浮式生产储油卸油装置防H_2S空气呼吸系统设计_矫亚涛.pdf

38 船舶标准化工程师 2023/1 浮式生产储油卸油装置浮式生产储油卸油装置 防防 H2S 空气呼吸系统设计空气呼吸系统设计1 1 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）摘 要：摘 要：为保障工作人员在硫化氢（H2S）泄漏工况下的生命安全，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浮式生产储油卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）的结构特点，设计一种适用于高含 H2S 油气田的 FPSO 应急空气呼吸系统。研究表明：该空气呼吸系统安全可靠、占地面积小、使用方便。研究成果可为H2S防护设计提供一定参考。关键词：关键词：浮式生产储油卸油装置；空气呼吸系统；硫化氢（H2S）；呼吸器 中图分类号：中图分类号：TE95 文献标志码：文献标志码：A DOI：10.14141/j.31-1981.2023.01.007 Design of Anti-H2S Air Breathing System for Floating Production Storage and Offloading JIAO Yatao,GONG Jingwen,GAO Peng,DOU Peiju(CNOOC Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100028,China)Abstract:In order to ensure the life safety of staff under the condition of hydrogen sulfide(H2S)leakage,taking a high sulfur oil field development project in the southeast sea area of China as an example,combining the structural characteristics of the first cylindrical floating production storage and offloading(FPSO)in China,an FPSO emergency air breathing system suitable for high H2S oil and gas fields is designed.The research shows that the air breathing system is safe,reliable,less area occupancy and convenient to use.The research results can provide some references for H2S protection design.Key words:floating production storage and offloading;air breathing system;hydrogen sulfide(H2S);respirator 作者简介：矫亚涛（1984），男，工程师。研究方向：海上油气田消防与安全设计。0 引言引言 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、技术交流 Technical Communication 2023/1 船舶标准化工程师 39 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1530 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。1 项目概况项目概况 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。2 空气呼吸系统设计空气呼吸系统设计 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 L3，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。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，40 船舶标准化工程师 2023/1 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2 高压空气呼吸系统流程图 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/min4。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 劳动强度 空气消耗量/(L/min)轻 1520 低强度 2130 中强度 3140 高强度 4150 极度 5180 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，当技术交流 Technical Communication 2023/1 船舶标准化工程师 41 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 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 空气压缩机空气压缩机 硫化氢环境人