浮式生产储油卸油装置防H2S空气呼吸系统设计
时间：2023-04-24 12:50:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
矫亚涛，宫景雯，高 鹏，窦培举
（中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）
硫化氢（H2S）是一种无色、剧毒、易燃易爆的酸性气体，对黏膜有强烈的刺激作用。H2S通过呼吸系统进入人体后，会对人的中枢神经系统产生破坏[1]，当含量较高时会直接抑制呼吸中枢，使人迅速窒息甚至死亡。
含硫油气田的原油采集、处理、生产、加工及运输过程中会伴随大量的H2S气体。正常生产状态下，H2S被束缚在密闭的系统中，而一旦发生泄漏事故，则会对现场操作人员造成巨大危害。在开发含硫油气田时，做好H2S防护设计对于含硫海上平台和浮式生产储油卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）非常重要。
H2S的防护是一个系统工程，包括探测、报警、人员防护、事故处理等内容。目前，FPSO的 H2S防护呼吸系统一般是在合适的区域设置单独的呼吸器，用于平时的设备维护和紧急逃生，气体供应仅供使用15～30 min。由于FPSO远离陆地、甲板面积有限，其应急救援措施和装备均难以满足《硫化氢环境应急救援规范》[2]的要求。一旦呼吸器的储气量耗尽，必须立即停止生产，弃台逃生。因此，现有FPSO的H2S防护系统仅适用于H2S含量不高、甲板通风充分的 FPSO，难以满足高含硫油田开发的需求。
本文以中国东南部海域某高含硫油田开发工程为例，结合国内第一艘圆筒形FPSO的结构特点，设计一种适用于高含硫油气田的FPSO应急空气呼吸系统。该系统可用于正常操作维修、H2S泄漏、紧急逃生等各种工况。
本项目油田位于中国南海珠江口盆地东沙隆起西南部，预测生产井在测试分离器出口的H2S平均含量（质量分数，下同）约1.9%，油田产液在生产分离器出口的H2S平均含量为0.80%～3.26%，是目前我国H2S含量最高的油田。
用于本项目油田生产的FPSO是中国第一艘圆筒型FPSO，主甲板外径为82.8 m，工艺甲板外径为90 m，船体部分包含10个货油舱和16个压载舱，货油装载量为60 000 m3。上部组块的原油、天然气、生产水设计日处理量分别为5 520 m3、9 360 m3、69 600 m3。生活楼定员70人，楼内设置临时避难所（Temporary Refuge，TR）供工作人员在火灾、有毒气体泄漏、船体破损等各种事故发生时临时避难使用。圆筒形FPSO示意图见图1。
图1 圆筒形FPSO示意图
相对于传统船型FPSO，圆筒型FPSO密闭空间更多，设备布置更为紧凑、集中，四周围有挡浪板，通风不畅。主甲板被上层工艺甲板、船体部分和四周挡浪板包围，几乎完全封闭，若发生H2S泄漏，容易形成聚集。因此，传统FPSO防H2S呼吸系统已难以满足项目生产需求。
空气呼吸系统是在环境空气被污染无法使用时，用于为现场人员提供可呼吸空气的系统。系统应以保证气体清洁、供应充足、安全可靠、使用简单、反应迅速、节省空间、便于维修为设计原则。
2.1 设计难点与解决方案
2.1.1 气体来源
空气呼吸器一般自带空气瓶，气瓶体积一般为2.0 L、3.0 L、4.7 L、6.8 L和9.0 L[3]，当气瓶内的气体耗尽时，由空压机充气补充。9 L气瓶的标准供气时间长达45 min，难以满足现场需求，且气瓶质量和体积较大，携带不便。此外由于FPSO的甲板面积较小，H2S气体一旦发生泄漏，会迅速蔓延至整个FPSO。泄漏的H2S会污染空压机进气口空气，导致空压机无法对气瓶充气，这会进一步限制工作人员在FPSO上的抢险时间。
为便于携带和使用，在FPSO上适当位置配备足量的6.8 L和4.7 L空气瓶，仅供工作人员逃生时使用。在适当位置设置供气站，供工作人员工作或事故待命工况下使用，使用时通过空气插管与空气瓶共用呼吸面罩。为解决事故工况下空压机不能使用的问题，在安全区设置高压气瓶，提前储存足量的空气作为供气站的气源。根据供气站接口压力的不同，系统分为高压空气呼吸系统和低压空气呼吸系统。
高压空气呼吸系统为压缩气体在进入各供气点之前不进行减压，可直接为呼吸器空气瓶进行充气的系统。系统压力取决于呼吸器空气瓶的充气压力，一般约为30 MPa，系统主要由空压机、高压储气瓶组、高压供气站等组成。高压空气呼吸系统流程图见图2。
图2 高压空气呼吸系统流程图
低压空气呼吸系统为压缩气体在进入各供气点之前通过逐级减压维持管道压力为中、低压状态，呼吸器空气瓶通过高压防爆充气箱或高压充气站充气的系统。低压空气呼吸系统末端压力一般约为0.7 MPa。低压空气系统相对于高压系统需增设调压阀组和专门的防爆充气箱/高压充气站。低压空气呼吸系统流程图见图3。
图3 低压空气呼吸系统流程图
2.1.2 空气消耗量
成年男性和女性的肺活量分别约为 3 500 mL和2 500 mL。每次吸入500 mL新鲜空气，实际只有大约350 mL进入肺泡参加气体交换，其余空气停留在无效腔中，无法起到应有的作用[3]。
目前国内外规范对于FPSO呼吸系统的消耗速率尚无统一的规定，荷兰皇家壳牌集团要求呼吸器为每人供应的最低空气消耗量为170 L/min[4]。在国内，不同劳动强度对应的空气消耗量不同，具体见表1。
表1 不同劳动强度对应的空气消耗量
综合考虑人员差异以及设备占地面积、投资等因素，结合FPSO的工作特点，设计每人空气消耗量取为50 L/min。
2.1.3 空气供应时间
在计算高压气瓶储气量时，需要考虑工艺区工作用空气消耗量与临时避难所紧急事故工况下空气消耗量。
工艺区工作用空气消耗主要来自洗舱、检修、工艺设备维护时工作人员的呼吸，消耗大小取决于工作人数与工作时长，需要根据实际情况确定。
临时避难所紧急事故工况空气消耗量取决于FPSO的定员人数以及事故工况下工作人员在避难所停留的时间。目前国际上对于临时避难所的事故设计停留时间尚无统一规定，中国海洋石油集团有限公司的设计停留时间为45 min，而国外多为1 h。挪威技术标准协会（Norwegian Technology Standards Institution，NTS）要求：对于大型载人设施，逃生路线和临时避难所（TR）应至少有1 h的可用时间[5]。英国卫生与安全执行局（Health and Safety Executive，HSE）要求：在规定的 TR耐久时间（一般为 1 h左右）内，临时避难所要提供一定的密封功能，防止空气流出过多，并阻止有毒烟雾和气体进入[6]。对于H2S泄漏事故的撤离时间，《硫化氢环境原油采集与处理安全规范》规定：当空气中H2S的质量浓度≥30 mg/m3时，无人身防护的人员应撤离；
当空气中 H2S的质量浓度达到危险临界质量浓度150 mg/m3时，有人身防护的现场人员在应急处置无望的情况下可进行撤离[7]。《海洋石油安全管理细则》规定：在可能含有H2S的地层进行钻井作业时，当空气中H2S的质量浓度达到150 mg/m3时，组织所有人员撤离平台。现有规范均对H2S的撤离含量进行了规定，但没有对具体撤离时间进行要求。经调研，在中国东南部海域H2S泄漏事故中，最长事故处理时间为3 h。为减少撤离次数，减少事故损失，临时避难所的防火等事故防护按照1 h设计，但是防H2S空气呼吸系统按照3 h进行设计。
高压储气瓶设有事故储气量不被动用措施，非H2S泄漏事故工况下一旦压力降到设定值，空压机立即启动，对气瓶进行充气。
2.2 呼吸器
呼吸器根据呼吸过程中面罩内外的压力大小可分为正压式呼吸器和负压式呼吸器。
美国石油学会（American Petroleum Institute，API）的相关标准要求：在H2S或二氧化碳（CO2）的含量可能超过作用级别时，不应将空气净化器及负压呼吸设备用于油气井钻井、服务和修井业务，应该使用带全面罩的正压式呼吸设备[8]。
《海上浮式装置入级规范》[9]对FPSO防H2S呼吸装置提出如下要求：1）须为正压自给式装置；
2）须为全面罩式装置；
3）工作区该装置的额定供气时间应至少为30 min，非工作区额定供气时间为15 min。
正压式空气呼吸器是以压缩空气为供气流而设计的隔绝式呼吸器。本次设计根据位置不同在合适区域设置空气瓶为6.8 L和4.7 L的自给式正压式呼吸器，气瓶自持时间分别为30 min和15 min。
2.3 空气压缩机
《硫化氢环境人身防护规范》[10]规定：在已知含有H2S的工作场所应至少配备1台空气压缩机，其输出空气压力应满足正压式空气呼吸器气瓶的充气要求。
考虑到维修不便，且要避免高压储气瓶单次充气时间过长，故在设计时设置2台空气压缩机，一用一备。
空气压缩机和取气口应设置在安全区，一般设置在生活楼。为便于维修保养，建议将空压机设置在房间内。本次设计考虑到生活楼布置空间有限，故将空压机设置在主甲板的机械间内，将取气口设置在工艺甲板的安全区内。
2.4 空气呼吸系统
高、低压空气呼吸系统的对比情况见表2。
表2 高、低压空气呼吸系统对比
由于给呼吸器进行高压充气必须由具有相关执业资格的人员操作，为避免非相关人员进行误操作，同时考虑布置过多高压充气管线会增加FPSO的危险性等因素，本次设计采用低压系统。
2.5 呼吸器和供气站的布置
《海上浮式装置入级规范》[9]要求：FPSO有可能遭遇到H2S气体的工作处所应为每一位工作人员配备1套额定供气时间至少为30 min的防H2S呼吸装置，应为位于其他区域的每位人员配备1套额定供气时间至少为15 min的防H2S呼吸装置。
在进行工艺区呼吸器和供气站的布置时，需要考虑工艺设备、舱室的分布情况和操作人员的工作习惯，呼吸器空气瓶自持时间为30 min。此外，分别在吊机驾驶室、各楼梯的入口和走道的两侧等便于取用的位置布置供气时间为15 min的呼吸器，供紧急情况下甲板上的工作人员逃生至临时避难所。
临时避难所按照救生艇人数设置供气时间为15 min的呼吸器和供气站，供工作人员在事故工况下使用。在中控室设置5套供气时间为30 min的呼吸器和供气点，在生活楼两侧设置15套供气时间为30 min的呼吸器，供指挥人员和应急小组应对和处置突发事故。生活楼内供气站的供气量可满足所有工作人员3 h的使用要求。当供气站的气量耗尽必须撤离时，呼吸器自带空气瓶的气量要能维持工作人员逃生至救生艇。
1）系统从气源、储存以及空气分配等多方面保证可靠性，可满足日常操作、维护、紧急逃生等多种工况的要求。
2）在气源保证安全的前提下，当高压气瓶中的压缩空气出现一定数量的损耗后，通过空气压缩机和过滤器及时补充洁净空气，保证平台上始终存储足够数量的洁净空气。
3）系统在平台上设置了高压气瓶组，较高的压力能最大限度减少存储空气所需的占地面积。
4）系统既可通过高压充气站为自给式呼吸器和紧急逃生呼吸器所带的气瓶充气，也可将自给式呼吸器和紧急逃生呼吸器的接口直接与低压充气站连接，满足在线呼吸的要求，减少人员来回充气带来的不便。
一旦发生H2S报警：
1）若在生活区外，必须立刻就近穿戴好呼吸器并到临时避难所集合；
若在生活楼内，必须立刻到集合站集合。
2）到达临时避难所后，从架子上取走T卡，穿戴好逃生呼吸器随时准备撤离。
3）指挥人员和应急小组迅速到达指定地点应对突发事故并通知守护船随时准备撤离。
4）在高压储气瓶内的洁净空气耗尽之前，安全指挥必须根据实际情况决定是否撤离。
管道设备维护期间必须保证呼吸器内的气体充足，高压气瓶、压缩机和减压阀等的维护工作应分开进行，保证在设备维护期间系统仍可运行。
本文以东南部海域某高含硫油田开发工程为例，结合国内第一艘圆筒形 FPSO的结构特点和现有H2S防护规范的要求，设计一种适用于高含H2S油气田的FPSO应急空气呼吸系统。该空气呼吸系统安全可靠、占地面积小、使用方便。本研究期望为海上油田FPSO的H2S防护设计提供一定参考。
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