石油化工裝置中硫化氫探測器設(shè)置探討

宋曉芳，田京山

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257026)

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石油化工裝置中硫化氫探測器設(shè)置探討

宋曉芳，田京山

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257026)

硫化氫氣體無色劇毒、易燃易爆、破壞性強(qiáng)，常存在于高酸性氣田、高含硫原油、原油餾分、伴生氣、石油采出水中[1]。隨著以普光為代表的高酸性氣田開發(fā)及越來越多的超深油氣井開采，硫化氫探測器的應(yīng)用場合越來越多。但國內(nèi)缺少針對油氣田工程的有毒氣體設(shè)計(jì)規(guī)范，尤其在硫化氫有毒氣體設(shè)計(jì)時，現(xiàn)行規(guī)范存在少許不足，主要表現(xiàn)在：

1) 硫化氫探測器設(shè)置問題?，F(xiàn)行規(guī)范中沒有明確介質(zhì)中硫化氫氣質(zhì)量濃度為多少時需要設(shè)置，導(dǎo)致介質(zhì)中一旦檢出微量硫化氫，就需要設(shè)置。

2) 規(guī)范中要求的探測器相對于釋放源的距離太近。非封閉區(qū)探測器位于釋放源最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)時，有毒氣體探測器與釋放源的距離不宜大于2m；當(dāng)位于下風(fēng)側(cè)或在封閉區(qū)域時，不宜大于1m[2]，導(dǎo)致探測器設(shè)置過多，實(shí)際油氣田工程中嚴(yán)格按此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的較少。

筆者主要針對以上兩點(diǎn)進(jìn)行探討，希望為相關(guān)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供參考。

1硫化氫探測概要

1.1硫化氫的危害

硫化氫無色，有臭蛋味，《高毒物品目錄》(衛(wèi)法監(jiān)發(fā)[2003]142號)中將硫化氫列為有毒氣體。硫化氫經(jīng)呼吸道進(jìn)入人體，主要損傷中樞神經(jīng)、呼吸系統(tǒng)。人對硫化氫的嗅覺閥值為0.012～0.03mg/m3[3]，起初隨著硫化氫質(zhì)量濃度的升高，臭味增強(qiáng)，但當(dāng)質(zhì)量濃度超過100mg/m3之后，反而隨著質(zhì)量濃度的升高而減弱。在高濃度時(超過150mg/m3)，人很快會因嗅覺鈍化察覺不到硫化氫的存在，因而不能通過臭味強(qiáng)度來判斷是否有中毒的危險(xiǎn)[4]。在石油天然氣工程中，通常采用硫化氫氣體探測報(bào)警器來實(shí)現(xiàn)對硫化氫的監(jiān)測。

1.2硫化氫探測器報(bào)警值設(shè)置

GBZ 2.1—2007《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分： 化學(xué)有害因素》第4條： 衛(wèi)生要求規(guī)定硫化氫的最高允許濃度(MAC)為10mg/m3(9.88ppm)[5]。國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范中常用有毒氣體、蒸汽特征規(guī)定硫化氫直接致害濃度(IDLH)為430mg/m3。

而美國政府工業(yè)衛(wèi)生專家聯(lián)合會(ACGIH)中推薦時間加權(quán)平均濃度(PC-TWA)為15mg/m3(9.88ppm)，短時間接觸允許濃度(PC-STEL)為22.5mg/m3(14.82ppm)[7]。

國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范中報(bào)警值的設(shè)置規(guī)則： 有毒氣體的一級報(bào)警設(shè)定值宜小于或等于100%最高容許濃度/短時間接觸容許濃度，有毒氣體的二級報(bào)警值不得超過10%的直接致害濃度值[7]。

根據(jù)以上規(guī)范，目前工程中普遍將硫化氫氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的一級報(bào)警值設(shè)為1×10-5、二級報(bào)警值設(shè)為2×10-5。

2硫化氫探測器設(shè)置問題探討

2.1硫化氫在可燃?xì)怏w中質(zhì)量濃度和氣體擴(kuò)散質(zhì)量濃度

對于硫化氫而言，可燃?xì)怏w中的質(zhì)量濃度是指揮發(fā)氣或可燃?xì)怏w中硫化氫的質(zhì)量濃度，比如酸性天然氣、石油揮發(fā)氣中硫化氫質(zhì)量濃度等。而擴(kuò)散質(zhì)量濃度是指含硫化氫的氣體泄漏到空氣中，在探測器附近可檢測到的空氣中含硫化氫的質(zhì)量濃度，可見在一定距離內(nèi)硫化氫的擴(kuò)散質(zhì)量濃度要遠(yuǎn)小于可燃?xì)怏w中的質(zhì)量濃度。由此可知，硫化氫探測器能檢測到的是擴(kuò)散質(zhì)量濃度，而不是可燃?xì)怏w中的硫化氫質(zhì)量濃度。

實(shí)際工程中，硫化氫在可燃?xì)怏w中的質(zhì)量濃度較易得到，一般可以通過化驗(yàn)方式測得；而硫化氫的擴(kuò)散質(zhì)量濃度，需要根據(jù)可燃?xì)怏w中硫化氫質(zhì)量濃度，經(jīng)工藝計(jì)算才能得出，而計(jì)算就需要考慮介質(zhì)物性、環(huán)境條件、天氣條件等諸多因素[8]，一般工藝也無法給出具體值，只能用可燃?xì)怏w中的硫化氫質(zhì)量濃度進(jìn)行估算。國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范中，也沒有明確規(guī)定可燃?xì)怏w中硫化氫質(zhì)量濃度為多少時需要設(shè)置硫化氫探測器。

由于規(guī)范中缺乏具體規(guī)定，造成在實(shí)際設(shè)計(jì)時可燃?xì)怏w中硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)一旦超過一級報(bào)警值(1×10-5)就需要設(shè)計(jì)硫化氫探測器，一些安監(jiān)部門也根據(jù)此數(shù)據(jù)驗(yàn)收，因而許多沒有必要設(shè)置的站場都安裝了硫化氫探測器，造成極大浪費(fèi)。

2.2硫化氫氣體擴(kuò)散質(zhì)量濃度估算及硫化氫探測器設(shè)置分析

對于硫化氫的擴(kuò)散質(zhì)量濃度，不妨用最苛刻的條件推算。以含硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1×10-3的天然氣為例，設(shè)天然氣(以純甲烷計(jì)算)的爆炸下限(LEL)為5%，可燃?xì)怏w一級報(bào)警值為1%(取20% LEL)，硫化氫一級報(bào)警值為1×10-5。假設(shè)泄漏發(fā)生在一個完全密閉的空間內(nèi)，天然氣會在泄漏點(diǎn)附近被空氣迅速稀釋，當(dāng)探測器附近檢測到1%天然氣時，可近似認(rèn)為含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1×10-3硫化氫的天然氣已經(jīng)被稀釋了100倍，此時硫化氫的擴(kuò)散質(zhì)量濃度近似為1×10-5，即同時達(dá)到可燃?xì)怏w和有毒氣體一級報(bào)警值。

國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范中要求，在可燃?xì)怏w濃度先于有毒氣體達(dá)到報(bào)警限時，可只設(shè)置可燃?xì)怏w探測器，一樣可以起到安全監(jiān)控的目的。

因此，對于介質(zhì)中硫化氫質(zhì)量濃度低于1×10-3的場站，通過設(shè)置可燃?xì)怏w探測器即可達(dá)到安全監(jiān)控的目的?？紤]到天然氣和揮發(fā)氣體成分的復(fù)雜性、硫化氫與可燃?xì)怏w擴(kuò)散速度的不同以及硫化氫氣體的高毒特性，在實(shí)際設(shè)計(jì)中宜取1倍的安全系數(shù)，即介質(zhì)中硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1×10-5～5×10-4(太小可認(rèn)為無硫化氫場所)的站場，可僅設(shè)置可燃?xì)怏w探測器，不設(shè)有毒氣體探測器。需要注意的是，無論可燃?xì)怏w是否比空氣輕，這類站場均應(yīng)在可能泄漏處附近設(shè)置可燃?xì)怏w探測器，進(jìn)行安全監(jiān)控。

對此，SHELL規(guī)范DEP 32.30.20.11-Gen“Fire,GasandSmokeDetectionSystems”(2011版)中也有類似要求，見表1所列。

3硫化氫探測器設(shè)置半徑問題

關(guān)于有毒氣體探測器探測距離，規(guī)范中規(guī)定“當(dāng)非封閉區(qū)檢(探)測器位于釋放源最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)時，有毒氣體檢(探)測器與釋放源的距離不宜大于2m；當(dāng)位于下風(fēng)側(cè)時，不宜大于1m”；在封閉或局部通風(fēng)不良的區(qū)域“有毒氣體檢(探)測器距釋放源不宜大于1m”[2]。

另外，國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定下列可能產(chǎn)生可燃?xì)怏w、有毒氣體的主要釋放源應(yīng)布置檢(探)測點(diǎn)： 氣體壓縮機(jī)和液體泵的密封處；液體采樣口和氣體采樣口；液體排液(水)口和放空口；設(shè)備和管道的法蘭和閥門組[2]。

由于以上區(qū)域，如法蘭、閥門、排放口在石油天然氣站場隨處可見，如果嚴(yán)格按規(guī)范設(shè)計(jì)，需要在站場的露天硫化氫工藝區(qū)按照每4m方格布置硫化氫探測器(探頭保護(hù)半徑為2m)，需要的探頭數(shù)量很多。以某酸性氣田集氣站為例，該站占地面積約8700m2，含采氣井口1座，標(biāo)準(zhǔn)采氣規(guī)模55×104m3/d，其中可能產(chǎn)生硫化氫泄漏的工藝裝置區(qū)(包括井口、火炬放空區(qū)、生產(chǎn)分離器橇塊、發(fā)球筒區(qū)、計(jì)量區(qū)等)面積約670m2，硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2.7%～8.44%。以涉及硫化氫面積200m2的井口區(qū)為例，如果嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范要求，則需要13只探測器，而整個集氣站需要設(shè)置42只。探測器設(shè)置過于密集一方面會大幅提高造價，另一方面也會對平面布置造成很大困難，有些工藝裝置區(qū)管線密集、空間狹小、可操作性低，且大量硫化氫探測器增加的定期標(biāo)定及日常維護(hù)工作量，會造成大量人力資源浪費(fèi)。

表1　固定式硫化氫探測器設(shè)置需求

現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定硫化氫探測器設(shè)置距離只有2m，這是根據(jù)煉化工廠工藝裝置比較稠密、通風(fēng)和氣體擴(kuò)散不良的實(shí)際情況制訂的。而油氣田和管道站場的設(shè)備及管路密集程度遠(yuǎn)不及煉化工廠，且通風(fēng)條件良好，易于可燃?xì)怏w和有毒氣體擴(kuò)散。在這種情況下，針對石油化工工程的規(guī)范中的規(guī)定并不完全適用于石油天然氣工程。

由于無法進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，筆者也不能給出合理的硫化氫探測器設(shè)置距離，但不妨借鑒SHELL標(biāo)準(zhǔn)，同樣在DEP 32.30.20.11-Gen“Fire,GasandSmokeDetectionSystems”(2011版)中6.2.2.2關(guān)于有毒氣體的要求如下：

對于有毒氣體，探測器檢測性能要求是由特定危險(xiǎn)所需的保護(hù)水平?jīng)Q定的。當(dāng)有毒氣體云的大小無法通過平面布置、人員通道及控制、有毒氣體釋放位置、工藝介質(zhì)中有毒氣體的濃度、保護(hù)時間(例如，操作員穿戴自主呼吸器的時間)計(jì)算得出時，可缺省認(rèn)為在任何區(qū)域有毒氣體的云可按8m直徑考慮，即探測器可在距釋放源4m處設(shè)置。

參考SHELL標(biāo)準(zhǔn)，在封閉區(qū)域按保守設(shè)計(jì)的話，可比文獻(xiàn)[2]要求的探測距離增加1倍，即非封閉區(qū)探測器位于釋放源最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)時，硫化氫探測器與釋放源的距離小于等于4m；當(dāng)位于下風(fēng)側(cè)或在封閉區(qū)域時，小于等于2m。

上文中所提的某高酸性氣體集氣站即按此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按設(shè)備布置進(jìn)行了優(yōu)化，硫化氫探測器數(shù)量降低至11只。

4結(jié)束語

在油氣田工程硫化氫氣體檢測項(xiàng)目中，環(huán)境中硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1×10-5～5×10-4時，可僅設(shè)置可燃?xì)怏w探測報(bào)警器；大于5×10-4時，應(yīng)設(shè)置硫化氫探測器。探測器距釋放源的距離可參照SHELL標(biāo)準(zhǔn)，非封閉區(qū)探測器位于釋放源最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)時，硫化氫探測器與釋放源的距離小于等于4m；當(dāng)位于下風(fēng)側(cè)或在封閉區(qū)域時，小于等于2m。這樣設(shè)計(jì)更加符合生產(chǎn)實(shí)際，在保障安全的情況下，可節(jié)省大量投資及人工成本。

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摘要：由于現(xiàn)行規(guī)范中要求的探測器相對于釋放源的距離太近，且沒有明確介質(zhì)中硫化氫質(zhì)量濃度為多少時需要設(shè)置等，針對石油天然氣工程設(shè)計(jì)中，硫化氫探測器的設(shè)置及設(shè)置距離的不合理之處進(jìn)行了探討。參照國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，就硫化氫探測器的設(shè)置位置及設(shè)置距離給出了可行性解決方案，使設(shè)計(jì)更加符合生產(chǎn)實(shí)際，在保障安全的情況下，可節(jié)省大量投資及人工成本。

關(guān)鍵詞：有毒氣體硫化氫報(bào)警值設(shè)置探測距離擴(kuò)散質(zhì)量濃度

Discussion on H2S Detectors Setting in Petrochemical PlantSong Xiaofang, Tian Jingshan

(Sinopec Petroleum Engineering Corporation (SPE), Dongying, 257026, China)

Abstract：Aiming at petroleum & gas engineering design, unreasonable points and setting distance of H2S detectors in oil and gas engineering design are discussed since the detector is relative near to release source in current specification requirements, and without clear guidance under what H2S mass concentration to set it. A solution for H2S detector setting position and distance is given with reference to relative domestic and international specifications, standards. It makes design more suitable for actual production. The investment and human cost will be sharply decreased under safety guarantee.

Key words：toxic gas; H2S; alarm value setting; detection distance; diffusion mass concentration

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)03-0022-03

作者簡介：宋曉芳(1984—)，女，河北寧晉人，2012年畢業(yè)于天津工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，從事石油化工工程設(shè)計(jì)工作，任助理工程師。

稿件收到日期： 2015-01-12，修改稿收到日期： 2015-03-20。