浮式生產儲油卸油裝置防H2S空氣呼吸系統設計

矯亞濤，宮景雯，高 鵬，竇培舉

（中海油研究總院有限責任公司，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，對黏膜有強烈的刺激作用。H2S通過呼吸系統進入人體后，會對人的中樞神經系統產生破壞[1]，當含量較高時會直接抑制呼吸中樞，使人迅速窒息甚至死亡。

含硫油氣田的原油采集、處理、生產、加工及運輸過程中會伴隨大量的H2S氣體。正常生產狀態下，H2S被束縛在密閉的系統中，而一旦發生泄漏事故，則會對現場操作人員造成巨大危害。在開發含硫油氣田時，做好H2S防護設計對于含硫海上平臺和浮式生產儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）非常重要。

H2S的防護是一個系統工程，包括探測、報警、人員防護、事故處理等內容。目前，FPSO的 H2S防護呼吸系統一般是在合適的區域設置單獨的呼吸器，用于平時的設備維護和緊急逃生，氣體供應僅供使用15～30 min。由于FPSO遠離陸地、甲板面積有限，其應急救援措施和裝備均難以滿足《硫化氫環境應急救援規范》[2]的要求。一旦呼吸器的儲氣量耗盡，必須立即停止生產，棄臺逃生。因此，現有FPSO的H2S防護系統僅適用于H2S含量不高、甲板通風充分的 FPSO，難以滿足高含硫油田開發的需求。

本文以中國東南部海域某高含硫油田開發工程為例，結合國內第一艘圓筒形FPSO的結構特點，設計一種適用于高含硫油氣田的FPSO應急空氣呼吸系統。該系統可用于正常操作維修、H2S泄漏、緊急逃生等各種工況。

1 項目概況

本項目油田位于中國南海珠江口盆地東沙隆起西南部，預測生產井在測試分離器出口的H2S平均含量（質量分數，下同）約1.9%，油田產液在生產分離器出口的H2S平均含量為0.80%～3.26%，是目前我國H2S含量最高的油田。

用于本項目油田生產的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個貨油艙和16個壓載艙，貨油裝載量為60 000 m3。上部組塊的原油、天然氣、生產水設計日處理量分別為5 520 m3、9 360 m3、69 600 m3。生活樓定員70人，樓內設置臨時避難所（Temporary Refuge，TR）供工作人員在火災、有毒氣體泄漏、船體破損等各種事故發生時臨時避難使用。圓筒形FPSO示意圖見圖1。

圖1 圓筒形FPSO示意圖

相對于傳統船型FPSO，圓筒型FPSO密閉空間更多，設備布置更為緊湊、集中，四周圍有擋浪板，通風不暢。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，若發生H2S泄漏，容易形成聚集。因此，傳統FPSO防H2S呼吸系統已難以滿足項目生產需求。

2 空氣呼吸系統設計

空氣呼吸系統是在環境空氣被污染無法使用時，用于為現場人員提供可呼吸空氣的系統。系統應以保證氣體清潔、供應充足、安全可靠、使用簡單、反應迅速、節省空間、便于維修為設計原則。

2.1 設計難點與解決方案

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]，當氣瓶內的氣體耗盡時，由空壓機充氣補充。9 L氣瓶的標準供氣時間長達45 min，難以滿足現場需求，且氣瓶質量和體積較大，攜帶不便。此外由于FPSO的甲板面積較小，H2S氣體一旦發生泄漏，會迅速蔓延至整個FPSO。泄漏的H2S會污染空壓機進氣口空氣，導致空壓機無法對氣瓶充氣，這會進一步限制工作人員在FPSO上的搶險時間。

為便于攜帶和使用，在FPSO上適當位置配備足量的6.8 L和4.7 L空氣瓶，僅供工作人員逃生時使用。在適當位置設置供氣站，供工作人員工作或事故待命工況下使用，使用時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不能使用的問題，在安全區設置高壓氣瓶，提前儲存足量的空氣作為供氣站的氣源。根據供氣站接口壓力的不同，系統分為高壓空氣呼吸系統和低壓空氣呼吸系統。

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

圖2 高壓空氣呼吸系統流程圖

低壓空氣呼吸系統為壓縮氣體在進入各供氣點之前通過逐級減壓維持管道壓力為中、低壓狀態，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。低壓空氣呼吸系統末端壓力一般約為0.7 MPa。低壓空氣系統相對于高壓系統需增設調壓閥組和專門的防爆充氣箱/高壓充氣站。低壓空氣呼吸系統流程圖見圖3。

圖3 低壓空氣呼吸系統流程圖

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，實際只有大約350 mL進入肺泡參加氣體交換，其余空氣停留在無效腔中，無法起到應有的作用[3]。

目前國內外規范對于FPSO呼吸系統的消耗速率尚無統一的規定，荷蘭皇家殼牌集團要求呼吸器為每人供應的最低空氣消耗量為170 L/min[4]。在國內，不同勞動強度對應的空氣消耗量不同，具體見表1。

表1 不同勞動強度對應的空氣消耗量

綜合考慮人員差異以及設備占地面積、投資等因素，結合FPSO的工作特點，設計每人空氣消耗量取為50 L/min。

2.1.3 空氣供應時間

在計算高壓氣瓶儲氣量時，需要考慮工藝區工作用空氣消耗量與臨時避難所緊急事故工況下空氣消耗量。

工藝區工作用空氣消耗主要來自洗艙、檢修、工藝設備維護時工作人員的呼吸，消耗大小取決于工作人數與工作時長，需要根據實際情況確定。

臨時避難所緊急事故工況空氣消耗量取決于FPSO的定員人數以及事故工況下工作人員在避難所停留的時間。目前國際上對于臨時避難所的事故設計停留時間尚無統一規定，中國海洋石油集團有限公司的設計停留時間為45 min，而國外多為1 h。挪威技術標準協會（Norwegian Technology Standards Institution，NTS）要求：對于大型載人設施，逃生路線和臨時避難所（TR）應至少有1 h的可用時間[5]。英國衛生與安全執行局（Health and Safety Executive，HSE）要求：在規定的 TR耐久時間（一般為 1 h左右）內，臨時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入[6]。對于H2S泄漏事故的撤離時間，《硫化氫環境原油采集與處理安全規范》規定：當空氣中H2S的質量濃度≥30 mg/m3時，無人身防護的人員應撤離；當空氣中 H2S的質量濃度達到危險臨界質量濃度150 mg/m3時，有人身防護的現場人員在應急處置無望的情況下可進行撤離[7]?！逗Ｑ笫桶踩芾砑殑t》規定：在可能含有H2S的地層進行鉆井作業時，當空氣中H2S的質量濃度達到150 mg/m3時，組織所有人員撤離平臺?，F有規范均對H2S的撤離含量進行了規定，但沒有對具體撤離時間進行要求。經調研，在中國東南部海域H2S泄漏事故中，最長事故處理時間為3 h。為減少撤離次數，減少事故損失，臨時避難所的防火等事故防護按照1 h設計，但是防H2S空氣呼吸系統按照3 h進行設計。

高壓儲氣瓶設有事故儲氣量不被動用措施，非H2S泄漏事故工況下一旦壓力降到設定值，空壓機立即啟動，對氣瓶進行充氣。

2.2 呼吸器

呼吸器根據呼吸過程中面罩內外的壓力大小可分為正壓式呼吸器和負壓式呼吸器。

美國石油學會（American Petroleum Institute，API）的相關標準要求：在H2S或二氧化碳（CO2）的含量可能超過作用級別時，不應將空氣凈化器及負壓呼吸設備用于油氣井鉆井、服務和修井業務，應該使用帶全面罩的正壓式呼吸設備[8]。

《海上浮式裝置入級規范》[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）工作區該裝置的額定供氣時間應至少為30 min，非工作區額定供氣時間為15 min。

正壓式空氣呼吸器是以壓縮空氣為供氣流而設計的隔絕式呼吸器。本次設計根據位置不同在合適區域設置空氣瓶為6.8 L和4.7 L的自給式正壓式呼吸器，氣瓶自持時間分別為30 min和15 min。

2.3 空氣壓縮機

《硫化氫環境人身防護規范》[10]規定：在已知含有H2S的工作場所應至少配備1臺空氣壓縮機，其輸出空氣壓力應滿足正壓式空氣呼吸器氣瓶的充氣要求。

考慮到維修不便，且要避免高壓儲氣瓶單次充氣時間過長，故在設計時設置2臺空氣壓縮機，一用一備。

空氣壓縮機和取氣口應設置在安全區，一般設置在生活樓。為便于維修保養，建議將空壓機設置在房間內。本次設計考慮到生活樓布置空間有限，故將空壓機設置在主甲板的機械間內，將取氣口設置在工藝甲板的安全區內。

2.4 空氣呼吸系統

高、低壓空氣呼吸系統的對比情況見表2。

表2 高、低壓空氣呼吸系統對比

由于給呼吸器進行高壓充氣必須由具有相關執業資格的人員操作，為避免非相關人員進行誤操作，同時考慮布置過多高壓充氣管線會增加FPSO的危險性等因素，本次設計采用低壓系統。

2.5 呼吸器和供氣站的布置

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

在進行工藝區呼吸器和供氣站的布置時，需要考慮工藝設備、艙室的分布情況和操作人員的工作習慣，呼吸器空氣瓶自持時間為30 min。此外，分別在吊機駕駛室、各樓梯的入口和走道的兩側等便于取用的位置布置供氣時間為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避難所。

臨時避難所按照救生艇人數設置供氣時間為15 min的呼吸器和供氣站，供工作人員在事故工況下使用。在中控室設置5套供氣時間為30 min的呼吸器和供氣點，在生活樓兩側設置15套供氣時間為30 min的呼吸器，供指揮人員和應急小組應對和處置突發事故。生活樓內供氣站的供氣量可滿足所有工作人員3 h的使用要求。當供氣站的氣量耗盡必須撤離時，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 系統特點

1）系統從氣源、儲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、緊急逃生等多種工況的要求。

2）在氣源保證安全的前提下，當高壓氣瓶中的壓縮空氣出現一定數量的損耗后，通過空氣壓縮機和過濾器及時補充潔凈空氣，保證平臺上始終存儲足夠數量的潔凈空氣。

3）系統在平臺上設置了高壓氣瓶組，較高的壓力能最大限度減少存儲空氣所需的占地面積。

4）系統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 應急應用程序

一旦發生H2S報警：

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

2）到達臨時避難所后，從架子上取走T卡，穿戴好逃生呼吸器隨時準備撤離。

3）指揮人員和應急小組迅速到達指定地點應對突發事故并通知守護船隨時準備撤離。

4）在高壓儲氣瓶內的潔凈空氣耗盡之前，安全指揮必須根據實際情況決定是否撤離。

管道設備維護期間必須保證呼吸器內的氣體充足，高壓氣瓶、壓縮機和減壓閥等的維護工作應分開進行，保證在設備維護期間系統仍可運行。

5 結論

本文以東南部海域某高含硫油田開發工程為例，結合國內第一艘圓筒形 FPSO的結構特點和現有H2S防護規范的要求，設計一種適用于高含H2S油氣田的FPSO應急空氣呼吸系統。該空氣呼吸系統安全可靠、占地面積小、使用方便。本研究期望為海上油田FPSO的H2S防護設計提供一定參考。