煉廠天然氣調(diào)壓系統(tǒng)長(zhǎng)周期運(yùn)行分析

＊黃 聰

（中國(guó)石油廣西石化公司規(guī)劃計(jì)劃處 廣西 535000）

1.某煉廠天然氣調(diào)壓站故障裝置停車(chē)

某煉廠燃料氣管網(wǎng)以天然氣為主要原料，高壓4.0MPa的壓縮天然氣經(jīng)天然氣減壓撬裝第一級(jí)減壓至1.5MPa，再經(jīng)過(guò)二級(jí)減壓至0.45MPa，送全廠燃料氣管網(wǎng)供各裝置加熱爐使用。減壓撬裝設(shè)計(jì)有10000Nm3/h和40000Nm3/h兩路互備用，設(shè)計(jì)運(yùn)行流量為0～40000Nm3/h，實(shí)際正常工況，運(yùn)行流量3000～15000Nm3/h之間。

(1)案例一

某日，該煉廠多套裝置開(kāi)工恢復(fù)生產(chǎn)期間，全廠燃料氣管網(wǎng)出現(xiàn)壓力突然降低，儲(chǔ)運(yùn)內(nèi)操快速提高液化氣補(bǔ)充燃料氣管網(wǎng)用量、增加啟動(dòng)火炬氣回收壓縮機(jī)，平衡燃料氣管網(wǎng)壓力。在此期間，催化同時(shí)調(diào)整了干氣自用和去燃料氣管網(wǎng)用量，燃料氣管網(wǎng)壓力瞬間從0.42MPa上升至0.57MPa，燃料氣管網(wǎng)壓力超過(guò)二級(jí)切換閥設(shè)定壓力，減壓撬裝二級(jí)、一級(jí)陸續(xù)超壓起跳切斷，天然氣調(diào)壓裝置聯(lián)鎖，天然氣補(bǔ)充管網(wǎng)被迫中斷，全廠燃料氣管網(wǎng)瞬間降低，導(dǎo)致多個(gè)用氣裝置加熱爐燃料氣流量低聯(lián)鎖停工。

(2)案例二

因天然氣同比液化氣價(jià)格差異較大，煉廠為了降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，統(tǒng)籌調(diào)整大量液化氣汽化后補(bǔ)充燃料氣管網(wǎng)，以控制天然氣日用量，降低燃料動(dòng)力成本。天然氣小時(shí)用量控制0～2500Nm3/h，儲(chǔ)運(yùn)部門(mén)為防止天然氣減壓后吸熱，管道出現(xiàn)凝液堵塞壓力指揮器，要求班組控制天然氣出站溫度35℃。5個(gè)月的時(shí)間，天然氣減壓撬裝多次出現(xiàn)一級(jí)調(diào)壓壓力無(wú)法穩(wěn)定調(diào)節(jié)，二級(jí)調(diào)壓閥前置壓力高跳停，全廠燃料氣管網(wǎng)大幅波動(dòng)。

(3)案例三

某日，該煉廠減壓撬裝45000Nm3/h運(yùn)行期間，一級(jí)調(diào)壓段切斷閥閥板脫落，瞬間封閉了天然氣流道，備用路未正常啟動(dòng)，天然氣減壓撬裝瞬間停用，造成全廠燃料氣管網(wǎng)壓力快速降低，全廠多個(gè)裝置加熱爐低流量聯(lián)鎖停工。

2.天然氣調(diào)壓故障聯(lián)鎖原因分析

(1)未按設(shè)計(jì)參數(shù)操作

①天然氣調(diào)壓設(shè)施設(shè)計(jì)流量0～40000Nm3/h，實(shí)際用量長(zhǎng)期維持45000Nm3/h流量，超負(fù)荷113%運(yùn)行。天然氣撬裝長(zhǎng)期、大負(fù)荷波動(dòng)流量，高速、高壓天然氣沖刷閥板和連接桿，閥桿與閥板連接部位逐漸松動(dòng)，最終閥板掉落封閉了流體通道，導(dǎo)致減壓撬裝天然氣流量中斷造成裝置停車(chē)。

②天然氣出站溫度控制35℃，按照天然氣高、低流量工況，兩級(jí)減壓吸熱分別10℃、15℃計(jì)算，一級(jí)減壓換熱溫度達(dá)55～65℃，雖然高溫度防止了天然氣減壓后管線出現(xiàn)凝液，保障了調(diào)壓指揮器的穩(wěn)定，但高溫工況，也降低了調(diào)壓閥閥芯密封圈（丁晴橡膠）的使用壽命[1]。停工檢修期間，打開(kāi)閥芯檢查，發(fā)現(xiàn)調(diào)壓閥閥芯密封圈磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)毛刺、凹凸、起皮等情況。

③撬裝運(yùn)行原理掌握不清，系統(tǒng)思維不足。當(dāng)全廠燃料氣用量增大時(shí)，沒(méi)有從燃料氣補(bǔ)壓系統(tǒng)的機(jī)理出發(fā)，一味大流量補(bǔ)充。全廠一盤(pán)棋的思維有差距，裝置間缺乏溝通和生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)，出現(xiàn)液化氣汽化器主動(dòng)補(bǔ)充天然氣管網(wǎng)和裝置開(kāi)工干氣并燃料氣管網(wǎng)同時(shí)操作，管網(wǎng)壓力出現(xiàn)1+1產(chǎn)生大于2的后果，導(dǎo)致天然氣調(diào)壓系統(tǒng)二級(jí)減壓切斷閥超壓跳停。

(2)設(shè)計(jì)存在缺陷

①天然氣減壓撬裝，本身就是通過(guò)節(jié)流、增加流速、降低壓力的原理，減壓閥處、閥門(mén)后高速流動(dòng)的天然氣會(huì)產(chǎn)生很大的噪音和振動(dòng)，切斷閥為彈簧機(jī)械掛鉤式，系統(tǒng)設(shè)置有超壓跳停切斷保護(hù)裝置，高流速動(dòng)的天然氣沖刷膜片，存在切斷閥脫鉤、跳停風(fēng)險(xiǎn)。

②減壓撬裝單獨(dú)一級(jí)的調(diào)壓閥和切斷閥至下一級(jí)短管泄壓設(shè)計(jì)為就地方式，某一級(jí)出現(xiàn)故障異常切斷，現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)前，只能將切斷閥至手閥段就地泄壓，存在氣體空間遇火源閃爆的安全風(fēng)險(xiǎn)。

③天然氣減壓撬裝主副路設(shè)計(jì)為非壓力、機(jī)械、自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)置，主副路切換采用切斷閥人工控制，主路運(yùn)行異常，出現(xiàn)跳停中斷，副路無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、平穩(wěn)切換，主副路切換無(wú)自動(dòng)備用功能。

④為減少用地，天然氣減壓撬裝一二級(jí)系統(tǒng)采用折疊式、雙層設(shè)計(jì)，高速流動(dòng)天然氣經(jīng)過(guò)一級(jí)減壓-切斷后，在二級(jí)匯管匯合后，此過(guò)程天然氣流動(dòng)方向改變180°，進(jìn)入二級(jí)減壓-切斷和三級(jí)匯管，改變方向的干氣流動(dòng)方向紊亂，增加了管路流動(dòng)的噪音，也不利于二級(jí)減壓撬裝段的平穩(wěn)運(yùn)行[3]。

圖1 折疊式天然氣兩級(jí)減壓撬裝示意圖

(3)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)不到位

①日常檢查和測(cè)試不到位。撬裝日常僅開(kāi)展每班巡檢和每月定期氣密檢查，除此之外，再無(wú)其他日常檢查項(xiàng)。主副路未開(kāi)展定期切換測(cè)試，備用路是否真正起到備用功能，狀態(tài)不清。

②因無(wú)法定期切換，未能定期打開(kāi)檢查切斷閥掛鉤磨損情況。另外切斷閥閥板掛鉤設(shè)計(jì)采用螺紋連接，存在因振動(dòng)大、沖刷后閥板脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

③設(shè)備定期保養(yǎng)能力不足。大檢修周期開(kāi)展保養(yǎng)，保養(yǎng)采取自行購(gòu)買(mǎi)配件更換，維保隊(duì)伍安裝，廠家遠(yuǎn)程指導(dǎo)調(diào)試的模式。雖省時(shí)省力，但受限于維保對(duì)調(diào)壓撬裝原理的理解不深，安裝的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、尺寸、數(shù)據(jù)與出廠數(shù)據(jù)偏差較大，回裝運(yùn)行后，減壓撬裝運(yùn)行噪音大、調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)波動(dòng)大、切斷閥掛鉤無(wú)法滿(mǎn)扣，系統(tǒng)運(yùn)行切斷風(fēng)險(xiǎn)明顯上升。

3.改進(jìn)措施

(1)合理選配調(diào)壓站設(shè)備

大型調(diào)壓設(shè)備按照調(diào)壓壓差，設(shè)置有單級(jí)和多級(jí)調(diào)節(jié)設(shè)施，一般壓差低于1MPa采用單級(jí)調(diào)壓，高于1MPa采用兩級(jí)或者多級(jí)調(diào)壓。調(diào)壓撬裝安裝流程為一級(jí)（過(guò)濾+調(diào)壓+切斷）、二級(jí)（調(diào)壓+切斷）、出入口切斷自保。

過(guò)濾器：選擇過(guò)濾雜質(zhì)精度不低于20μm，避免顆粒物進(jìn)入系統(tǒng)，影響指揮器調(diào)節(jié)精度或調(diào)壓和切斷設(shè)備。

復(fù)熱器：主要防止天然氣減壓過(guò)程中出現(xiàn)“冰堵”，建議選擇熱媒水等溫差較低的介質(zhì)，防止換熱溫度變化大，撬裝出站溫度控制難度大，數(shù)值波動(dòng)。

撬裝減壓形式：多級(jí)減壓撬裝，建議選擇兩級(jí)、水平安裝形式，避免為減少設(shè)施面積，選擇折疊式兩級(jí)調(diào)壓形式，以提高撬裝運(yùn)行穩(wěn)定性，降低運(yùn)行噪音。

調(diào)壓閥：選擇抗沖擊、抗磨損、有加強(qiáng)圈固定密封膜片的調(diào)壓閥，提高調(diào)壓閥使用壽命和異常工況抗沖刷能力，并在設(shè)計(jì)階段就在減壓后管道，增加消音器，降低噪音和振動(dòng)。

切斷閥：采用快切、快關(guān)、壓力調(diào)節(jié)靈敏型彈簧蓄能型機(jī)械切斷閥，異常期間保護(hù)撬裝安全。

系統(tǒng)恢復(fù)前泄壓流程：建議每一級(jí)減壓和切斷裝置至手動(dòng)閥之間增加專(zhuān)用泄壓流程，防止撬裝某一級(jí)異常跳停中斷，現(xiàn)場(chǎng)密閉泄壓和恢復(fù)撬裝功能。

(2)合理設(shè)定調(diào)壓站運(yùn)行參數(shù)

為保證調(diào)壓站連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，滿(mǎn)足系統(tǒng)主路跳停，副路自動(dòng)切換的要求。天然氣減壓撬裝的壓力設(shè)置需要分級(jí)設(shè)置（見(jiàn)圖2壓力標(biāo)注位置）。

圖2 兩級(jí)天然氣減壓撬裝設(shè)置示意圖

兩級(jí)減壓撬裝壓力設(shè)定符合：P1＞P2＞P3＞P4＞P5＞P6＞P7＞P8。

P1—一級(jí)副路切斷壓力；P2—一級(jí)主路切斷壓力；P3—一級(jí)主路調(diào)壓壓力；P4—一級(jí)副路調(diào)壓出口壓力；P5—二級(jí)副路切斷壓力；P6—二級(jí)主路切斷壓力；P7—二級(jí)主路調(diào)壓壓力；P8—二級(jí)副路調(diào)壓壓力。

通過(guò)兩級(jí)減壓撬裝調(diào)壓和切斷壓力差值和梯度的設(shè)定，當(dāng)一級(jí)主路異常跳停，一級(jí)匯管壓力低于P4，一級(jí)副路按照壓力設(shè)定進(jìn)入調(diào)壓工況，維持一級(jí)調(diào)壓后匯管壓力不高于P4，實(shí)現(xiàn)正常工況主副路自主流量調(diào)節(jié)和異常工況主副路自主切換，其他各路原理以此類(lèi)推[3]。

為防止產(chǎn)生“冰堵”現(xiàn)象，天然氣出撬裝出口溫度必須控制在天然氣、水、烴類(lèi)露點(diǎn)以上。天然氣、水、烴類(lèi)等介質(zhì)露點(diǎn)見(jiàn)表1，天然氣出站溫度過(guò)低會(huì)出現(xiàn)露點(diǎn)腐蝕和冰堵，堵塞指揮器，影響切斷閥、調(diào)壓閥運(yùn)行穩(wěn)定性。溫度過(guò)高影響調(diào)壓閥膜片壽命。一般控制天然氣出站溫度20～25℃。

表1 各類(lèi)介質(zhì)露點(diǎn)溫度（單位：℃）

(3)專(zhuān)業(yè)的維護(hù)保養(yǎng)

堅(jiān)持以專(zhuān)業(yè)的工作交給專(zhuān)業(yè)的人做的思路，減壓撬裝調(diào)壓閥、切斷閥裝配精度較高，需要用到專(zhuān)用的裝配工具，并在特定的環(huán)境和控制裝配間隙的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行。單次徹底維護(hù)保養(yǎng)檢修內(nèi)容包括：O型圈膜片全部更換、調(diào)壓閥切斷閥拆解檢查內(nèi)部構(gòu)件、閥體打壓測(cè)試、調(diào)壓閥壓力定壓、指揮器調(diào)節(jié)鎖定、切斷閥切斷壓力測(cè)試。

(4)精細(xì)的操作培訓(xùn)和應(yīng)急演練

建立標(biāo)準(zhǔn)的天然氣減壓撬裝投用、停用規(guī)程和操作卡，編寫(xiě)撬裝異常停用判斷和應(yīng)急處置卡，在現(xiàn)場(chǎng)懸掛明顯的系統(tǒng)流程和操作卡提示板，落實(shí)操作“手指口述”操作法，提高人員培訓(xùn)效果。定期開(kāi)展天然氣撬裝異常停工模擬測(cè)試，仿真測(cè)試培訓(xùn)效果。

除燃料氣管網(wǎng)異常主副路自動(dòng)切換外，還必須在生產(chǎn)運(yùn)行上，想辦法尋找在全廠天然氣用量最低符合機(jī)會(huì)（該煉廠是結(jié)合氫氣膜回收檢修期間，天然氣減壓撬裝用量2000Nm3/h期間進(jìn)行），按照半年/次的頻率，進(jìn)行人工主動(dòng)主副路切換測(cè)試，驗(yàn)證主副路壓力設(shè)定實(shí)際動(dòng)作值，測(cè)試主副路自動(dòng)切換功能是否有效，調(diào)節(jié)后緩慢恢復(fù)至調(diào)節(jié)前正常的工況。

4.綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)思路

隨著國(guó)家碳排放、碳達(dá)峰升級(jí)戰(zhàn)略的要求，高壓天然氣逐漸在天然氣輸氣站、天然氣終端減壓用戶(hù)區(qū)，采用膨脹機(jī)做工減壓發(fā)電功能，在滿(mǎn)足生產(chǎn)減壓調(diào)和供氣功能的前提下，產(chǎn)生綠色高效的電能。主要原理是：天然氣經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)減壓做功，膨脹機(jī)同軸拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，所發(fā)電力可供用戶(hù)自用或直接上網(wǎng)。經(jīng)膨脹做功后的天然氣吸熱，介質(zhì)溫度會(huì)降低，設(shè)計(jì)可采用換熱器復(fù)熱至原溫度回收低溫冷能，該思路也可以作為下一步天然氣減壓撬裝轉(zhuǎn)型升級(jí)的方向，但應(yīng)用到煉廠燃料氣管網(wǎng)保供上，需進(jìn)一步探索異常工況膨脹劑、主輔路切換問(wèn)題，務(wù)必避免因膨脹機(jī)運(yùn)行無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期、切換不順暢、備用設(shè)備不備用的問(wèn)題。

圖3 天然氣壓差發(fā)電工藝原理圖

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，科學(xué)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本質(zhì)上杜絕了安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了操作精準(zhǔn)度。精細(xì)的管理和精心的操作本領(lǐng)，是撬裝長(zhǎng)周期運(yùn)行的保障。定期系統(tǒng)的檢維修和安全的定期測(cè)試演練是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和自主切換的核心。通過(guò)不斷的研發(fā)和應(yīng)急能力的提升，天然氣減壓撬裝定會(huì)成為煉廠燃料氣管網(wǎng)保供、綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)的中堅(jiān)力量！