浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置防H2S空氣呼吸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

矯亞濤，宮景雯，高 鵬，竇培舉

（中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引言

硫化氫（H2S）是一種無色、劇毒、易燃易爆的酸性氣體，對黏膜有強(qiáng)烈的刺激作用。H2S通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體后，會(huì)對人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生破壞[1]，當(dāng)含量較高時(shí)會(huì)直接抑制呼吸中樞，使人迅速窒息甚至死亡。

含硫油氣田的原油采集、處理、生產(chǎn)、加工及運(yùn)輸過程中會(huì)伴隨大量的H2S氣體。正常生產(chǎn)狀態(tài)下，H2S被束縛在密閉的系統(tǒng)中，而一旦發(fā)生泄漏事故，則會(huì)對現(xiàn)場操作人員造成巨大危害。在開發(fā)含硫油氣田時(shí)，做好H2S防護(hù)設(shè)計(jì)對于含硫海上平臺(tái)和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）非常重要。

H2S的防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，包括探測、報(bào)警、人員防護(hù)、事故處理等內(nèi)容。目前，F(xiàn)PSO的 H2S防護(hù)呼吸系統(tǒng)一般是在合適的區(qū)域設(shè)置單獨(dú)的呼吸器，用于平時(shí)的設(shè)備維護(hù)和緊急逃生，氣體供應(yīng)僅供使用15～30 min。由于FPSO遠(yuǎn)離陸地、甲板面積有限，其應(yīng)急救援措施和裝備均難以滿足《硫化氫環(huán)境應(yīng)急救援規(guī)范》[2]的要求。一旦呼吸器的儲(chǔ)氣量耗盡，必須立即停止生產(chǎn)，棄臺(tái)逃生。因此，現(xiàn)有FPSO的H2S防護(hù)系統(tǒng)僅適用于H2S含量不高、甲板通風(fēng)充分的 FPSO，難以滿足高含硫油田開發(fā)的需求。

本文以中國東南部海域某高含硫油田開發(fā)工程為例，結(jié)合國內(nèi)第一艘圓筒形FPSO的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種適用于高含硫油氣田的FPSO應(yīng)急空氣呼吸系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于正常操作維修、H2S泄漏、緊急逃生等各種工況。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目油田位于中國南海珠江口盆地東沙隆起西南部，預(yù)測生產(chǎn)井在測試分離器出口的H2S平均含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）約1.9%，油田產(chǎn)液在生產(chǎn)分離器出口的H2S平均含量為0.80%～3.26%，是目前我國H2S含量最高的油田。

用于本項(xiàng)目油田生產(chǎn)的FPSO是中國第一艘圓筒型FPSO，主甲板外徑為82.8 m，工藝甲板外徑為90 m，船體部分包含10個(gè)貨油艙和16個(gè)壓載艙，貨油裝載量為60 000 m3。上部組塊的原油、天然氣、生產(chǎn)水設(shè)計(jì)日處理量分別為5 520 m3、9 360 m3、69 600 m3。生活樓定員70人，樓內(nèi)設(shè)置臨時(shí)避難所（Temporary Refuge，TR）供工作人員在火災(zāi)、有毒氣體泄漏、船體破損等各種事故發(fā)生時(shí)臨時(shí)避難使用。圓筒形FPSO示意圖見圖1。

圖1 圓筒形FPSO示意圖

相對于傳統(tǒng)船型FPSO，圓筒型FPSO密閉空間更多，設(shè)備布置更為緊湊、集中，四周圍有擋浪板，通風(fēng)不暢。主甲板被上層工藝甲板、船體部分和四周擋浪板包圍，幾乎完全封閉，若發(fā)生H2S泄漏，容易形成聚集。因此，傳統(tǒng)FPSO防H2S呼吸系統(tǒng)已難以滿足項(xiàng)目生產(chǎn)需求。

2 空氣呼吸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空氣呼吸系統(tǒng)是在環(huán)境空氣被污染無法使用時(shí)，用于為現(xiàn)場人員提供可呼吸空氣的系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)以保證氣體清潔、供應(yīng)充足、安全可靠、使用簡單、反應(yīng)迅速、節(jié)省空間、便于維修為設(shè)計(jì)原則。

2.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)與解決方案

2.1.1 氣體來源

空氣呼吸器一般自帶空氣瓶，氣瓶體積一般為2.0 L、3.0 L、4.7 L、6.8 L和9.0 L[3]，當(dāng)氣瓶內(nèi)的氣體耗盡時(shí)，由空壓機(jī)充氣補(bǔ)充。9 L氣瓶的標(biāo)準(zhǔn)供氣時(shí)間長達(dá)45 min，難以滿足現(xiàn)場需求，且氣瓶質(zhì)量和體積較大，攜帶不便。此外由于FPSO的甲板面積較小，H2S氣體一旦發(fā)生泄漏，會(huì)迅速蔓延至整個(gè)FPSO。泄漏的H2S會(huì)污染空壓機(jī)進(jìn)氣口空氣，導(dǎo)致空壓機(jī)無法對氣瓶充氣，這會(huì)進(jìn)一步限制工作人員在FPSO上的搶險(xiǎn)時(shí)間。

為便于攜帶和使用，在FPSO上適當(dāng)位置配備足量的6.8 L和4.7 L空氣瓶，僅供工作人員逃生時(shí)使用。在適當(dāng)位置設(shè)置供氣站，供工作人員工作或事故待命工況下使用，使用時(shí)通過空氣插管與空氣瓶共用呼吸面罩。為解決事故工況下空壓機(jī)不能使用的問題，在安全區(qū)設(shè)置高壓氣瓶，提前儲(chǔ)存足量的空氣作為供氣站的氣源。根據(jù)供氣站接口壓力的不同，系統(tǒng)分為高壓空氣呼吸系統(tǒng)和低壓空氣呼吸系統(tǒng)。

高壓空氣呼吸系統(tǒng)為壓縮氣體在進(jìn)入各供氣點(diǎn)之前不進(jìn)行減壓，可直接為呼吸器空氣瓶進(jìn)行充氣的系統(tǒng)。系統(tǒng)壓力取決于呼吸器空氣瓶的充氣壓力，一般約為30 MPa，系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、高壓儲(chǔ)氣瓶組、高壓供氣站等組成。高壓空氣呼吸系統(tǒng)流程圖見圖2。

圖2 高壓空氣呼吸系統(tǒng)流程圖

低壓空氣呼吸系統(tǒng)為壓縮氣體在進(jìn)入各供氣點(diǎn)之前通過逐級減壓維持管道壓力為中、低壓狀態(tài)，呼吸器空氣瓶通過高壓防爆充氣箱或高壓充氣站充氣的系統(tǒng)。低壓空氣呼吸系統(tǒng)末端壓力一般約為0.7 MPa。低壓空氣系統(tǒng)相對于高壓系統(tǒng)需增設(shè)調(diào)壓閥組和專門的防爆充氣箱/高壓充氣站。低壓空氣呼吸系統(tǒng)流程圖見圖3。

圖3 低壓空氣呼吸系統(tǒng)流程圖

2.1.2 空氣消耗量

成年男性和女性的肺活量分別約為 3 500 mL和2 500 mL。每次吸入500 mL新鮮空氣，實(shí)際只有大約350 mL進(jìn)入肺泡參加氣體交換，其余空氣停留在無效腔中，無法起到應(yīng)有的作用[3]。

目前國內(nèi)外規(guī)范對于FPSO呼吸系統(tǒng)的消耗速率尚無統(tǒng)一的規(guī)定，荷蘭皇家殼牌集團(tuán)要求呼吸器為每人供應(yīng)的最低空氣消耗量為170 L/min[4]。在國內(nèi)，不同勞動(dòng)強(qiáng)度對應(yīng)的空氣消耗量不同，具體見表1。

表1 不同勞動(dòng)強(qiáng)度對應(yīng)的空氣消耗量

綜合考慮人員差異以及設(shè)備占地面積、投資等因素，結(jié)合FPSO的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)每人空氣消耗量取為50 L/min。

2.1.3 空氣供應(yīng)時(shí)間

在計(jì)算高壓氣瓶儲(chǔ)氣量時(shí)，需要考慮工藝區(qū)工作用空氣消耗量與臨時(shí)避難所緊急事故工況下空氣消耗量。

工藝區(qū)工作用空氣消耗主要來自洗艙、檢修、工藝設(shè)備維護(hù)時(shí)工作人員的呼吸，消耗大小取決于工作人數(shù)與工作時(shí)長，需要根據(jù)實(shí)際情況確定。

臨時(shí)避難所緊急事故工況空氣消耗量取決于FPSO的定員人數(shù)以及事故工況下工作人員在避難所停留的時(shí)間。目前國際上對于臨時(shí)避難所的事故設(shè)計(jì)停留時(shí)間尚無統(tǒng)一規(guī)定，中國海洋石油集團(tuán)有限公司的設(shè)計(jì)停留時(shí)間為45 min，而國外多為1 h。挪威技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（Norwegian Technology Standards Institution，NTS）要求：對于大型載人設(shè)施，逃生路線和臨時(shí)避難所（TR）應(yīng)至少有1 h的可用時(shí)間[5]。英國衛(wèi)生與安全執(zhí)行局（Health and Safety Executive，HSE）要求：在規(guī)定的 TR耐久時(shí)間（一般為 1 h左右）內(nèi)，臨時(shí)避難所要提供一定的密封功能，防止空氣流出過多，并阻止有毒煙霧和氣體進(jìn)入[6]。對于H2S泄漏事故的撤離時(shí)間，《硫化氫環(huán)境原油采集與處理安全規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)空氣中H2S的質(zhì)量濃度≥30 mg/m3時(shí)，無人身防護(hù)的人員應(yīng)撤離；當(dāng)空氣中 H2S的質(zhì)量濃度達(dá)到危險(xiǎn)臨界質(zhì)量濃度150 mg/m3時(shí)，有人身防護(hù)的現(xiàn)場人員在應(yīng)急處置無望的情況下可進(jìn)行撤離[7]?！逗Ｑ笫桶踩芾砑?xì)則》規(guī)定：在可能含有H2S的地層進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，當(dāng)空氣中H2S的質(zhì)量濃度達(dá)到150 mg/m3時(shí)，組織所有人員撤離平臺(tái)。現(xiàn)有規(guī)范均對H2S的撤離含量進(jìn)行了規(guī)定，但沒有對具體撤離時(shí)間進(jìn)行要求。經(jīng)調(diào)研，在中國東南部海域H2S泄漏事故中，最長事故處理時(shí)間為3 h。為減少撤離次數(shù)，減少事故損失，臨時(shí)避難所的防火等事故防護(hù)按照1 h設(shè)計(jì)，但是防H2S空氣呼吸系統(tǒng)按照3 h進(jìn)行設(shè)計(jì)。

高壓儲(chǔ)氣瓶設(shè)有事故儲(chǔ)氣量不被動(dòng)用措施，非H2S泄漏事故工況下一旦壓力降到設(shè)定值，空壓機(jī)立即啟動(dòng)，對氣瓶進(jìn)行充氣。

2.2 呼吸器

呼吸器根據(jù)呼吸過程中面罩內(nèi)外的壓力大小可分為正壓式呼吸器和負(fù)壓式呼吸器。

美國石油學(xué)會(huì)（American Petroleum Institute，API）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求：在H2S或二氧化碳（CO2）的含量可能超過作用級別時(shí)，不應(yīng)將空氣凈化器及負(fù)壓呼吸設(shè)備用于油氣井鉆井、服務(wù)和修井業(yè)務(wù)，應(yīng)該使用帶全面罩的正壓式呼吸設(shè)備[8]。

《海上浮式裝置入級規(guī)范》[9]對FPSO防H2S呼吸裝置提出如下要求：1）須為正壓自給式裝置；2）須為全面罩式裝置；3）工作區(qū)該裝置的額定供氣時(shí)間應(yīng)至少為30 min，非工作區(qū)額定供氣時(shí)間為15 min。

正壓式空氣呼吸器是以壓縮空氣為供氣流而設(shè)計(jì)的隔絕式呼吸器。本次設(shè)計(jì)根據(jù)位置不同在合適區(qū)域設(shè)置空氣瓶為6.8 L和4.7 L的自給式正壓式呼吸器，氣瓶自持時(shí)間分別為30 min和15 min。

2.3 空氣壓縮機(jī)

《硫化氫環(huán)境人身防護(hù)規(guī)范》[10]規(guī)定：在已知含有H2S的工作場所應(yīng)至少配備1臺(tái)空氣壓縮機(jī)，其輸出空氣壓力應(yīng)滿足正壓式空氣呼吸器氣瓶的充氣要求。

考慮到維修不便，且要避免高壓儲(chǔ)氣瓶單次充氣時(shí)間過長，故在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置2臺(tái)空氣壓縮機(jī)，一用一備。

空氣壓縮機(jī)和取氣口應(yīng)設(shè)置在安全區(qū)，一般設(shè)置在生活樓。為便于維修保養(yǎng)，建議將空壓機(jī)設(shè)置在房間內(nèi)。本次設(shè)計(jì)考慮到生活樓布置空間有限，故將空壓機(jī)設(shè)置在主甲板的機(jī)械間內(nèi)，將取氣口設(shè)置在工藝甲板的安全區(qū)內(nèi)。

2.4 空氣呼吸系統(tǒng)

高、低壓空氣呼吸系統(tǒng)的對比情況見表2。

表2 高、低壓空氣呼吸系統(tǒng)對比

由于給呼吸器進(jìn)行高壓充氣必須由具有相關(guān)執(zhí)業(yè)資格的人員操作，為避免非相關(guān)人員進(jìn)行誤操作，同時(shí)考慮布置過多高壓充氣管線會(huì)增加FPSO的危險(xiǎn)性等因素，本次設(shè)計(jì)采用低壓系統(tǒng)。

2.5 呼吸器和供氣站的布置

《海上浮式裝置入級規(guī)范》[9]要求：FPSO有可能遭遇到H2S氣體的工作處所應(yīng)為每一位工作人員配備1套額定供氣時(shí)間至少為30 min的防H2S呼吸裝置，應(yīng)為位于其他區(qū)域的每位人員配備1套額定供氣時(shí)間至少為15 min的防H2S呼吸裝置。

在進(jìn)行工藝區(qū)呼吸器和供氣站的布置時(shí)，需要考慮工藝設(shè)備、艙室的分布情況和操作人員的工作習(xí)慣，呼吸器空氣瓶自持時(shí)間為30 min。此外，分別在吊機(jī)駕駛室、各樓梯的入口和走道的兩側(cè)等便于取用的位置布置供氣時(shí)間為15 min的呼吸器，供緊急情況下甲板上的工作人員逃生至臨時(shí)避難所。

臨時(shí)避難所按照救生艇人數(shù)設(shè)置供氣時(shí)間為15 min的呼吸器和供氣站，供工作人員在事故工況下使用。在中控室設(shè)置5套供氣時(shí)間為30 min的呼吸器和供氣點(diǎn)，在生活樓兩側(cè)設(shè)置15套供氣時(shí)間為30 min的呼吸器，供指揮人員和應(yīng)急小組應(yīng)對和處置突發(fā)事故。生活樓內(nèi)供氣站的供氣量可滿足所有工作人員3 h的使用要求。當(dāng)供氣站的氣量耗盡必須撤離時(shí)，呼吸器自帶空氣瓶的氣量要能維持工作人員逃生至救生艇。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

1）系統(tǒng)從氣源、儲(chǔ)存以及空氣分配等多方面保證可靠性，可滿足日常操作、維護(hù)、緊急逃生等多種工況的要求。

2）在氣源保證安全的前提下，當(dāng)高壓氣瓶中的壓縮空氣出現(xiàn)一定數(shù)量的損耗后，通過空氣壓縮機(jī)和過濾器及時(shí)補(bǔ)充潔凈空氣，保證平臺(tái)上始終存儲(chǔ)足夠數(shù)量的潔凈空氣。

3）系統(tǒng)在平臺(tái)上設(shè)置了高壓氣瓶組，較高的壓力能最大限度減少存儲(chǔ)空氣所需的占地面積。

4）系統(tǒng)既可通過高壓充氣站為自給式呼吸器和緊急逃生呼吸器所帶的氣瓶充氣，也可將自給式呼吸器和緊急逃生呼吸器的接口直接與低壓充氣站連接，滿足在線呼吸的要求，減少人員來回充氣帶來的不便。

4 應(yīng)急應(yīng)用程序

一旦發(fā)生H2S報(bào)警：

1）若在生活區(qū)外，必須立刻就近穿戴好呼吸器并到臨時(shí)避難所集合；若在生活樓內(nèi)，必須立刻到集合站集合。

2）到達(dá)臨時(shí)避難所后，從架子上取走T卡，穿戴好逃生呼吸器隨時(shí)準(zhǔn)備撤離。

3）指揮人員和應(yīng)急小組迅速到達(dá)指定地點(diǎn)應(yīng)對突發(fā)事故并通知守護(hù)船隨時(shí)準(zhǔn)備撤離。

4）在高壓儲(chǔ)氣瓶內(nèi)的潔凈空氣耗盡之前，安全指揮必須根據(jù)實(shí)際情況決定是否撤離。

管道設(shè)備維護(hù)期間必須保證呼吸器內(nèi)的氣體充足，高壓氣瓶、壓縮機(jī)和減壓閥等的維護(hù)工作應(yīng)分開進(jìn)行，保證在設(shè)備維護(hù)期間系統(tǒng)仍可運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文以東南部海域某高含硫油田開發(fā)工程為例，結(jié)合國內(nèi)第一艘圓筒形 FPSO的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)有H2S防護(hù)規(guī)范的要求，設(shè)計(jì)一種適用于高含H2S油氣田的FPSO應(yīng)急空氣呼吸系統(tǒng)。該空氣呼吸系統(tǒng)安全可靠、占地面積小、使用方便。本研究期望為海上油田FPSO的H2S防護(hù)設(shè)計(jì)提供一定參考。