输气管道压缩机厂房设置优选方案

2019-11-12董平省刘少山安云朋吴凤荣

天然气工业 2019年10期

董平省刘少山安云朋吴凤荣黄蕾

1.中国石油天然气管道工程有限公司 2.中国石油天然气股份有限公司管道长春输油气分公司

0 引言

压缩机厂房是天然气管道站场重要的建筑单体，用于保护压缩机组免受外界自然环境的影响，为运行维护人员提供合适的工作场所以及减少压缩机组对周边环境的噪声影响。常见的压缩机厂房设置方案包括联合厂房方案（多台压缩机组布置在同一座压缩机厂房内）和独立厂房方案（各压缩机组分别设置在独立的压缩机厂房内）。前者占地较少、共用设施较多、经济投资较小，但厂房内若有报警或其他紧急工况，厂房内所有的压缩机组都需停车，压缩机组之间相互影响较多；后者虽然占地较多，各种仪表系统、照明系统、通风系统、桁吊等都需要单独设置，经济投资较高，但厂房及压缩机组之间相互影响较小、安全可靠性较高、运行较灵活。究竟选择何种方案来设置压缩机厂房，在以往的设计文件中鲜有提及。近年来，随着我国天然气管道建设的快速发展，天然气场站用地大小与日益紧张的土地资源之间的矛盾越来越突出，同时，对于场站运行的安全性、灵活性同样也不容忽视。对于设计阶段到底选取何种压缩机厂房设置方案有必要进行深入研究。为此，结合国内外相关规范和工程实践[1-2]，对上述两种布置方案的影响因素进行了分析，给出了确定压缩机厂房设置方案的分析方法[3-9]，以供相关设计人员参考。

1 国内外标准规范及相关规定

1.1 美国标准、法规

1）ASME B31.8—2018《气体输送和分配管道系统》[10]。本规范并未明确提出压气站场中压缩机厂房采用独立厂房方案或联合厂房方案，仅在843 压气站中，843.1.1提出压缩机厂房与周边非同一公司管辖的设施留有一定的间距，以降低周边建筑物失火造成对压缩机厂房的灾害影响，压缩机厂房周边留有足够的空地，以便消防设备能够自由进出。

2）49CFR 192.163《美国联邦法典第49部—运输中第192部分—管道输送天然气和其他气体》[11]。压缩机站设计和施工中也未对压缩机厂房布置方案进行规定。

1.2 苏联规范

1）苏联天然气工业部OНTП 51-1—1985《干线输气管道工艺设计规范》[12]。本规范并未明确提出压气站场中压缩机厂房采用独立厂房方案或联合厂房方案，在规范3.2.1中明确了压气站场压缩机厂房布置方案应根据车间内输气机组的结构特点，输气机组应当安装在共用建筑物、单独建筑物或集装箱内。

2）哈萨克斯坦规范（以下简称为哈国规范）CT РК 1916—2009《干线输气管道工艺设计要求》[13]。在规范7.3.2 中规定，压缩机组可以安装在独立的易于组装的厂房内、橇装设计或公共建筑物内。

1.3 欧洲标准

1）欧洲标准EN12186—2014《燃气设施：输配用调压站功能要求》[14]。本规范并未明确提出压气站场中压缩机厂房采用独立厂房方案或联合厂房方案，仅在7.2中对厂房各部分的材质、防火以及通风要求进行了说明。

2）英国标准 IGEM/TD/1 Editon 5《英国燃气协会高压天然气管道安装与输送》[15]。本规范并未明确提出压气站场中压缩机厂房采用独立厂房方案或联合厂房方案，仅在9.2中规定了站场选址要求以及站内各设备的布置要保证安全和维检修通道要求。

1.4 ISO标准

1）ISO 13623：2017《石油和天然气工业：管道输送系统》[16]。本规范并未明确提出压气站场中压缩机厂房采用独立厂房方案或联合厂房方案，仅在7.2中布局中规定了场站各设备布局要尽可能地减少火灾影响。

1.5 国内标准

1） GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》[17]。该规范第6.3节压缩机组的布置和厂房设计中对压缩机组是露天安装还是室内安装、全封闭厂房和半敞开式厂房以及机组的布置间距和防火要求进行了说明。该规范未就独立厂房和联合厂房设置进行说明。

2）GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》[18]。GB50183—2004没有对压缩机厂房是设置独立厂房还是联合厂房做出要求。

3）GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[19]。该规范对不同类型厂房的耐火等级和防火分区的最大允许建筑面积进行了规定，未针对压缩机组厂房设置方案进行说明。

综上可知，各国标准均对压缩机组厂房设置未做要求。

2 国内外典型工程

2.1 北美典型管道

2.1.1 Alliance管道

Alliance管道设计输气量为（37.5～45.3）×106m3/d。全线共设14座压气站，加拿大和美国各7座，干线全长2 988 km，加拿大境内集气干线管径为1 016 mm，管长为 339 km，输气干线管径为 9 146 mm，管长为2 649 km，全线14个压气站仅首末站设置多台机组，其余站场1站1机。通过查询相关资料，Alliance管道压气站场压缩机厂房采用独立厂房方式。

2.1.2 Kern River 天然气管道

Kern River 天然气管道隶属于美国科恩河输气公司。管道起始于怀俄明州的气田，终于加利福尼亚州的贝克斯菲尔德（Bakersfield），管道全长2 688 km，管径介于914.4～1 066.8 mm，管道埋深介于0.9～1.5 m。管道输送能力为 4 800×104m3/d，共有 11 个增压站，采用美国索拉公司的燃气轮机驱动离心式压缩机组19台，增压站总功率为213 270 kW。压气站场压缩机厂房采用联合厂房方式。

2.1.3 落基快线天然气管道 (Rockies Express Рipeline，REX)

落基快线起于美国西部的科罗拉多州最后达到东部的俄亥俄州，通过8个州，全长2 702 km，其中2 483 km 管径为 1 067 mm，设计压力为 10.2 MРa，设计输气量为180×108m3/a。自2006年开始分段分期建设，全线于2009年11月12日投产。压气站场压缩机厂房采用联合厂房方式。

2.1.4 TransCanada输气管道

横贯加拿大输气管道全长8 500 km，管径介于500～1 000 mm，拥有46座压气站、2座移动式压气机组和145座调压计量站。管道输气量达300×108m3/a。压气站场压缩机厂房采用独立厂房方式。

2.2 苏联地区管道

2.2.1 俄罗斯奥伦堡—乌日戈罗德输气管道

管道长 2 790 km，管径为 1420 mm，工作压力为7.45 MРa。共22座压气站，站间距离106～170 km。管道建设过程中采用模块化建设，压缩机组设置在独立厂房内。

2.2.2 俄罗斯共青城—车列亚宾克输气管道

管道单线，管径为1 420 mm，操作压力7.45 MРa。管道长1 547 km，计划建造13座压气站。为了安全运行和维护，每台压缩机设置在单独的建筑物内，由控制中心和电力设施间提供控制。

2.2.3 中亚输气管道

中亚A/B/C线管道，采用独立厂房布置方案，压缩机厂房布置过程中除了考虑厂房间的维检修通道外，还按照中亚地区规范要求，各压气站场需设置独立的避雷针，压缩机厂房应设置在避雷针的保护范围内，故各厂房间距基本相等，约20 m。

2.3 泰国压气站

泰国压气站设计压力为9.8 MРa，最大运行压力为8.72 MРa，站内设置4台压缩机组，采用2座独立厂房，每座厂房设置2台压缩机组。两座厂房间距仅考虑维修、检修通道。

2.4 国内典型工程

2.4.1 西气东输管道

西气东输管道系统是我国从西北向东部输送塔里木气田来气及中亚A/B/C线来气的重要能源通道，压气站中主要采用联合压缩机厂房（西一线安全改造工程部分站场增加单独厂房）。厂房布置过程中，考虑与周边建构筑物的防火间距。厂房内部考虑压缩机维修、检修通道。

2.4.2 陕京系统输气管道

陕京输气管道系统（陕京一线、二线、三线等）压气站中也采用联合压缩机厂房。厂房布置过程中，考虑与周边建构筑物的防火间距。厂房内部考虑压缩机维修、检修通道。

2.4.3 中缅输气管道

中缅输气管道系统压气站中采用联合压缩机厂房。厂房布置过程中，考虑与周边建构筑物的防火间距。厂房内部考虑压缩机维修、检修通道。

通过对国外典型工程和国内典型工程调研分析得知，北美管道中加拿大境内以独立厂房为主，美国管道压缩机设置独立厂房方案或联合厂房方案都有，苏联地区压缩机厂房大部分为独立厂房方案，国内输气管道目前主要为联合厂房方案。

3 压气站场安全风险分析

3.1 压缩机厂房防火、抗爆设计原则分析

3.1.1 防火设计原则分析

结合国内外工程和相关规范分析，当压缩机组联合布置位于一座厂房内时即联合厂房方案，各压缩机组之间仅考虑操作及运行维修、检修要求，不考虑防火间距。当压缩机布置在独立厂房内时，各压缩机厂房之间仅执行GB 50016—2014《建筑设计防火规范》，考虑建筑防火间距。

3.1.2 抗爆设计原则分析

压气站场区内的建筑单体，对于哪些需要进行抗爆设计，没有相应的规范、标准给出明确的规定。但是抗爆建筑的设置原则是，当发生爆炸事故时，必须确保建筑物内的操作人员生命安全及关键设备正常工作，以防止系统中断而引发次生灾害或扩大事故后果。因此，控制室作为全场生产装置操作、控制的中心，一般需要进行抗爆设计。在国际项目中，也有业主认为供配电系统也是在发生爆炸事故时保证关键设备正常运行的重要保障，因此，也要求发配电间（变电所）进行抗爆设计。例如泰国压气站项目，发配电间就是抗爆建筑。

3.2 压缩机厂房火灾、爆炸安全风险分析

压缩机组在运行过程中，不仅输送的高压天然气是重要火灾危险源，为维护机组运行，压缩机组中含有大量的润滑油，同样也是危险源（以国产18 MW高速直联电驱机组为例，含有约11 330 L润滑油。当机组或与机组连接的管道、管件发生天然气泄漏引起火灾或润滑油意外点燃，均可能引起天然气和润滑油同时燃烧，进而可能造成机组、润滑油罐爆炸等风险。为了更进一步对不同厂房方案进行安全风险对比分析，笔者对压缩机组发生的火灾爆炸进行了定量计算分析。

参照国内外有关标准规范作为评价标准，火焰热辐射强度和爆炸冲击波对建筑物的影响依据AQ/T 3046 和挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）《A guide to QRA for Offshore Installation》，泄漏气体点火后热辐射强度的影响标准，采用挪威船级社开发的DNV РНAST软件计算不同泄漏场景及后果。

压缩机单元管道破裂时发生喷射火时下风向的影响范围分别见表1和图1。

设计压力为12 MРa压缩机单元管道破裂时发生爆炸时下风向的影响范围在30 m内爆炸冲击波为1.97 MРa，持续时间约为 0.1 s（图 2、3）。

压缩机厂房为有爆炸危险的甲类厂房，耐火极限为二级。根据上述定量计算，得出如下结论。

1）当机组发生火灾不考虑爆炸工况（独立厂房，厂房间距为12 m）。压缩机厂房的燃烧持续时间介于4～49 min。考虑尽量避免独立厂房之间燃烧的影响，将独立厂房相邻外墙（山墙）的耐火时间提高到48～60 min，可起到一定的阻燃作用，未发生火灾的厂房，机组可能不被波及，独立厂房方案优于联合厂房方案。

表1 压缩机单元管道泄漏喷射火影响最远距离表

图2 风速8 m/s、设计压力12 MРa条件下压缩机单元管道泄漏单一爆炸冲击波随距离变化图

图3 风速8 m/s、设计压力12 MРa条件下压缩机单元管道泄漏爆炸冲击波随距离变化图

2）当压缩机组发生爆炸工况。压缩机组发生火灾后，有可能引起爆炸，压缩机单元管道破裂时发生爆炸时下风向的影响范围在30 m内爆炸冲击波为1.97 MРa，厂区范围内的所有建筑物等可能被摧毁。无论是联合厂房方案还是独立厂房方案，后果基本一致[20-22]。

4 管道系统供气安全分析

对于单条管线的压气站场，紧急停车系统（Emergency Shutdown Device，ESD）通常分为 3 级，即单机组ESD、压缩机厂房ESD和全站ESD。对于多条管道组成的联合站场，ESD往往分为4级，即单机组ESD、压缩机厂房ESD、单条管线ESD和全站ESD[23-25]。

采用独立厂房方案，若压缩机厂房可燃气体浓度超限（厂房内有2个或2个以上的可燃气体浓度探测仪检测到可燃气体浓度超过最低爆炸下限的40%），则会直接触发站场第二级ESD（压缩机厂房ESD）间接触发站场第一级ESD（单机组ESD），造成这座独立厂房内的压缩机组停运。

采用联合厂房方案，若厂房内可燃气体浓度探测仪探测到可燃气体浓度超过40%爆炸下限，则会直接触发站场第二级ESD（压缩机厂房ESD）间接触发站场第一级ESD（所有机组ESD），造成联合厂房内所有压缩机组停运。

当站场发生火灾工况，无论是独立厂房方案，还是联合厂房方案，都将执行第三级全站ESD，所有机组停运。

某输气管道设计输气量为 1.131 6×108m3/d，管径为 1 422 mm，设计压力为 12 MРa，管线长度为870 km。分别以该输气管线首站和中间压气站和末端压气站为例，进行输气管道系统失效降量分析（表2）。

表2 某输气管道压缩机组停车输气管道系统降量表

根据上述分析，独立厂房方案较联合厂房方案在发生厂房ESD时，处置较灵活，造成整站停车的可能性较联合厂房小。当1台机组发生事故造成机组停车时，采用独立压缩机厂房方案，输气管道系统基本无降量，采用联合厂房方案对管道整体输气量有一定的影响。当2台及多台机组发生事故造成机组停车时，场站压缩机组整体失效，独立压缩机厂房方案与联合厂房方案影响相同[26]。

5 不同布置方案下经济对比

独立压缩机厂房方案与联合压缩机厂房方案在经济上主要体现在征地费用、土建工程费用、安装费用、压缩机厂房配套设备（吊车、各种仪表探头、照明、消防设备、暖通设施等）、厂房内各设备运行费用等[3-9]。笔者以我国北方某管线为例，对站场设置4台压缩机组、3台压缩机组、2台压缩机组分别布置在独立厂房和联合厂房两个方案进行经济对比分析，结果如表3～5所示。

表3 4台压缩机组不同厂房设置方案费用现值表

表4 3台压缩机组不同厂房设置方案费用现值表

表5 2台压缩机组不同厂房设置方案费用现值表

根据上述对比，当压气站场设置4台压缩机组时，压气站采用联合厂房方案，费用现值最低，与独立压缩机厂房方案相差约1 064万元，减少幅度约17.3%；当压气站场设置3台压缩机组时，压气站采用联合厂房方案与独立压缩机厂房方案相差约813万元，减少幅度约17.5%；当压气站场设置2台压缩机组时，压气站采用联合厂房方案与独立压缩机厂房方案相差约429万元，减少幅度约13.9%。