壓氣站電機正壓通風系統應用與故障分析

聶文，呂義超

(中石化天然氣榆濟管道分公司，山東 濟南 250000)

天然氣長輸管道需要在沿途建立增壓站，通過壓縮機多級壓縮，實現天然氣長距離輸送[1]。壓縮機站作為長輸管道的心臟，在天然氣輸送過程中扮演著重要角色。壓縮機組是壓氣站的核心[2]，目前離心式天然氣壓縮機以電機變頻驅動為主，離心式壓縮機通常具有轉速高、流量大、運轉平穩、易損件少、連續工作等特點[3]。天然氣輸送環境屬于易燃、易爆場所，因此對于大型電機的防爆措施要求比較嚴格。壓縮機廠房內為爆炸危險場所1區[4]，當機組檢修或長時間處于備用狀態時，外界環境中的可燃氣體可能進入電機內部，一旦因為繞組絕緣降低或者其他原因產生火花，容易發生電機爆炸事故。為了防止事故的發生，可在電機外部安裝1套正壓通風系統[5]，在電機啟動前利用來自空壓機的壓縮空氣對機體內部進行吹掃，并置換電機內部的混合氣體，吹掃時間和置換的空氣量根據需要設定，吹掃完成后電機才可正常啟動。電機正常運行期間在電機外罩內部補充空氣，使電機內部一直保持微正壓，從而使周圍環境的可燃氣體無法進入電機內部，起到防爆功能[6]。

1 電機正壓通風系統

電驅壓縮機組防爆電機為正壓通風型[7]，電機正壓通風系統又稱為電機吹掃系統[8]，EEx p加壓系統是在1個EEx p電機外罩內產生并維持超壓，防止環境中氣體的進入。防爆電機可以與EEx p系統F-361.F4共同用于1區和2區爆炸危險區域。在使用正壓外罩的情況下，可以達到EN 60079-2[9]規定的EEx P IIC T4類溫度組別。在操作時，可以提供環境溫度-20～+40 ℃的氣體。

正壓通風系統主要借助機械閥門和電磁控制比例閥的組合來提供獨特的冗余機制，實現補償泄漏空氣的目的。該系統帶核心控制器，該控制器的作用是自動監控并調節外罩內的正壓，數字/比例閥提供設備保持正壓所需要的空氣。正壓通風P/D原理如圖1所示。

圖1 正壓通風P/D原理示意

2 電機正壓通風系統的工作流程

正常操作中，控制機柜中的控制器會參照環境溫度按照設定值來監控和調節EEx p外罩的內部壓力。壓氣站SIEMENS電機型號為1SQ6716-4HS90-Z，其正壓通風設計參數見表1所列。

表1 正壓通風設計參數

電機正壓通風系統的工作，可以分為3個步驟： 預吹掃—定時吹掃—泄漏補償模式，下面對每個步驟進行詳細分析。

2.1 預吹掃過程

在正常環境溫度下，外罩內部壓力增加，超過設置的最大壓力值，快速排氣閥會自動打開。當內部氣壓小于設定的最大值以后，快速排氣閥會再次關閉。預吹掃過程如圖2所示。

圖2 預吹掃過程示意

2.2 定時吹掃過程

定時吹掃過程如圖3所示，在連接壓力供氣裝置并打開主開關時，吹掃閥、比例電磁閥、出氣閥將被打開。吹掃過程中，來自空壓機的壓縮氣體通過吹掃電磁閥、比例電磁閥及自動補償閥進入電機外罩，并從出氣閥排出，定時吹掃過程進入以下步驟：

1)當通過電機的壓縮空氣體積大于5倍的電機機殼內部空間體積后，初始吹掃過程結束。

2)當差壓流量計差壓值低于閾值0.1 kPa時，吹掃計時開始，此時數字顯示器上顯示剩余操作時間。

3)當達到系統設定時間10 min后，控制器給出信號，吹掃出口閥關閉，系統會發出“吹掃完成”遠傳信號至PLC中。

圖3 定時吹掃過程示意

2.3 泄漏補償模式

吹掃完成后，控制器中的繼電器會切斷吹掃閥的電源，吹掃閥關閉，同時出氣閥也會關閉。該一系列操作完成后，壓縮氣體只能通過泄漏補償閥和比例電磁閥進入電機內。當正壓通風系統進入泄漏補償模式后，電機殼體上設定的壓力監測點將采集到的電機外殼壓力信號pmin反饋給正壓通風系統，當壓力低于系統設定值1.26 kPa時，系統重新進入泄漏補償狀態，保持電機內腔壓力始終高于外界。正壓通風系統的泄漏補償模式如圖4所示。

圖4 泄漏補償模式示意

控制器的壓力開關實時監測電機內腔的正壓，如果壓力下降到預先設定的最小值以下時，控制器中的端子會自動打開，并發出相應信號，關閉電機電源。為了防止吹掃過程中電機內腔壓力波動導致的誤報警，控制器中的端子帶有5 s的脫出延時。

3 應用案例

3.1 故障描述

2017年4月23日，某長輸管道壓氣站1號、2號壓縮機組電機出現正壓通風壓力低報警，導致機組緊急停機；查看現場電機外罩內工作壓力為1.26 kPa，壓力顯示正常。2017年5月1日，壓氣站1號、2號壓縮機組電機再次出現正壓通風壓力低報警導致的機組停機事件。

3.2 故障原因分析

針對出現的正壓通風壓力低報警，從以下4個方面進行了分析：

1)來自空壓機的壓縮空氣壓力波動較大，電機外殼內氣體壓力隨之變化，當壓力低至開始吹掃壓力轉換點時，觸發了機組緊急停機。

2)循環水壓力變化大，電機內部空氣冷卻效果不佳，氣體溫度忽高忽低直接導致壓力的變化幅度較大。

3)檢查電機內壓力監測管線是否正常、是否發生堵塞。

4)控制器設計參數設置不合理，導致正壓通風氣體壓力出現變化。

3.3 處理措施

根據故障原因分析，采取以下措施預防正壓通風系統產生的故障：

1)通過SCADA查看儀表風壓力變化趨勢，保證停機點附近儀表風壓力在0.68～0.73 MPa。

2)現場觀察循環水泵運行情況，保證水泵運行平穩，使電機的循環水壓力在0.24～0.26 MPa，并處于穩定狀態。

3)拆卸壓力監測管線，用儀表風氣體進行清洗，清除管內雜質。

4)查看控制器設置參數，使最小壓力轉換點壓力與正壓通風設計參數保持一致。設置合理的壓力補償閥值，保障機組的正常運行。同時，結合現場實際運行工況，將電機外罩內正常工作壓力調整為1.6 kPa，控制器最大壓力轉換點保持2.5 kPa不變，降低壓力波動幅度大導致的停機風險。

通過調整正壓通風系統3臺電機參數，隨后壓縮機運行及試運過程中，壓縮機組未出現正壓通風壓力低報警導致的跳機事件發生。

為了保證電驅壓縮機組電機的安全運行，必須加強對儀表風系統、循環水系統、潤滑油系統等輔助系統的狀態監測，及時掌握壓縮機運行狀態，提前預知機組隱患并做好預防性維護[10]，保障壓縮機各系統的安全平穩運行。

4 結束語

正壓通風系統是驅動壓縮機組電機的關鍵系統，關系到壓縮機組能否正常運行，對壓氣站的安全生產有著重要意義。通過對某長輸管道壓氣站電機正壓通風系統故障原因的分析，一方面找出故障原因，另一方面總結了類似問題的處理方法，為今后正壓通風系統的故障處理提供了參考。