地下水封洞库潜油泵竖井套管防爆设计优化_方明松.pdf

化学工程与装备 2023 年 第 4 期 202 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 4 月 地下水封洞库潜油泵竖井套管防爆设计优化 地下水封洞库潜油泵竖井套管防爆设计优化 方明松，刘建立（惠州国储石油基地有限责任公司，广东 惠州 516086）摘 要：摘 要：简要介绍了地下水封洞库，分析了目前潜油泵竖井套管防爆设计存在的问题，从增加潜油泵电机电缆防爆设计，增加竖井套管氮气置换系统等方面探讨了竖井套管防爆设计的优化途径。关键词：关键词：水封洞库；竖井套管；防爆设计；优化 1 地下水封洞库简介 1 地下水封洞库简介 地下水封洞库是以爆破以及机械开挖形成的大型地下洞室群，其主要储存的产品介质主要为原油和液化气（丙烷、丁烷等）。黄岛从 80 年代开始便在已经成功建设并投产了一座小型的地下石油洞库，而随着国家石油战略储备二期工程的顺利推进，目前国内已有黄岛、锦州、惠州、湛江等多个储备基地完成了大型水封石油洞库的建设，其中最大建设规模已经达到了 500 万 m3。2021 年 12 月以来，国际石油价格持续走高，而随着目前大国矛盾不断加剧，甚至在个别地区（乌克兰）发生激烈的大规模军事冲突，2022 年 3 月国际原油价格一度超过了130 美元/桶，变幻莫测的国际环境对我国能源安全尤其是石油储备安全构成了严峻的挑战。地下水封洞库作为石油储备的重要组成部分，在我国战略石油储备中发挥了越来越大的作用，地下水封石油洞库以其占地规模小、每立方米储罐建设成本低、运营成本低、储油安全性高的独特优势，在国家石油战略储备方面发挥了至关重要的角色。2 目前潜油泵竖井套管防爆设计存在的问题 2 目前潜油泵竖井套管防爆设计存在的问题 本文研究的位于国内的某地下水封石油洞库中，用于洞库发油的核心设备主要为安装在洞室泵坑内的潜油泵，其安装深度往往在地面以下上百米。为了潜油泵能够安全稳定地在洞室底部运行，设计人员通常会在从竖井口到洞室底部的泵坑间设计一条直径 800mm 至 1000mm 的钢制管线，一般称为竖井套管，其作用主要是为了潜油泵出油管线与洞室气相空间的隔离。由于水封洞库储存的是原油，正常储油状态时，该竖井套管内下方约三分之一的管线被原油填充，因此竖井套管上端的气相空间长期存在挥发出来的石油蒸气，存在连续释放源。根据相关规范规定1，该空间在设计时应划分为爆炸性危险区 0 区。由于水封石油洞库潜油泵竖井套管内部上端气相空间为爆炸性危险区 0 区，该区域内的电气设施防爆设计极为苛刻。为了满足防爆设计相关要求，潜油泵的设计中要求其穿越潜油泵竖井套管空间的电机电缆必须采用高等级防爆电缆，设计要求必须采用本安型防爆形式，防爆型式标志为Exia 或者 Exib。由于电缆与电机之间、电缆与电缆之间总是存在接头的问题，一般使用防爆接线盒将两者连接。在地下水封洞库的工程安装过程中，已经出现过由于接线盒故障导致潜油泵试运行过程中接线盒被电流击穿而导致电缆破损的故障，幸运的是发生故障时处于机泵试运阶段，洞罐还未进油，因此未造成安全事故。由于地下水封洞库竖井套管设计寿命在 50 年以上，并且竖井套管一旦出现故障后维修难度极大，若无法维修将可能导致整个洞罐无法正常使用，因此在正常运行中对于竖井套管的防爆设计要求极为苛刻。在下一步的潜油泵套管设计研究中，采用合理的方式优化竖井套管的防爆设计，对于提高防爆区域内的设备运行本质安全有着极为重要的意义。3 竖井套管防爆设计优化探讨 3 竖井套管防爆设计优化探讨 为了进一步保证地下水封洞库竖井套管内设施的本质安全设计，进一步优化防爆设计方案是很有必要的。结合国内某地下水封石油洞库的运行经验，可以从提高潜油泵电机电缆防爆设计、增加竖井套管氮气置换系统设计等方式进行优化，以达到提高防爆设计的目的。增加竖井套管氮气置换系统的设计中，氮气置换线可以分两种方式进行设计，一是氮气置换线由竖井套管顶板法兰上端注入，置换气排出线由顶板法兰上端引出，该设计方式施工难度低、投资成本低，但是由于采用“上进上出”方式进行置换，竖井套管又是细长型的结构，因此操作人员需要反复置换多次，并且每次冲入氮气后必须停留足够的混合时间才可以保证置换效果；二是设计管线将氮气引入竖井套管底部的气相空间，置换气排出线由顶板法兰上端引出，该设计方案下操作人员能够快速地完成置换工作，置换用气量也小，但是由于置换管线需要埋深至竖井套管下端部分，需要突破接近 100 米的地质深度，施工难度大，投资相对较高并且运行阶段也难以对其进行检测、维修。3.1 增加潜油泵电机电缆防爆设计 结合某些外国公司的实际经验，为了提高电缆的防爆设计要求，设计人员可以在电机制造阶段便将防爆电缆设计在一条密闭的不锈钢隔爆管线内，电机电缆出口位置预先留有设计钢制连接口与不锈钢隔爆管线直接相连。不锈钢隔爆管线一般长度在 12 米以下，而整个电机电缆需要穿越 100 米分析与测试 分析与测试 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.04.026 方明松：地下水封洞库潜油泵竖井套管防爆设计优化 203 左右的地下水封洞库竖井套管，考虑到安装以及检维修工作的便捷，必须采用多条不锈钢管线连接而成。因此不锈钢隔爆管线自电机接出后的上端的部分，每隔一段距离便设计一对法兰连接，从而起到将防爆电缆彻底与外围竖井套管内部爆炸性气体连续释放源的完全隔离的目的。为了进一步达到防爆的目的，不锈钢隔爆管线在水封洞库竖井区域的顶部穿越竖井套管顶板法兰后，往往需要设计一个不锈钢储水罐与其相连，可在内部储存去离子水，并且将去离子水引入到整条隔爆管线内。日常运行时，潜油泵电机电缆浸没在该不锈钢隔爆管线内部的去离子水中。正常运行时，操作人员可通过观察地面上储水罐的液位，来监控不锈钢隔爆管线的运行情况，在不锈钢管线出现微量泄漏（漏水）时一般无需使用吊车吊出来维修，而可以向储水罐内补充适量的去离子水以维持水位，降低维修成本。电机电缆防爆设计改造见图 1。图 1 潜油泵电机电缆防爆设计优化示意图 图 1 潜油泵电机电缆防爆设计优化示意图 该设计方案的优点是从本质上能够达到提高竖井套管防爆设计的目的。在水封石油洞库正常运行时，该不锈钢隔爆管线内部便不会出现爆炸性气体连续释放源，可以从根本上降低与潜油泵防爆电缆接触的气相空间的防爆等级；该设计方案的缺点是，不锈钢隔爆管线和防爆电缆必须一同安装延伸至埋深 100 米下的洞室底部，需要逐段管线穿越电缆后再利用钢制管线的法兰连接而成，在实际的工程安装作业，需要较为复杂的安装方案以保证不锈钢隔爆管线与电缆安装时的安全性。同时在检维修过程中，将不锈钢隔爆管线与防爆电缆从竖井套管内部拆卸出来，也变得尤其复杂。3.2 增加竖井套管氮气置换系统 在国内某水封石油洞库中，设计人员与洞库运行团队在实际的设计方案中，通过向套管内注入氮气以置换掉其内部的氧气，以提高竖井套管运行的安全性。具体做法为，在竖井套管上端的顶板法兰上，设计增加一条直径 25mm 左右的钢制氮气置换线，在竖井套管首次投入运行或者每次检维修后投用时，通过向内部注入纯度为 99.99%的氮气，通过套管上设置的压力表观察氮气压力，一般压力达到 30-50kpaG后停止注入氮气，将套管内的气体排放至油气回收系统2。氮气置换系统（上进上出）见图 2。图 2 氮气置换系统（上进上出）设计优化示意图 图 2 氮气置换系统（上进上出）设计优化示意图 在实际的生产过程中，运行人员通过竖井套管氮气置换系统的排气口取样后利，用 4 合 1 分析仪对氧含量进行分析发现，上述氮气置换工作往往不能一次性就能将竖井套管内的氧含量置换到低于 8%以内的指标要求内。当操作人员较快地完成置换后，隔了一段时间再取样甚至发现竖井套管内的氧含量高于 15%。为了达到置换目的，满足运行安全条件，运行人员需要反复多次对该竖井套管进行氮气置换，并且在每次注入氮气后需要充分停留足够时间以保证注入上端的氮气能够较好地在竖井套管内扩散。运行人员经过仔细研究，发现出现该问题的原因主要为竖井套管直径相对较小（一般为 800mm 到 1000mm），而竖井套管一般长达 110 米以上。与此同时，由于地下水封石油洞库一般设计压力在0.2MPaG 以内，实际运行压力一般低于 50kpaG，因此置换的氮气压力也不能够过高，从而导致每次注入的氮气量有限，单次置换效果不佳。为了提高竖井套管内氮气置换工作的效率，今后的套管氮气置换系统设计中，可以考虑将氮气注入口延伸至竖井套管下方的气相空间附近。由此在置换作业过程中，操作人员可以从底部注入连续注入氮气，而从顶部排出置换气，达到彻底置换竖井套管内的氧气的目的，其置换效果预计能够将204 方明松：地下水封洞库潜油泵竖井套管防爆设计优化 竖井套管内的氧含量置换到 1%以内。氮气置换系统（上进上出）见图 3。图 3 氮气置换系统（下进上出）设计优化示意图 图 3 氮气置换系统（下进上出）设计优化示意图 采用“下进上出”的设计方式从很大程度上来说能够便于操作人员较快地完成氮气置换工作，但是由于置换用的氮气管线需要延伸至洞室内部，从竖井套管内部穿越时需要同时考虑对潜油泵出油管路设计的影响。另一方面，该氮气管线也可以单独从竖井上方穿越竖井封塞从外侧进入竖井套管内，但其将增加许多工程难度，且其埋在地下的管线也同时要考虑如何防止管道变形产生的应力以及后续的腐蚀影响。无论是从“上进上出”还是“下进上出”对竖井套管进行氮气置换，置换后的竖井套管内部取样的氧含量必须低于8%。同时为了避免置换后氧气再次窜入系统内，往往最后向套管内充入一定量的氮气，保证套管内的压力在 30-40kpaG内，达到与洞罐运行时的气相压力平衡的目的3。4 总 结 4 总 结 随着目前国际原油价格持续上涨，地下水封石油洞库4以其占地规模小、每立方米储罐建设成本低、运营成本低、储油安全性高的独特优势，在国家石油战略储备方面发挥了至关重要的角色。潜油泵作为地下水封石油洞库的核心设备，与其相关设施的防爆设计关系到整个水封洞库的安全平稳运行。通过对潜油泵竖井套管防爆设计优化探讨，无论是采用增加潜油泵电机电缆防爆设计措施，还是采用增加氮气置换系统降低套管氧含量的设计措施，都能够从本质上保证竖井套管运行的安全与稳定。参考文献 参考文献 1 殷虹.我国液化天然气接收站防爆设计J.石油与天然气化工,2013(6):658-662.2 刘劲松,徐继承.密闭装车改造在塔里木油田的成功应用J.油气田地面工程,2006(9):20-21.3 张辛.液化天然气加气站工艺系统运行过程的探讨J.城市建设理论研究(电子版),2015(20):5549-5551.4 梁佳佳.地下水封石油储备库工程地质条件分析及空间布置优化设计研究D.济南:山东大学,2017.（上接第 199 页）_（上接第 199 页）_ 19 赵雅婷.金属-有机骨架及其复合材料对挥发性有机化合物吸附/解吸性能和机理研究D.保定:河北大学,2019.20 牛平平,万力,丁慧萌,等.金属有机骨架材料的制备及应用研究进展J.天津化工,2020,34(06):9-12.21 Zheng X M,He W W,Rehman S,et al.Facile Synthesis of Hydrophobic Metal-Organic Gels for Volatile Organic Compound CaptureJ.ACS Appl Mater Interfaces,2020,12(37):41359-41367.22 师健玲.Mn 基金属氧化物气凝胶的制备及 VOCs 吸附性能D.东北石油大学,2021:45-58.23 陈思如,薛铭,潘莹,等.两种新型多孔金属-有机凝胶的合成、表征与气体吸附性能J.高等学校化学学报,2015,36(5):815-820.24 Yu J,Wang X,Chen L,et al.Enhanced adsorption and visible-light photocatalytic degradation