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

对二氧化碳压缩机闪爆事故的分析和对策


摘要

二氧化碳压缩机开机前管道内的二氧化碳气体导入时，发生了闪爆现象，主要发生在段间冷却器、分离器及管道内部。事故发生的直接原因是管道中聚集的氢气与空气混合发生闪爆；间接原因是二氧化碳压缩机入口阀前缺乏放空阀和取样阀导致无法采取措施分析气体成分。通过实施一系列补救措施，确保了工艺系统的安全运行。




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采用斯塔米卡邦二氧化碳汽提法池式冷凝器（Urea2000+TM）工艺构建尿素装置，设计年生产能力为2860吨/天。二氧化碳压缩机由锦州新锦化机械制造有限公司制造，配备蒸汽汽轮机驱动，采用离心式压缩机型号7H6B/3V7B，压缩机设计为双缸（低压缸和高压缸）四段冷却、分离、压缩结构。压缩机制程将二氧化碳从20kPa加压至14.8MPa，并持续性地提供给工艺系统。基于合成氨装置供给的二氧化碳气体（氢气含量约为0.8%，压力0.105MPa，温度40℃，纯度98.5%），将通过切断阀、电磁阀以及一段入口分离器分别进入低压缸和高压缸进行压缩处理。

2. 二氧化碳压缩机启动问题

2020年12月18日，二氧化碳压缩机启动，13:54时机器操作者开启一段入口电磁阀至30%，逐步增至100%，随后，压缩机低压缸部位传出异响，爆炸声来自二段入口分离器、一段段间冷却器及相连管道内部，判定为设备及管道内部气体间的闪爆事故。现场检查发现一段出口管道有所移动，一段段间冷却器的入口表盘震动脱落，盘车器退出。确认压缩机盘车正常后，16:21时开启冲转，17:58时压缩机超速预警显示低压缸缸体导淋法兰存在泄漏，18:03时压缩机转速增高达6700rpm，发生喘振，18:06时压缩机停车。排查后未发现异常，19:09时再次尝试冲转，20:43时压缩机转速升至6800~7000rpm时再次发生喘振。事故期间，低压缸入口流量在18000~22000m3/h不稳定，低于正常条件下此转速的流量值26000m3/h，初步判断为低压缸流量不足。

3. 原因分析

事故发生的直接原因是2020年12月13日，全厂停止运行后，自合成氨工序二氧化碳解析器至压缩机入口阀前端的管道未执行置換，积聚了氢气。压缩机停运时段内，罐体疏水阀处于开放状态，使得管道和设备中存在空气。在打开压缩机入口电磁阀时，氢气含量过高的二氧化碳气体被引入压缩机，其积聚的氢气浓度达到了其在空气中爆炸极限的范围（4.0%~74.2%）。同时，氢气在金属管道内的流动过程中产生了静电现象，混合管道内未完全置换的空气，从而引发氢气与空气混合的闪爆事故。此次事故导致二氧化碳压缩机一段段间冷却器内的隔板变形，二段入口分离器的除沫网全面损坏，最终造成压缩后的高温二氧化碳气体在一段段间冷却器中出现短路现象，未经充分冷却即进入分离器，使二氧化碳气体未能析出凝结，分离器的除沫网无法发挥有效功能，进入低压缸二段的气体中掺杂了未充分分离的水分，气体温度超过设计参数，加剧了二氧化碳压缩机低压缸的喘振现象。

4. 整改措施及运行效果


针对此类事故，实施了一系列改进措施：


1. 增设了二氧化碳压缩机入口电磁阀前的放空阀和取样阀，供置換和抽检操作使用。

2. 在合成氨装置和二氧化碳压缩机停机后再启动前，对二氧化碳净化工厂和压缩机系统的设备、管道进行氮气置換，确保氢气含量低于氢气在空气中的爆炸下限的25%后方可停止置換，有效防止氢气聚集引发爆炸。

3. 在再次启动二氧化碳压缩机前，先在电磁阀前的取样阀处进行气体取样分析，确认氢气含量低于爆炸下限的25%后，即可引入压缩机。

4. 对于包含氢气等爆炸性气体的设备和管道，加大了对静电线与接地线的检测力度，确保其处于良好运行状态，以有效消除静电风险。

5. 通过全员行业内大力宣传和深刻教训，加强对设备内气体组分的监测，强化工艺和设备人员的责任意识，严格执行“防爆三要素”（可燃物、助燃物、点火源）的防控措施。

4.2 运行效果

上述改进措施执行后，有效削减了二氧化碳压缩机段间设备和管道中形成爆炸性气体的可能性。2021年1月27日，二氧化碳压缩机得以顺利启动并持续运行，设备振动、位移、温度状态正常，成功实现安全操作，为系统稳定运行打下了坚实基础。

结束语

在应对化学品生产过程中可能出现的爆炸风险时，化工行业必须始终坚持“安全第一”的原则，尤其关注原料、中间产物、最终产物中的潜在风险点，确保在装置启停、运行过程中不形成爆炸性混合物的特征。此类事故发生并得到妥善处理，再次强调了化工行业应吸取教训，以确保设备和人员安全。为了持续提升安全生产水平，确保化工生产活动的安全进行，仍需不断完善及时检测设备管线、执行严格的安全操作规程，以及强化员工对爆炸风险的识别和防范意识。此外，亦可通过工程技术的进步，比如更加高效和安全的气体置换和提纯方法，预防类似事故的再次发生，最终促进化工行业生产安全与可持续发展的长远目标的实现。