二氧化碳压缩机段间冷却器和分离器及管道内气体发生闪爆原因分析

作者：朱咏，李永伟，李贵，丛利伟。

第一作者简介：朱咏，男，1977年7月出生，专科学历，化工工程师，2008年毕业于北京化工大学化学工程专业，现任内蒙古鄂尔多斯化学工业有限公司副总经理，从事合成氨、尿素装置的安全、工艺、设备管理工作。

摘要：介绍尿素装置二氧化碳压缩机在开机前管道内引二氧化碳气体时，段间冷却器、分离器及管道内发生闪爆的现象。分析认为直接原因为管道内聚集的氢气与空气混合发生闪爆，间接原因为压缩机入口阀门前没有设置放空阀和取样阀，无法取样。通过采取相应的处理措施，保障了装置的运行安全。

关键词：二氧化碳压缩机；闪爆；氢气含量；爆炸下限

1二氧化碳压缩机工作流程

内蒙古鄂尔多斯化学工业有限公司尿素装置采用斯塔米卡邦二氧化碳汽提法池式冷凝器（Urea2000+^TM）工艺，生产能力为2860t／d。二氧化碳压缩机由锦州新锦化机械制造有限公司制造，蒸汽汽轮机驱动，离心式压缩机型号为7H-6B／3V-7B，压缩机分为两缸（低压缸、高压缸）四段冷却分离压缩。压缩机经过四段压缩将CO₂从20kPa加压到14.8MPa，并送至工艺系统。二氧化碳压缩机工作流程见图1。

         

由合成氨装置送来的CO₂气体（氢气含量约0.8%），压力（绝压，下同）0.105MPa，温度40℃，纯度（体积分数）98.5%，经切断阀、电磁阀和一段入口分离器进入压缩机低压缸，经一段压缩，压力升至0.66MPa，温度221℃；经一段出口冷却器冷却后与防腐空气混合进入一段出口分离器，再经低压缸二段压缩后压力升至2.43MPa，温度为176℃；然后进入装有金属铂钯催化剂的脱氢反应器脱除气体中的H₂和其他可燃性气体。脱氢后的CO₂气体经冷却后一部分返回到一段入口分离器前，以防止低压缸喘振，另一部分CO₂气体经分离后依次经压缩机二段、三段、四段压缩，出口压力达14.8MPa，温度为123℃，部分CO₂气体可返回二段出口，防止高压缸喘振，部分CO₂气体送至尿素高压合成系统。

2二氧化碳压缩机启动出现的问题

2020年12月18日13:00二氧化碳压缩机开车，13:54机泵主操开一段入口电磁阀至30%，后逐步开至100%，随后压缩机低压缸处发生一声异响，爆炸声来自二段入口分离器和一段段间冷却器以及连接管道内部，判断是这两台设备及管道内部的气体发生了闪爆。现场检查发现一段出口管道抱卡脚垫脱落，管道有移位现象，一段段间冷却器出口就地温度计表盘振落，压缩机盘车器退出。确认压缩机盘车正常后，16:21压缩机开始冲转，17:58超过临界转速时发现低压缸缸体导淋法兰漏气，18:03压缩机转速达到6700r／min时发生喘振，18:06压缩机停车。经排查未发现异常，19:09压缩机再次冲转，20:43压缩机转速升至6800~7000r／min时再次发生喘振。喘振时低压缸入口流量在18000~22000m³／h波动，低于该转速下的正常流量26000m³／h，判断为低压缸流量不足。经查阅合成氨装置DCS历史曲线，2020年12月18日凌晨二氧化碳分离器有过满液现象，判断可能是二氧化碳入口管道进水结冰堵塞，导致压缩机入口流量不足。随即联系了合成氨装置提高送二氧化碳压缩机一段入口分离器的二氧化碳温度和压力，提高温度用来溶解入口管道内的结冰，提高压力增加气量，防止因入口气体流量不足发生喘振，现场组织人员接蒸汽管吹扫二氧化碳管线，并对二氧化碳入口管线进行了开孔检查，但没有发现二氧化碳管线结冰堵塞。

12月19日03:22停压缩机对压缩机一、二段入口过滤器、四段出口单向阀、四段出口管线、四段放空截止阀和放空阀、一段入口分离器、压缩机入口阀门进行检查，均未发现异常。12月20日08:32二氧化碳压缩机再次冲转超过临界转速后机组发生喘振，观察运行36min后停机。12月24日拆检二回一、四回二阀门正常，拆检二段入口分离器人孔发现除沫网全部掉落（图2），12月30日拆开一段段间冷却器封头发现封头隔板变形严重（图3），经分析二段入口分离器除沫网全部掉落及一段段间冷却器封头隔板变形严重，气体走短路，最终导致二氧化碳压缩机喘振。经检修后，2021年1月27日二氧化碳压缩机启动正常运行。

3原因分析

针对二氧化碳压缩机启动时出现的上述问题进行分析，确定主要原因有以下方面：

1）2020年12月13日全装置停车后，自合成氨装置净化工段二氧化碳分离器至二氧化碳压缩机入口阀前的管线未进行置换，造成了管道内氢气的聚集。

2）压缩机停车后的缸体导淋阀均处于打开状态，管道及设备内均存在空气。12月18日开启压缩机入口电磁阀时，含有氢气的二氧化碳气体进入压缩机，导致氢气含量过高，聚集的氢气达到了其在空气中的爆炸极限（4.0%~74.2%）；与此同时，聚集的氢气在金属管道流动的过程中又产生了静电，而管道内又存有空气未置换干净，因此导致氢气与空气混合发生闪爆，即当时压缩机低压缸处发生的异响声。将二氧化碳压缩机一段段间冷却器内的隔板冲击变形，二段入口分离器除沫网全部掉落。这样就造成了压缩后的高温二氧化碳气体在一段段间冷却器中走短路，未经冷却就进入了分离器，使二氧化碳气体无法析出凝液，分离器的除沫网全部掉落，分离效果差，进入低压缸二段的气体中含未分离出去的水蒸气，气体温度高于设计温度，气体温度和组分的变化从而导致二氧化碳压缩机低压缸喘振。

3）合成装置送尿素装置二氧化碳压缩机入口阀门前的二氧化碳气体管道上原设计没有放空阀和取样阀，在二氧化碳压缩机进二氧化碳气体前，无法取管道内气体样分析二氧化碳气体中氢气的含量是否在爆炸极限范围。

4）未考虑到二氧化碳中的氢气会在设备、管道内聚集，并达到了氢气的爆炸区间。尿素装置打开入口阀引二氧化碳前未进行氮气置换操作，也未进行取样分析。

4整改措施及运行效果

4.1整改措施

1）尿素装置二氧化碳压缩机入口电磁阀前管道上加装放空阀和取样阀，用于置换和取样分析。

2）合成氨装置及二氧化碳压缩机停用后，必须用氮气对二氧化碳净化及压缩机系统的设备、管道进行置换，并取样分析，氢气含量低于氢气在空气中的爆炸下限的25%后停止置换，避免氢气聚集形成爆炸性气体。

3）再次启动二氧化碳压缩机前，必须在二氧化碳压缩机入口电磁阀前取样阀对管道内气体进行取样分析，氢气含量低于氢气在空气中的爆炸下限的25%后方可将二氧化碳气体引入二氧化碳压缩机。

4）对涉及氢气等爆炸性气体的设备、管道使用的静电线、接地线进行检查，确保运行良好，起到消除静电作用。

5）二氧化碳气体中少量氢气聚集闪爆事件发生后，公司高度重视，组织人员举一反三，全面排查隐患，做到安全生产。要求主管二氧化碳压缩机的工程师在启、停设备时亲自确认压缩机内部气体的组分。压缩机启、停操作规程中明确取样分析的位置、时间、责任人。公司要求全员重视设备内气体的组分监控，提高工艺人员和设备人员的责任感，杜绝爆炸三要素（可燃物、助燃物、点火源）同时存在。

4.2运行效果

以上措施实施后，二氧化碳压缩机的段间设备及管线都能进行置换及取样分析，消除了形成爆炸性气体的隐患。2021年1月27日再次启动二氧化碳压缩机，严格控制压缩机、分离器、管道内二氧化碳气体中的氢气含量在爆炸下限25%以下，压缩机顺利投入运行，机组的振动、位移、温度均正常。二氧化碳压缩机实现安全运行，为公司生产稳定运行奠定了基础。

5结束语

化工行业要遵守安全第一的原则，装置的原料、中间产物、最终产物多为爆炸性物质，运行中必须消除潜在的爆炸隐患，这就要求化工人高度重视设备、管线死角，以及装置启用、停用环节，确保过程中不形成爆炸性混合物。上述事件给化工行业再一次敲响警钟，可从中吸取经验，确保设备、人员安全。

THE ANALYSIS OF FLASH EXPLOSION OF GAS IN INTERSTAGE COOLER，SEPARATOR，AND PIPELINE INSIDE CARDON DIOXIDE COMPRESSOR

Zhu Yong，Li Yongwei，Li Gui，Cong Liwei

（Inner Mongolia Ordos Chemical Co.，Ltd.，Ordos 016064）

Abstract：Flash explosion accidents happened in the interstage cooler，separator and pipeline inside the CO₂ compressor during its commissioning to draw out carbon dioxide gas. The analysis result showed that the direct reason was the accumulated hydrogen in the pipeline mixed with the air and exploded. The indirect reason was the lack of release valve and sampling valve before the inlet of the compressor leading to no sample to be analyzed. Corresponding measures were taken to ensure the safety operation of the plant.

Key words：carbon dioxide compressor；flash explosion；hydrogen concentration；lower explosion limit

文章来源：大氮肥