天然气采气厂集气站火灾爆炸危险性分析

一、概述

    运用定性与定量分析的方法，从天然气及甲醇的性质、主要生产设备和生产过程三个方面对天然气采气厂集气站的火灾爆炸危险性进行评价。

    天然气采气厂集气站是气田集输生产最基本的单元，它的主要任务是将气田中采出的油气混合物收集起来，经初步处理后输送到用户或储存。集气站内的主要生产设备有：脱水橇（器）、天然气加热炉、计量分离器、油气分离器、油气输送泵、储油罐、通球清管设施、输气管道及SLC503和SCAN3000生产自控系统一套等。

 
二、生产工艺简述

    1 天然气组分

    油气田所在的地埋位置不同，开采和处理后的天然气组分也各不相同，大体上甲烷组分占天然气组分体积的90%以上，其他轻烃极少；H2S含量在20～1600mg/m3之间。

    2 生产工艺

    集气站生产工艺流程主要有天然气加热、节流、分离、脱水、计量等处理过程。集气站采用高压集气、集中注醇、多井加热、间隔计量、加醇脱水、天然气发电等艺，利用SCADA系统进行数据采集，通过一点多址通讯网向气田调度中心传输数据资料，实现生产自动化管理。

    由集气站所管辖的气井井口采出的高压天然气，经采气管线输入到站内，采用多井式加热炉以提高节流前的天然气温度，防止节流后温度低而形成水化物堵塞。加热后的高压天然气经针形阀节流后，压力降到所要求的值后，经总机关（阀门）合理分配后进入生产分离器或计量分离器，将天然气中的凝析油、污水和机械杂物等进行初步分离，再通过脱水橇利用三甘醇的亲水性和天然气逆流接触脱水后，生产出合格的天然气。

    3 辅助生产工艺

    3．1 注醇流程

    采用高压集中注醇工艺，利用高压柱塞泵，将计量后的甲醇通过注醇管线注入到井口及采气管线，防止油管和采气管线中形成天然气水化物。对东北和西北等冬季寒冷地区，每年10月至来年4月期间需要在生产流程中加入甲醇。

    3．2 放空流程

    为防止系统超压及根据生产工艺的要求，站内部分设备设有安全泄压放空管，汇聚至放空总管后燃烧排空。

    3．3 计量

    气井产量采用周期性间歇计量，计量周期至少2天，每次计量时间不少于8h，单井产量和外输均采用孔板流量计计量。

    3．4 排污流程

    工艺设备产生的污水经排污总管汇聚后，输往地下污水罐收集储存，不定期拉至净化厂净化回注地下。

    4 主要生产设备及工艺条件

    长庆油田某集气站的主要生产设备及工艺条件见表1。

    表1 主要生产设备及工艺条件

 
三、火灾爆炸危险性分析

    1 天然气及甲醇火灾爆炸特性

    天然气是以低分子量烷烃碳（甲烷）为主组成的气体混合物，硫化氢含量也较高。天然气无色、无臭、易燃，在常温常压下呈气态，属于甲类火灾危险性物质。天然气的火灾爆炸危险特性见表2。

    表2 天然气及甲醇的火灾爆炸特性表

序号	物质名称	闪点/℃	组别	引燃温度/℃	爆炸极限/V%		火灾危险性类别
					上限	下限
1 2 3 4	天然气 甲烷 硫化氢 甲醇	- - - 11	T1 T1 T3 T1	482～632 538 260 455	5．0 5．3 4．0 5．5	14．0 15．0 46．0 36．0	甲 甲 甲 甲

    1.1 甲烷

    甲烷是天然气中最主要的成分，呈气态，比空气轻，易燃易爆，属于甲类火灾危险性物质。与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险，燃烧分解产物为一氮化碳、二氧化碳。

    1．2 硫化氢

    硫化氢是无色有臭鸡蛋味的易燃性气体，比空气重。长庆油田的天然气组分中，硫化氢的含量大体在0.3%（V/V）左右。硫化氢属于甲类火灾危险性物质。与空气混合能形成爆炸性混合物，遇高热和明火能引起燃烧爆炸，燃烧分解产物为氧化硫。硫化氢是强烈的神经毒物，硫化氢及其燃烧生成的产物二氧化硫有毒性，危害人体。硫化氢对钢材可引起氢脆和硫化物应力腐蚀。

    1．3 甲醇

    甲醇是甲类火灾危险性有毒液体，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸，其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。

    甲醇的火灾爆炸特性见表2。

    2 生产设备火灾爆炸危险性

    按照《石油化工企业设计防火规范》中对生产工艺装置火灾危险性分类，集气站生产装置为甲类火灾危险性工艺装置，其生产设施大多具有能够引发火灾爆炸的危险特征。

    2．1 加热炉

    加热炉属于明火炉，集气站加热?募尤冉橹屎腿剂衔?烊黄??ぷ餮沽Τ跗诳纱?0MPa以上。加热炉燃料系统的压力控制、气水分离设施、燃料气进炉前管线阻火器的工作状态、加热炉的压力表、温度表、液位计、防爆门、防风口、火焰观察孔是巡回检查的重点部位。加热炉排气烟囱也是易被雷击的对象。

    2．2 脱水橇（器）

    脱水橇（器）是由多种设备组合而成的，处理的介质为天然气。吸收塔、闪蒸罐、燃料分配罐的压力在0.3～6.6MPa之间，属于承压设备；闪蒸罐、重沸器的温度较高；同时重沸器用天然气作加热燃料，属于明火设备；吸收塔为集气站最高的设备，是防雷的重点设备。

    脱水橇（器）尾阀控制着整个系统的压力，是监控的重点；燃料分配罐排污阀、过滤器压差、控制器及减压阀、重沸器火焰，以及设备的压力、温度及液位是巡回检查的重点。

    2．3 总机关及单井入口管组

    由于从上游来的天然气在压力、温度及流量等方面缺乏严格控制，进站阀门的操作（流量分配、开启压力、阀门密封状况）很重要，集气总机关闸门盘根泄漏将是重大危险源。

    2．4 甲醇罐

    集气站多采用高压集中注醇工艺，利用高压柱塞泵，将计量后的甲醇通过注醇管线注入到井口采气管线，防止油管和采气管线中形成天然气水化物。站内设的甲醇罐为露天地上卧式布置，容量大多在10m3以上，已构成重大危险源。

    2．5 污水罐

    污水罐为地下布置。污水罐内存有残留的天然气、硫化氢、机油及其他烃类有机混合物，这些物质或是易燃易爆的，或是有毒的。在通气口中会不断排出含有烃类和硫化氢的混合气体；在排污车装运污水时，污水罐区附近空气中含有烃类和硫化氢的混合气体浓度会更大些。重点是预防不正常状态下硫化氢气体在污水罐地面长期、大量地积聚，它将是急性中毒的主要危险源。

    2．6 燃气发电机

    天然气的存在和电力的产生，使燃气发电机成为重大火灾爆炸危险源之一。同时，由于燃气发电机位于封闭的厂房内，一旦出现天然气泄漏，不利于及时通风换气。机油油位、 冷却液液位、燃气供给压力及电瓶接线是保障发电机在外电源发生事故时及时投入安全运行的重点。

    2．7 压力容器

    依据GB150-1998《钢制压力容器》按设计压力分类，加热炉、闪蒸塔、燃料分配罐、分离器、清管收球装置的操作压力都大于0.1MPa,属于中、低压类压力容器。上述生产设备承受各种静、动载荷，还有附加的温度载荷，同时大多数容器容纳压缩气体或易燃易爆气（液）体，若容器破裂，导致介质突然泄压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，加上压力容器多数系焊接制造，容易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误，易发生爆炸破裂，容器内的易燃、易爆有毒的介质将向外泄漏，势必造成极具灾难性的后果

    3 生产过程火灾爆炸危险性

    油气集输生产不同于油田物深、钻井、测井、修井作业及采油生产等作业。它既具有油田点多、线长、面广的生产特性，又具有石油化工炼制企业高温高压、易燃易爆、工艺复杂、压力容器集中、生产连续性强、火灾危险性大的生产特点。生产中，任一环节出现问题或操作失误，都会造成恶性的火灾爆炸事故及人身伤亡事故，其危险性主要体现在以下几个方面：

    （1） 由于天然气无色无味，扩散在大气中不易察觉，容易引起火灾；

    （2） 天然气是非常容易燃烧的，在常温下接触高温、明火就会燃烧或爆炸，并产生大量的热；

    （3） 由于天燃气在输送过程中能够产生静电，放电时产生火花，极易引起火灾或爆炸；

    （4） 天然气比重比空气小，一旦泄漏，能在空气中广泛传播，这样就形成较大范围的火灾隐患；

    （5） 在天然气集输生产过程中，需要采用加热炉、重沸器等明火设备，需要用电气设备，这就更增加了火灾爆炸的危险性。
 
四、火灾爆炸危险性定量分析

    1 评价方法选择

    针对天然气集输站处理的油气具有火灾、爆炸和有毒的特点，选用国际上通用的DOW/ICI蒙德危险指数评价法，以长庆油田某集气站为例对天然气集气站的火灾爆炸危险性做进一步分析。

    2 评价单元划分

    根据集气站的生产情况和DOW/ICI蒙德法确定评价单元的原则，可确定以下评价单元：

    （1） 脱水橇（器）

    （2） 生产分离器

    （3） 多井式加热炉

    （4） 甲醇罐

    3 评价单元各系数的确定及危险性计算

    3．1 初期危险性评价

    按照DOW/ICI蒙德法，将脱水橇（器）、生产分离器、加热炉和甲醇罐的初期火灾、爆炸及毒性危险性系数汇总列入表3，以脱水橇（器）单元为例计算出其火灾、爆炸及毒性危险性，计算过程和结果本文略，其他单元在本文中省略。各项指标包括有以下内容：火灾负荷F；内部爆炸指标Eˊ；气体爆炸指标Aˊ；总体危险性评价分Rˊ（计算公式及计算过程本文省略）。

    表3 各评价单元初期火灾、爆炸及毒性危险性结果汇总表

评价单元	D	F	U	C	E	A	R
	危险性范畴
脱水橇	418．94高度灾难性的	5577．93低	14．04非常高	77．22中等	5．40高	510．36非常高	6519．13非常高
分离器	298．07高度灾难性的	1678．95轻	12．35非常高	12．35轻	4．75高	21．26低	430．20中等
加热炉	277．12潜在灾难性的	20513.31高	11．83中等	118．30低	4．55中等	191．32非常高	430．67非常高
甲醇罐	119．46非常极端的	131200强的	4．88中等	175．68中等	3．05中等	4．12轻	458．73中等

    从计算的结果来看，在没有采取任何预防措施的情况下，DOW/ICI总指标D值、单元毒性指标U值、内部单元爆炸指标E值及总危险性系数R值大多处于危险性较大的范畴内。而脱水橇（器）、加热炉因其操作温度高、工作压力大、天然气处理量大、工艺条件相对复杂和明火作业的特点，在整体上火灾爆炸和毒性危害程度较其他2个单元严重。

    3．2 安全性补偿评价

    由于在设计上和日常生产过程中对集气站采取了防火防爆措施，并建立了较为完善的安全生产规章制度和岗位操作规程，为实现安全生产提供了较好的安全保障条件。为了取得正确的安全特性，考虑到接受上述的总危险性R及其他指标的可能性，需进一步进行安全性补偿评价。采取减少事故频率补偿的一些有效措施包括以下几个方面：容器危险性；工艺管理；安全的态度；防火；物质隔离；灭火活动。

    按照ICI蒙德法对降低事故频率补偿系数选取的原则，结合集气站的实际情况，合理选择上述6个方面的安全性补偿系数，依据4个评价单元的安全补偿系数表4，重新计算各评价单元的实际危险程度，得到各指标的安全补偿指标：补偿火灾负荷Fˊ；补偿内部爆炸指标Eˊ；补偿气体爆炸指标Aˊ；补偿总体危险性Rˊ。计算结果见表5。

    表4 4个评价单元的安全补偿系数汇总表

单元	K1	K2	K3	K4	K5	K6
脱水橇 分离器 加热炉 甲醇罐	0．408 0．408 0．350 0．437	0．316 0．334 0．281 0．323	0．689 0．689 0．689 0．689	0．47 0．47 0．47 0．47	0．68 0．68 0．68 0．68	0．772 0．772 0．772 0．660

    表5 安全补偿系数计算后的危险性评价结果