FPSO貨油艙覆蓋氣冷放空擴(kuò)散分析

劉云，楊亮，劉向東，張立敏，楊天宇

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028）

（2.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100028）

1 研究背景

冷放空系統(tǒng)是FPSO上重要的安全系統(tǒng)，其合理設(shè)計(jì)與安全排放直接影響FPSO的生產(chǎn)與安全[1]。冷放空系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)參數(shù)較少，但氣體泄放后在大氣中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行測(cè)定[2]。

本文以南海某油田為例，該油田采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)回接FPSO的全海式開(kāi)發(fā)模式。該油田井流物中含硫化氫，在原油處理流程中，一部分硫化氫溶解在原油中，隨合格原油進(jìn)入貨油艙。在長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存過(guò)程中，原油中的硫化氫析出，隨覆蓋氣進(jìn)入船體冷放空系統(tǒng)排放至大氣。硫化氫密度比空氣大，若在FPSO主甲板上聚集，將大大影響FPSO操作人員的安全。對(duì)此，本文運(yùn)用Fluent軟件對(duì)冷放空泄放氣體中硫化氫濃度進(jìn)行了模擬計(jì)算與分析，以確保硫化氫對(duì)人員安全無(wú)影響。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及計(jì)算模型

南海某F P S O 總體布置如圖1 所示，船體長(zhǎng)258m，船體寬44m，船體甲板至船底高度26.55m，主要設(shè)備有內(nèi)轉(zhuǎn)塔、油氣水處理模塊、生活樓、鍋爐等。

圖1 某FPSO總體布置圖

含硫化氫原油下艙儲(chǔ)存，在貨油艙中會(huì)不斷有硫化氫氣體析出。隨著時(shí)間的推移，硫化氫在大艙覆蓋氣中富集，使得覆蓋氣中硫化氫含量不斷增加。覆蓋氣中的硫化氫含量與大艙進(jìn)油周期、外輸周期有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，貨油艙覆蓋氣中硫化氫含量高達(dá)10000～60000ppm之間，因此很有必要對(duì)FPSO甲板周?chē)牧蚧瘹錃怏w濃度進(jìn)行模擬計(jì)算。

SY 6137-2012《含硫化氫油田生產(chǎn)和天然氣處理裝置作業(yè)安全技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，工作人員在露天工作8h可接受的硫化氫最高濃度為20ppm；當(dāng)硫化氫濃度達(dá)到100ppm時(shí)，對(duì)生命和健康會(huì)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的或延遲性的影響。因此，選取貨油艙覆蓋氣中硫化氫含量60000ppm這一最危險(xiǎn)工況進(jìn)行擴(kuò)散氣體模擬分析。

該FPSO冷放空管高19.12m，直徑為40cm，貨油艙進(jìn)艙油量1717m3/d，放空口出口氣速0.158m/s。冷放空泄放氣體組分見(jiàn)表1。

表1 冷放空泄放氣體組分

根據(jù)船體主尺度和上部模塊尺寸進(jìn)行物理建模。選擇計(jì)算區(qū)域?yàn)?00m×100m×150m，利用GAMBIT軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類(lèi)型為四面體。冷放空管設(shè)為速度入口邊界，六面體計(jì)算區(qū)域的右側(cè)為進(jìn)風(fēng)面，設(shè)為速度入口邊界，其它五個(gè)面設(shè)為壓力出口邊界。用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，采用k-epsilon湍流模型和組分傳輸模型，考慮了重力對(duì)氣體擴(kuò)散的影響，用SIMPLE算法進(jìn)行求解。風(fēng)向按風(fēng)吹向生產(chǎn)、生活區(qū)域這一最危險(xiǎn)工況考慮，且風(fēng)速保持穩(wěn)定。

3 工況模擬與分析

將冷放空氣體吹向平臺(tái)的方向作為計(jì)算的最危險(xiǎn)風(fēng)向。假定無(wú)風(fēng)以及風(fēng)速分別為1m/s、2m/s、5m/s、10m/s、15m/s六種工況，通過(guò)模擬得到不同工況下硫化氫氣體濃度分布圖，見(jiàn)圖2。

圖2 不同風(fēng)速下硫化氫擴(kuò)散濃度分布圖

從圖2對(duì)比可看出，由于硫化氫密度比空氣大，無(wú)風(fēng)情況下緩慢沉降，容易在甲板上不斷聚集，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后放空管附近硫化氫濃度高達(dá)20ppm。在有風(fēng)情況下，硫化氫放空后更容易擴(kuò)散稀釋?zhuān)邼舛攘蚧瘹渲饕性诜趴湛诟浇?，工藝設(shè)備及甲板附近硫化氫濃度約1ppm。且風(fēng)速越大，高濃度硫化氫的區(qū)域越小，說(shuō)明風(fēng)速越大對(duì)硫化氫的稀釋擴(kuò)散越有利。

根據(jù)該地區(qū)風(fēng)速風(fēng)向概率統(tǒng)計(jì)，無(wú)風(fēng)概率僅為0.55%，結(jié)合模擬結(jié)果可以得出，此FPSO貨油艙含硫化氫覆蓋氣冷放空對(duì)甲板上人員操作基本

對(duì)于已建含硫化氫的油田，尤其是利用FPSO貨油艙儲(chǔ)油的情況，建議定期檢測(cè)大艙覆蓋氣硫化氫濃度；覆蓋氣硫化氫含量較高時(shí)，及時(shí)通過(guò)惰氣對(duì)大艙覆蓋氣進(jìn)行吹掃，減少硫化氫富集，從而降低冷放空氣體中硫化氫含量。對(duì)于新建含硫化氫油田，新建FPSO在前期設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮將大艙透氣管線集中布置，通過(guò)增加冷放空罐長(zhǎng)度保證放空氣體擴(kuò)散對(duì)人員的影響。同時(shí)，應(yīng)考慮在上部模塊工藝流程中增加汽提等工藝，盡量降低進(jìn)艙原油中硫化氫含量。渤海有部分油田采用注入硫化氫抑制劑的方式降低井流物硫化氫含量，該方式值得參考借鑒。

4 結(jié)論

本次模擬選取最危險(xiǎn)風(fēng)向即風(fēng)吹向工藝設(shè)備和生活樓的方向，且對(duì)六種風(fēng)速的工況進(jìn)行模擬，得到如下結(jié)論：

（1）硫化氫氣體在無(wú)風(fēng)條件下容易在重力作用下不斷沉降并在甲板上聚集，此時(shí)放空口附近濃度最大，屬于最危險(xiǎn)區(qū)域；

（2）硫化氫氣體擴(kuò)散受風(fēng)速影響較大，風(fēng)速越大，對(duì)泄放氣體的噴射稀釋作用越強(qiáng)，有利于硫化氫擴(kuò)散，降低甲板硫化氫濃度。

因此，建議含硫化氫油田開(kāi)發(fā)利用FPSO儲(chǔ)油時(shí)，要重點(diǎn)考慮合格原油在貨油艙中有硫化氫析出，與覆蓋氣一同冷放空的安全性，特別是無(wú)風(fēng)條件下是否對(duì)甲板工作人員安全產(chǎn)生影響。