风险是机体超温、超压及人员违章操作，其次就是设计缺陷和天然气含硫腐蚀引起潜在风险。针对这些风险，重点采取以下风险防控措施。

3.1防机体超温措施

（1）根据压缩的天然气性质，选择闪点高、氧化后析碳量少的高级润滑脂，注油量适当，定期进行油质分析、更换新油、清洗油路。监督检查时对压缩机使用的润滑脂情况落实。

（2）压缩机运行中定期清除污垢，保证冷却水畅通和冷却水的质量。保证压缩机组的冷却系统温度报警及停车连锁保护装置完好。

（3）经常检查油水分离器是否正常好用，并及时排放分离出来的油和水。

3.2防超压

（1）压缩机出口安装质量好的单流阀代替截止阀，防止加载后出口流程截断造成超压。

（2）在压缩机进、出口设高、低压报警和高压越限连锁停机保护装置，实现远程自动监控。防止意外发生。

3.3防硫化氢腐蚀

（1）根据现场实际情况增加简易脱硫装置，降低介质中硫化氢含量，减少硫化氢对压缩机组内部部件的腐蚀。

（2）根据运行时限，对压缩机个别关键部件进行更换，防止出现腐蚀导致其它潜在事故出现。

（3）对增压站内与压缩天然气接触的设备、管道、管件、阀门、法兰、垫片等的材质选用抗硫材料代替。

3.4防火防爆措施

（1）压缩机进气、出口管线设自动截断阀。当发生天然气泄漏、火灾或其它事故时，操作人员能及时关闭截断阀，切断气源。

（2）增压站增设可燃气体检测报警系统，对运行过程泄露的可燃气体进行监控、报警、连锁保护。

（3）定期对增压站进行系统检测验漏。

（4）在压缩机检修作业结束后，进行氮气置换时对压缩机手动盘车，使压缩缸进、出气阀自动打开，形成回路，置换出压缩缸内的空气，确保在运行时天然气与空气不接触。

3.5完善工艺设计

（1）将压缩机的进出口管线的手动控制阀门更换成自动控制阀门，便于紧急情况下自动切断气源及进行泄压。

（2）给压缩机组安装轴承震动监控装置及振动高限报警、超限自动停机装置；给压缩机增设轴承温度进气温度监控装置、温度高限报警、超限自动停机装置；给压缩机组增设轴位移检测、报警及超限自动停机装置；压缩机干气密封系统增设泄放超限报警装置；压缩机进、出口增加高、低压报警和高压越限停机装置。

4　结论

以上是在几年来对生产单位增压站压缩机在使用过程中出现的问题及其他压缩机使用单位发生事故的原因分析，结合现有国家标和企业规范，对增压站运行风险的分析与认识，提出的防范措施与建议。目前，新投产的压缩机的进出口管线的手动控制阀门已经更换成自动控制阀门，增压站增设可燃气体检测报警系统，介质为含硫天然气的压缩机管、阀、配件更换为抗硫材质，运行安全可靠性得到提高。