煉廠天然氣調壓系統長周期運行分析

＊黃 聰

（中國石油廣西石化公司規劃計劃處 廣西 535000）

1.某煉廠天然氣調壓站故障裝置停車

某煉廠燃料氣管網以天然氣為主要原料，高壓4.0MPa的壓縮天然氣經天然氣減壓撬裝第一級減壓至1.5MPa，再經過二級減壓至0.45MPa，送全廠燃料氣管網供各裝置加熱爐使用。減壓撬裝設計有10000Nm3/h和40000Nm3/h兩路互備用，設計運行流量為0～40000Nm3/h，實際正常工況，運行流量3000～15000Nm3/h之間。

(1)案例一

某日，該煉廠多套裝置開工恢復生產期間，全廠燃料氣管網出現壓力突然降低，儲運內操快速提高液化氣補充燃料氣管網用量、增加啟動火炬氣回收壓縮機，平衡燃料氣管網壓力。在此期間，催化同時調整了干氣自用和去燃料氣管網用量，燃料氣管網壓力瞬間從0.42MPa上升至0.57MPa，燃料氣管網壓力超過二級切換閥設定壓力，減壓撬裝二級、一級陸續超壓起跳切斷，天然氣調壓裝置聯鎖，天然氣補充管網被迫中斷，全廠燃料氣管網瞬間降低，導致多個用氣裝置加熱爐燃料氣流量低聯鎖停工。

(2)案例二

因天然氣同比液化氣價格差異較大，煉廠為了降低成本，提高經濟效益，統籌調整大量液化氣汽化后補充燃料氣管網，以控制天然氣日用量，降低燃料動力成本。天然氣小時用量控制0～2500Nm3/h，儲運部門為防止天然氣減壓后吸熱，管道出現凝液堵塞壓力指揮器，要求班組控制天然氣出站溫度35℃。5個月的時間，天然氣減壓撬裝多次出現一級調壓壓力無法穩定調節，二級調壓閥前置壓力高跳停，全廠燃料氣管網大幅波動。

(3)案例三

某日，該煉廠減壓撬裝45000Nm3/h運行期間，一級調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，天然氣減壓撬裝瞬間停用，造成全廠燃料氣管網壓力快速降低，全廠多個裝置加熱爐低流量聯鎖停工。

2.天然氣調壓故障聯鎖原因分析

(1)未按設計參數操作

①天然氣調壓設施設計流量0～40000Nm3/h，實際用量長期維持45000Nm3/h流量，超負荷113%運行。天然氣撬裝長期、大負荷波動流量，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，最終閥板掉落封閉了流體通道，導致減壓撬裝天然氣流量中斷造成裝置停車。

②天然氣出站溫度控制35℃，按照天然氣高、低流量工況，兩級減壓吸熱分別10℃、15℃計算，一級減壓換熱溫度達55～65℃，雖然高溫度防止了天然氣減壓后管線出現凝液，保障了調壓指揮器的穩定，但高溫工況，也降低了調壓閥閥芯密封圈（丁晴橡膠）的使用壽命[1]。停工檢修期間，打開閥芯檢查，發現調壓閥閥芯密封圈磨損嚴重，出現毛刺、凹凸、起皮等情況。

③撬裝運行原理掌握不清，系統思維不足。當全廠燃料氣用量增大時，沒有從燃料氣補壓系統的機理出發，一味大流量補充。全廠一盤棋的思維有差距，裝置間缺乏溝通和生產系統協調，出現液化氣汽化器主動補充天然氣管網和裝置開工干氣并燃料氣管網同時操作，管網壓力出現1+1產生大于2的后果，導致天然氣調壓系統二級減壓切斷閥超壓跳停。

(2)設計存在缺陷

①天然氣減壓撬裝，本身就是通過節流、增加流速、降低壓力的原理，減壓閥處、閥門后高速流動的天然氣會產生很大的噪音和振動，切斷閥為彈簧機械掛鉤式，系統設置有超壓跳停切斷保護裝置，高流速動的天然氣沖刷膜片，存在切斷閥脫鉤、跳停風險。

②減壓撬裝單獨一級的調壓閥和切斷閥至下一級短管泄壓設計為就地方式，某一級出現故障異常切斷，現場恢復前，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險。

③天然氣減壓撬裝主副路設計為非壓力、機械、自動調節設置，主副路切換采用切斷閥人工控制，主路運行異常，出現跳停中斷，副路無法實現自動、平穩切換，主副路切換無自動備用功能。

④為減少用地，天然氣減壓撬裝一二級系統采用折疊式、雙層設計，高速流動天然氣經過一級減壓-切斷后，在二級匯管匯合后，此過程天然氣流動方向改變180°，進入二級減壓-切斷和三級匯管，改變方向的干氣流動方向紊亂，增加了管路流動的噪音，也不利于二級減壓撬裝段的平穩運行[3]。

圖1 折疊式天然氣兩級減壓撬裝示意圖

(3)設備維護保養不到位

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

②因無法定期切換，未能定期打開檢查切斷閥掛鉤磨損情況。另外切斷閥閥板掛鉤設計采用螺紋連接，存在因振動大、沖刷后閥板脫落的風險。

③設備定期保養能力不足。大檢修周期開展保養，保養采取自行購買配件更換，維保隊伍安裝，廠家遠程指導調試的模式。雖省時省力，但受限于維保對調壓撬裝原理的理解不深，安裝的關鍵節點、尺寸、數據與出廠數據偏差較大，回裝運行后，減壓撬裝運行噪音大、調節閥調節波動大、切斷閥掛鉤無法滿扣，系統運行切斷風險明顯上升。

3.改進措施

(1)合理選配調壓站設備

大型調壓設備按照調壓壓差，設置有單級和多級調節設施，一般壓差低于1MPa采用單級調壓，高于1MPa采用兩級或者多級調壓。調壓撬裝安裝流程為一級（過濾+調壓+切斷）、二級（調壓+切斷）、出入口切斷自保。

過濾器：選擇過濾雜質精度不低于20μm，避免顆粒物進入系統，影響指揮器調節精度或調壓和切斷設備。

復熱器：主要防止天然氣減壓過程中出現“冰堵”，建議選擇熱媒水等溫差較低的介質，防止換熱溫度變化大，撬裝出站溫度控制難度大，數值波動。

撬裝減壓形式：多級減壓撬裝，建議選擇兩級、水平安裝形式，避免為減少設施面積，選擇折疊式兩級調壓形式，以提高撬裝運行穩定性，降低運行噪音。

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

切斷閥：采用快切、快關、壓力調節靈敏型彈簧蓄能型機械切斷閥，異常期間保護撬裝安全。

系統恢復前泄壓流程：建議每一級減壓和切斷裝置至手動閥之間增加專用泄壓流程，防止撬裝某一級異常跳停中斷，現場密閉泄壓和恢復撬裝功能。

(2)合理設定調壓站運行參數

為保證調壓站連續平穩運行，滿足系統主路跳停，副路自動切換的要求。天然氣減壓撬裝的壓力設置需要分級設置（見圖2壓力標注位置）。

圖2 兩級天然氣減壓撬裝設置示意圖

兩級減壓撬裝壓力設定符合：P1＞P2＞P3＞P4＞P5＞P6＞P7＞P8。

P1—一級副路切斷壓力；P2—一級主路切斷壓力；P3—一級主路調壓壓力；P4—一級副路調壓出口壓力；P5—二級副路切斷壓力；P6—二級主路切斷壓力；P7—二級主路調壓壓力；P8—二級副路調壓壓力。

通過兩級減壓撬裝調壓和切斷壓力差值和梯度的設定，當一級主路異常跳停，一級匯管壓力低于P4，一級副路按照壓力設定進入調壓工況，維持一級調壓后匯管壓力不高于P4，實現正常工況主副路自主流量調節和異常工況主副路自主切換，其他各路原理以此類推[3]。

為防止產生“冰堵”現象，天然氣出撬裝出口溫度必須控制在天然氣、水、烴類露點以上。天然氣、水、烴類等介質露點見表1，天然氣出站溫度過低會出現露點腐蝕和冰堵，堵塞指揮器，影響切斷閥、調壓閥運行穩定性。溫度過高影響調壓閥膜片壽命。一般控制天然氣出站溫度20～25℃。

表1 各類介質露點溫度（單位：℃）

(3)專業的維護保養

堅持以專業的工作交給專業的人做的思路，減壓撬裝調壓閥、切斷閥裝配精度較高，需要用到專用的裝配工具，并在特定的環境和控制裝配間隙的標準下進行。單次徹底維護保養檢修內容包括：O型圈膜片全部更換、調壓閥切斷閥拆解檢查內部構件、閥體打壓測試、調壓閥壓力定壓、指揮器調節鎖定、切斷閥切斷壓力測試。

(4)精細的操作培訓和應急演練

建立標準的天然氣減壓撬裝投用、停用規程和操作卡，編寫撬裝異常停用判斷和應急處置卡，在現場懸掛明顯的系統流程和操作卡提示板，落實操作“手指口述”操作法，提高人員培訓效果。定期開展天然氣撬裝異常停工模擬測試，仿真測試培訓效果。

除燃料氣管網異常主副路自動切換外，還必須在生產運行上，想辦法尋找在全廠天然氣用量最低符合機會（該煉廠是結合氫氣膜回收檢修期間，天然氣減壓撬裝用量2000Nm3/h期間進行），按照半年/次的頻率，進行人工主動主副路切換測試，驗證主副路壓力設定實際動作值，測試主副路自動切換功能是否有效，調節后緩慢恢復至調節前正常的工況。

4.綠色轉型升級思路

隨著國家碳排放、碳達峰升級戰略的要求，高壓天然氣逐漸在天然氣輸氣站、天然氣終端減壓用戶區，采用膨脹機做工減壓發電功能，在滿足生產減壓調和供氣功能的前提下，產生綠色高效的電能。主要原理是：天然氣經過膨脹機減壓做功，膨脹機同軸拖動發電機發電，所發電力可供用戶自用或直接上網。經膨脹做功后的天然氣吸熱，介質溫度會降低，設計可采用換熱器復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型升級的方向，但應用到煉廠燃料氣管網保供上，需進一步探索異常工況膨脹劑、主輔路切換問題，務必避免因膨脹機運行無法實現長周期、切換不順暢、備用設備不備用的問題。

圖3 天然氣壓差發電工藝原理圖

5.結束語

綜上所述，科學的系統設計，本質上杜絕了安全風險，提高了操作精準度。精細的管理和精心的操作本領，是撬裝長周期運行的保障。定期系統的檢維修和安全的定期測試演練是系統穩定運行和自主切換的核心。通過不斷的研發和應急能力的提升，天然氣減壓撬裝定會成為煉廠燃料氣管網保供、綠色轉型升級的中堅力量！