楊威 韓松

(重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶 401331)

X氣井所處頁巖氣區(qū)塊氣井?dāng)?shù)量較少，CNG拉氣點(diǎn)尚未建成，因此，采用長管拖車進(jìn)行臨時(shí)集輸。此類集輸方式在其他頁巖氣井中也有運(yùn)用，但是X氣井屬于低壓氣井，需要經(jīng)過天然氣壓縮機(jī)來加壓充裝進(jìn)氣瓶。該臨時(shí)集輸工藝存在著臨時(shí)用電、天然氣壓縮等風(fēng)險(xiǎn)。為了保證該井后續(xù)頁巖氣井開發(fā)的集輸安全，有必要對其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析并提出防護(hù)措施。

1 X氣井臨時(shí)集輸工藝

1.1 臨時(shí)集輸工藝流程圖

X氣井臨時(shí)輸氣工藝流程見圖1。

圖1 X氣井臨時(shí)輸氣工藝流程圖

X氣井來氣采氣管線1通過井口截?cái)嚅y后到加熱爐3，加熱后的天然氣經(jīng)節(jié)流閥4降壓節(jié)流進(jìn)入到氣液分離器分別分離出汽、水，天然氣經(jīng)氣液分離器頂部進(jìn)入脫水裝置，經(jīng)過孔板流量裝置計(jì)量后，經(jīng)節(jié)流閥7降壓后進(jìn)入到排氣過濾器8，過濾掉天然氣組分當(dāng)中的固體雜質(zhì)后，進(jìn)入到壓縮機(jī)9加壓至20～25 MPa，通過流量計(jì)10充裝至長管拖車11所攜帶的高壓氣瓶當(dāng)中。

1.2 X氣井臨時(shí)集輸工藝主要設(shè)備

1.2.1 天然氣壓縮機(jī)

(1)CNG壓縮機(jī)

X頁巖氣井采用的是往復(fù)型壓縮機(jī)。該壓縮機(jī)是一種全平衡型、往復(fù)活塞式可變工況壓縮機(jī)，采用最新壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)，具有轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)緊湊、使用經(jīng)濟(jì)、操作簡易、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)方式靈活，可根據(jù)需要選用柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)等。該系列壓縮機(jī)可廣泛應(yīng)用于油氣田的輕烴回收、增壓、輸氣以及CNG汽車加氣站的標(biāo)準(zhǔn)站、子站和母站中。該壓縮機(jī)列數(shù)為4，集體功率為420 kW，最大允許氣體力為45 kN，進(jìn)氣壓力范圍0.1～20 MPa，排量在 300 ～5000 Nm3h 之間。

為了提高壓縮機(jī)壓縮效率，該壓縮機(jī)在壓縮單元之前設(shè)計(jì)了三級進(jìn)氣氣液分離罐和過濾器。三級進(jìn)氣氣液分離罐的作用是防止經(jīng)過分離器和脫水裝置之后剩余的液體影響壓縮效果，將部分液體冷凝下來排走，同時(shí)也用于管路的保溫。而過濾器的作用是為了防止天然氣當(dāng)中存在的少量固體顆粒雜質(zhì)對壓縮機(jī)性能的影響。

三級進(jìn)氣氣液分離罐壓力容器類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)壓力20 MPa，耐壓試驗(yàn)壓力為27.4 MPa，工作壓力17.19 MPa，設(shè)計(jì)溫度 －10～180℃，容積0.027 m3，工作介質(zhì)為凈化天然氣。過濾器殼體壓力容器類別為Ⅰ類，設(shè)計(jì)壓力27.5 MPa，耐壓試驗(yàn)壓力36 MPa，最高允許工作壓力27.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度80℃，容積0.003 m3，工作介質(zhì)為天然氣。排氣過濾器工作溫度小于80℃，公稱流量為12 Nm3min，設(shè)計(jì)壓力27.5 MPa。

(2)CNG壓縮機(jī)配電柜

該壓縮機(jī)由PXK系列正壓型防爆配電柜供電，該配電柜主要參數(shù)見表1。

表1 PXK系列正壓型防爆配電柜主要參數(shù)

1.3 CNG長管拖車

長管拖車運(yùn)輸CNG技術(shù)最早源于美國CPI公司，其CNG加氣站用成套設(shè)備在美國及其以外的1000多座CNG加氣站上得到應(yīng)用。其運(yùn)輸及儲(chǔ)存設(shè)備于1995年被應(yīng)用于吉林油田及中原油田等引進(jìn)的CNG加氣站中［1］。隨后中國從美國和韓國等陸續(xù)進(jìn)口了大量長管拖車。長管拖車由車頭和拖車組成，長管拖車到達(dá)加氫站后，車頭和管束拖車可分離，所以管束也可用作輔助儲(chǔ)氫容器。X井地處偏遠(yuǎn)，加之CNG輸氣站尚未建立起來，通過CNG長管拖車進(jìn)行天然氣的集輸工既經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠。X氣井采用8管長管拖車進(jìn)行充裝，CNG8管長管拖車性能參數(shù)見表2。

表2 CNG8管長管拖車性能參數(shù)

2 X氣井臨時(shí)集輸工藝風(fēng)險(xiǎn)分析

通過現(xiàn)場照片和實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)X臨時(shí)集輸工藝存在很多問題。首先，結(jié)合安全檢查表的方式發(fā)現(xiàn)表觀問題，然后，通過SAFETI軟件對長管拖車泄漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 臨時(shí)用電存在的風(fēng)險(xiǎn)

X氣井臨時(shí)集輸工藝的壓縮機(jī)原動(dòng)機(jī)需要由420 V高壓交流電供電，因此，其在井場護(hù)欄外圍搭建了一條臨時(shí)用電線路。在有火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)場所臨時(shí)用電，沒有辦理《臨時(shí)用電許可證》。通過對該井用電情況進(jìn)行危害識別，天然氣站場為危險(xiǎn)爆炸區(qū)域開展臨時(shí)作業(yè);《施工現(xiàn)場臨時(shí)用電安全技術(shù)規(guī)范》JGJ46－2005規(guī)定防爆場所需要選用具有一定防爆等級的元件，但是該臨時(shí)用電線路采用了一半電源線;該臨時(shí)用電線路為架空線，國標(biāo)規(guī)定“臨時(shí)用電線路架空線最大弧垂與地面距離在施工現(xiàn)場不小于2.5 m，架空線嚴(yán)禁架設(shè)在樹木和腳手架上”，該臨時(shí)用電線路綁扎在外圍的金屬網(wǎng)上，其高度不僅低于2.5 m的國家規(guī)定，而且沒有做任何的防爆絕緣措施。

2.2 移動(dòng)式壓力充裝工藝存在的風(fēng)險(xiǎn)

2.2.1 壓縮機(jī)單元的風(fēng)險(xiǎn)

該壓縮機(jī)由于壓縮的是易燃易爆的天然氣，因此，PXK正壓型配電柜可能產(chǎn)生電火花而發(fā)生爆炸。正壓腔內(nèi)裝元件的工作熱量可隨氣路帶走，具有很好的散熱功能，適用于解決大功率防爆變頻器的散熱問題。原裝風(fēng)機(jī)沒有攜帶，而臨時(shí)調(diào)用了一個(gè)風(fēng)機(jī)為配電柜提供穩(wěn)定的氣流。由于是臨時(shí)匹配的風(fēng)機(jī)，送風(fēng)管道與配電柜原有的管道不相符合，因此，將配電柜打開來進(jìn)行鼓風(fēng)。電氣設(shè)備通風(fēng)要求風(fēng)機(jī)吸入的氣體不含易燃易爆物質(zhì)，且保證氣體清潔，通風(fēng)正壓不低于0.196 kPa，廢氣不應(yīng)排入危險(xiǎn)爆炸區(qū)域。該工藝中臨時(shí)風(fēng)機(jī)均滿足上述條件。

2.2.2 CNG長管拖車泄漏風(fēng)險(xiǎn)

CNG長管拖車在充裝過程和行駛在路面時(shí)，一旦發(fā)生泄漏，遇到火源容易發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸。通過SAFETI軟件模擬，已知D=559 mm，以全部氣瓶發(fā)生爆炸為例，氣瓶壓力20 MPa，氣瓶充裝系數(shù)為0.9，容積V=4000 L，泄漏氣瓶點(diǎn)離地高度1 m，大氣環(huán)境為常溫常壓，風(fēng)速1.5 ms。單根CNG氣瓶泄漏模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 單根CNG氣瓶泄漏足跡圖

單根氣瓶CNG氣瓶泄漏以后，泄漏半徑最大達(dá)到18 m。甲烷濃度為22000 mg/L的面積為926.5 m2，甲烷濃度為44000 mg/L的面積為533.554 m2。圖3顯示的是單根CNG氣瓶完全泄漏后影響的范圍。其中中部橢圓形區(qū)域的天然氣與空氣混合極易產(chǎn)生爆炸性混合物。

圖3 單根CNG氣瓶泄漏最大影響范圍

為了考慮CNG長管拖車的最大風(fēng)險(xiǎn)情況，考慮8根CNG氣瓶整體發(fā)生爆炸后所帶來的后果，這里進(jìn)行了TNT當(dāng)量計(jì)算，并對死亡、重傷和輕傷半徑進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

表3 CNG氣瓶爆炸后果模擬結(jié)果

從X氣井半徑5 km內(nèi)人文情況示意圖看出，500 m范圍內(nèi)沒有居民居住，然而實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在距井口大約50 m處有村民居住，這些居民處于輕傷半徑當(dāng)中，存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。

3 基于For Safety的安全防護(hù)措施

For Safety理論是近代安全科學(xué)與工程學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)基于失效系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向的理論。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的某一個(gè)元件失效，系統(tǒng)的能量移動(dòng)方向朝著不危害人的生命健康的方向移動(dòng)。常見的有接地保護(hù)和聯(lián)鎖保護(hù)裝置等。但是，目前的生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)中，基于For Safety的設(shè)計(jì)較少。

3.1 臨時(shí)用電的For Safety安全防護(hù)設(shè)想

當(dāng)人體接觸強(qiáng)電流瞬間，如果能夠迅速擺脫或使電網(wǎng)斷電，都能保住生命。井場臨時(shí)用電最主要的是預(yù)防人體觸電和火花引燃天然氣。在防止人體觸電方面，除了人自身要提高安全防護(hù)外，如擦干操作的手指，釋放靜電等，另外還有2種安全防護(hù)設(shè)想，第一，在主要用電器旁邊加裝除了總開關(guān)之外的緊急斷電按鈕，該按鈕可設(shè)置為類似機(jī)械設(shè)備的緊急停車按鈕，顏色為紅色，蘑菇型按鈕，直徑大于30 mm，按鈕凸出無邊框，另外為了防止緊急切斷電源的電火花，采用空氣開關(guān)并加裝密封裝置，將按鈕裸露即可;第二，將臨時(shí)用電區(qū)域內(nèi)的常用電器形成單獨(dú)的用電閉環(huán)電路，設(shè)計(jì)最高接入電阻，當(dāng)人體觸電接入該閉環(huán)電路時(shí)，此時(shí)人體超過最高設(shè)計(jì)電阻，用電系統(tǒng)將自動(dòng)斷電。

3.2 天然氣壓縮機(jī)For Safety安全防護(hù)設(shè)想

天然氣壓縮機(jī)原油的安全防護(hù)主要有，配電柜的正壓型能夠防止天然氣氣體進(jìn)入及配電柜的防爆性能等。但天然氣壓縮機(jī)其他組件(鼓風(fēng)機(jī)，氣液分離罐和過濾器等)的安全防護(hù)措施缺失。首先，在鼓風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口處加裝一個(gè)空氣凈化裝置，在配電柜中加裝一個(gè)天然氣濃度報(bào)警裝置，報(bào)警濃度設(shè)置為天然氣爆炸下限濃度的20%～30%左右。其次，氣液分離罐，要設(shè)置液位報(bào)警裝置，液位過高或過低都能觸發(fā)連鎖裝置啟動(dòng)，使壓縮機(jī)停機(jī);最后，對壓縮機(jī)的過濾器設(shè)置靈敏稱重裝置，當(dāng)過濾器的過濾片質(zhì)量超過一定范圍時(shí)，自動(dòng)提示需要更換濾芯，防止過濾器內(nèi)蹩壓。

3.3 CNG長管拖車For Safety安全防護(hù)設(shè)想

CNG長管拖車在臨時(shí)集輸工藝中，接受井口天然氣后，由于井場所在位置一般較為偏遠(yuǎn)，且路面顛簸可能遇到以前沒有的路況等。第一，設(shè)置紊亂度報(bào)警器，CNG壓縮天然氣在平整路面行駛和在顛簸路面行駛氣體的紊亂程度不一樣，為此，通過紊亂度探測儀的測量，將紊亂情況反應(yīng)到駕駛司機(jī)的表盤上，以提醒司機(jī)注意駕駛速度和平穩(wěn)度;第二，設(shè)置自動(dòng)牽引銷拆除裝置，半掛車的車體與車頭是通過牽引銷鏈接，普通牽引銷需要人力來拆除，可以設(shè)計(jì)自動(dòng)拆除裝置，在緊急情況下讓車頭與車體分離，不僅能保證駕駛司機(jī)的安全，而且還能提供更多的救援時(shí)間;第三，在掛車車體框架上加裝水霧噴灑裝置，在車體上附帶一個(gè)大型水箱，在緊急情況下，抽水稀釋泄漏天然氣，在救援力量到場之前控制事故影響范圍。

4 結(jié)論

頁巖氣開發(fā)在我國仍然處于起步階段，其中存在很多與常規(guī)天然氣開采不同的情況和環(huán)節(jié)，在開展新工藝時(shí)，要注意從安全的角度進(jìn)行作業(yè)，防止盲目施工而造成危險(xiǎn)。同時(shí)，基于For Safety的安全防護(hù)措施，可降低暴露時(shí)間和控制能量釋放途徑，隨著科技的發(fā)展，在頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域內(nèi)將發(fā)揮其理論指導(dǎo)作用。

［1］梁瑞，邵松偉，顏鵬飛.CNG氣瓶泄漏爆炸后果評價(jià)模型對比分析［J］.壓力容器，2009(1):29-31.

［2］趙生孝，何長瑾，李進(jìn)秀，等.低壓低產(chǎn)氣井采氣工藝技術(shù)研究［J］.青海石油，2009(1):31-35.

［3］郭衛(wèi)江.CNG氣瓶安裝監(jiān)督檢驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)控制［J］.寧夏工程技術(shù)，2012(3):271-274，279.

［4］王麗娜.壓縮天然氣運(yùn)輸和長管拖車制造及檢驗(yàn)［J］.河北工業(yè)科技，2011(1):52-54.