张惠南 何世泉 贾伟杰 张景辉 张永琪 王素稳

1中国石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司

2中国石油华北油田分公司第四采油厂

3中国石油华北油田电力分公司

本文讨论的高压电动机正压通风系统使用环境为煤层气处理站场。正压通风是指具有保护外壳，且壳内充有保护气体，用保持外壳内部保护气体的压力高于外部大气压力，以阻止外部爆炸性气体进入壳内的方式达到防爆要求[1]。本煤层气处理站压缩机组座落于机房密闭空间内，属易燃易爆场所[2-3]，一旦发生可燃气体泄漏，因正压通风系统保护电动机内部气压一直高于外部大气压，形成微正压，确保混有可燃气体的空气不会进入高压电动机内部，保证了电动机的防爆安全性能。

为确保正压通风一直有效，在高压电动机上专门设置了一套正压通风控制系统，通过控制单元、各传感器和控制阀门，将净化后的压缩空气充入电动机内部从而获得正压通风效果，而系统的控制核心会随时监控关键参数以判断系统是否正常，并将运行状态通过信号传输至压缩机控制系统。运行中，站场出现过在压缩机正常启机操作时，控制页面显示正压通风吹扫持续无法完成，启机指令停滞无法进入下一个环节，影响正常启机操作的情况；也发生过比例电磁阀和泄漏补偿问题，一直无法闭合，难以形成微正压从而联锁停机的情况；还发生过控制故障吹扫电磁阀无法打开吹扫、排气阀难以关闭出现机械故障或损坏，以及其他原因出现的误报误联动，导致正压通风故障频发，压缩机频繁联锁问题，给正常生产造成损失[4-7]。为减少正压通风系统的故障，对正压通风系统进行了系统分析，总结了多年来出现的问题及解决办法，制定了针对性的保养检查措施。

1 正压通风工艺流程及自动控制原理

采用西门子4 800 kW 电动机，型号为1SB6 714-6JJ80-Z，带有正压吹扫防爆功能，通过自带的ST-2000C 型控制柜，控制净化压缩空气进入电动机内部，以达到防爆的目的。其工作原理如图1所示。逻辑控制单元[8]采集电动机内部压力及电动机放空口流速，其中内部压力可以通过逻辑控制单元控制，最低要求范围为0.8～25 mbar，一般设为0.8 mbar，最高要求范围为10～25 mbar，一般设为15 mbar，最小放空口流量要求范围为0.1～99 L/s（一个标准大气压，温度为0 ℃，相对湿度为0%），一般设为99 L/s，高或低于设置压力及流速，逻辑控制单元都会通过逻辑判断电动机[9]吹扫状态为异常，并将结果通过信号传至压缩机控制柜。同时吹扫气源也有最低要求，为压力3 bar，流量450 m3/h，最大允许颗粒不超过100 μm。

图1 主电动机正压通风柜内工作原理图Fig.1 Principle diagram of main motor positive pressure ventilation cabinet

压缩机启运需满足两个条件：

（1）电动机投运前正压吹扫。采用正压通风的防爆电动机多使用在可燃气体处理工艺中，为避免电动机投运前环境中就存在可燃气体进入电动机内部，一般电动机都需要提前进行正压通风吹扫，即大量的非可燃气体吹入电动机内部，通过电动机顶部的放空口排出，目的是将电动机内的气体全部置换为非可燃气体（图2）。电动机内部压力通过检测仪表传回逻辑控制单元，放空口内的流速检测也将信号传回逻辑控制单元，当电动机内压力和放空口流速达到设定压力和设定时间后，逻辑控制单元认为电动机内部气体已全部置换完成，吹扫时间取决于吹扫体积（通常是电动机机柜全空时体积的10 倍）和进气压力。控制单元关闭吹扫阀门和吹扫排气阀门，电动机内部压力保持稳定，但因电动机无法完全保持密封，压力会缓慢下降，此时控制单元会通过控制自动保压阀开关来对电动机内部补充气体，以保证电动机内部压力在设定范围内，并且此时逻辑控制单元会传递开关状态信号给压缩机控制柜，表示电动机此时处于安全状态，可以启动。

图2 主电动机正压通风柜内工艺流程Fig.2 Process flow of main motor positive pressure ventilation cabinet

（2）电动机运行中的压力保持。在电动机运行过程中，为防止电动机外部突然出现可燃气体泄漏进入电动机内部造成安全风险，电动机内需持续保持正压，保证外部可燃气体无法进入电动机，因此，在电动机吹扫完成后还需要通过保压阀持续的进气补压，并通过控制器控制自动保压阀开闭将电动机内部压力控制在设定范围内（图3和图4）。

图3 工艺阀门+电磁阀的自控调节方式Fig.3 Automatic control mode of"process valve+electromagnetic valve"

图4 自控程序逻辑示意图Fig.4 Schematic diagram of logic of automatic control program

2 常见故障分析及相应对策

在易燃易爆场所，电动机的防爆性能至关重要，一般电动机的正压通风系统是否正常都与压缩机的启停连锁反应有关。电动机的正压通风异常，会直接造成压缩机的连锁停机，导致生产中断，给正常生产造成较大影响，甚至造成无法挽回的经济损失。因此，对于压缩机电动机的正压通风系统，需要分析可能导致异常的原因，提前规避风险，如果发生异常，才能及时排除异常原因，恢复正常运行。正压通风柜结构见图5。

几种常见的异常及原因分析：

（1）电动机无法开始吹扫。为保证电动机启运前内部气体能够置换完全，对吹扫的气量有一定的要求，一般是通过电动机吹扫出口的流速检测来判断，当从吹扫[10]放空口排出的气体流速不能满足设定值，逻辑控制单元认为不能够达到吹扫置换条件，吹扫无法开始。流速不达标的原因最常见的有三种，分别是气量不够、电动机漏失严重或放空口未完全打开，此时，需要针对这三点进行检查，增加吹扫进气量和压力，查看电动机密封是否完好，检查吹扫阀是否打开，在流速指标达标后开始吹扫计时。

（2）正压状态突然中断，开始重新吹扫。在电动机运行过程中，电动机内部压力一直通过逻辑控制器控制补压阀门进气稳定在规定压力范围内，但在以下几种情况下，电动机内压力会突然失衡，导致电动机内正压状态破坏，电动机重新吹扫，压缩机连锁停机：①仪表风突然大量减少（中断）或增大。此时由于补压阀门口径较小，调节能力有限，突然减少或增大的吹扫风量导致电动机内压力超出设定压力范围，使逻辑控制器判断电动机内正压环境被破坏，重新开始吹扫；同时发出保护信号，压缩机连锁停机，此种情况多见于吹扫风的阀门突然堵塞或人为改变开度。②电动机内密封有损坏，导致电动机内失压过快，补压阀不能满足压力损失补充需求。因使用正压通风保护的电动机体积一般较大，为保证内部压力稳定，都会对电动机外壳各连接部位进行密封，尽量减少吹扫压力损失，而补压阀门口径较小只能满足少量的气量补充，一旦发生外壳连接部位错位或密封材料老化损坏等情况，内部快速失压，当补压阀补充不及时，就会导致内部压力低于设定值重新吹扫。③吹扫阀突然打开或密封失灵漏失。电动机吹扫风出口的吹扫阀采用气开形式的气动控制阀门，当电动机吹扫时，逻辑控制器控制电磁阀给吹扫阀供气，吹扫阀打开，电动机开始吹扫；吹扫完成逻辑控制器控制电磁阀关闭停止给吹扫阀供气，吹扫阀关闭保压；电动机运行过程中如果控制器或电磁阀异常，吹扫阀突然打开或吹扫阀闭合不严，则电动机内快速失压，压力低于设定值而重新吹扫、连锁停机；④自动补压阀失灵，不能及时补充压力。电动机的外壳不可能做到完全密封，内部压力能够一直保持，所以需要有补压阀门时刻给电动机内漏失的压力进行补充，而一旦补压阀不能及时补压，则压力低于设置值就会重新吹扫，所以一般可以将手动补压阀门同时打开一定开度，防止自动补压阀故障不能及时补充压力。

（3）吹扫持续时间过长，无法进入完成状态。主要包括以下几种情况：①吹扫阀突然关闭，导致吹扫流量降低，无法达到吹扫要求。此情况多见于给吹扫阀供气的电磁阀或管路发生故障，导致吹扫阀失压关闭，放空口流速检测不到风量而导致逻辑控制器认为吹扫条件没有达到而不能完成。②吹扫气源较脏，导致吹扫管路逐渐堵塞，气量降低，无法达到流量要求。同样是由于吹扫气量减少导致放空口流速检测不达标而导致的逻辑控制器判断吹扫完成条件不够。③压力或流速传感器损坏，检测不到压力或流量，或检测到压力流量偏低。逻辑控制器用于判断吹扫完成的三个主要条件为压力、流速、时间，其中两个需要压力管路、传感器检测获得，一旦检测环节出现问题，判断为参数异常，则逻辑控制器都无法认定吹扫达到完成条件。

3 应用实践效果

在实际生产的故障判断和解决中，逐步总结梳理出了一些常见解决方法（表1），将排查、解决问题的时间大大缩短，减少了停机时间带来的生产损失。

表1 正压通风系统故障情况与解决Tab.1 Faults and solutions of positive pressure ventilation system

针对易出现的故障点定期检查维护，减少出现问题的概率，进一步降低了正压通风系统发生故障的概率。近两年正压通风引起的压缩机故障停机次数统计见图6，停机次数得到有效降低，保障了压缩机安全、稳定运行。2021 年正压通风故障大幅降低，这是在2020 年对一系列问题的剖析、解决并提出防范措施的有效印证。

图6 正压通风系统联锁停机次数Fig.6 Numbers of interlock shutdown of positive pressure ventilation system

4 结束语

在实际生产过程中，对压缩机高压电动机正压通风的原理和常见问题进行分析，生产故障发生时，大多问题不是单一参量的变化，这就需要从最常见的可能性问题出发，灵活运用以往经验，逐一排除问题的某一因素，找到问题的根本原因并加以解决。深入了解掌握正压通风柜构造、净化风工艺流程及仪表电路控制原理，可排除故障点，积累经验，不仅能即时解决现场问题，还能提供预防思路。经过对2020 年正压通风问题的分析、总结，及防范措施的采用，2021 年全年因正压通风问题导致的压缩机停机次数大幅下降，在配件更换、配件材质、工艺管路、电气仪表[11]等方面提前检查、维护及处理，保障了正压通风系统的正常运行。