海上油气生产平台硫化氢气体扩散

霍有利， 李艳华， 覃柳莎， 祝皎琳

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

硫化氢气体是一种有毒气体，立即危害人体健康或生命的质量浓度是142 mg/m3。目前在海上油气田开发过程中含硫化氢气体油气田项目逐渐增多，比如新发现的南海某油田，硫化氢气体质量浓度达26 600 mg/m3。部分在役油气田随着生产年限的增加，在物流中出现硫化氢气体的情况也时有发生。南海某生产平台硫化氢气体质量浓度达7 100 mg/m3，渤海某油田硫化氢气体质量浓度达9 940 mg/m3。存在硫化氢气体危害的设施在新建和技术改造时须充分考虑硫化氢气体的特性和危害性，进行硫化氢气体危害风险评估[1]。风险评估的内容应该包括硫化氢气体可能泄漏或逸散的场所部位、泄漏原因分析、泄漏量的估计和可能影响范围分析[1-2]。在选择含硫化氢气体生产设施的安全防护设备时，硫化氢气体质量浓度分布是一个重要的参考因素[1]。同时，硫化氢气体质量浓度分布对生产平台总体布局、硫化氢气体探头布置等各方面影响重大。因此，对含硫化氢气体的海上生产平台进行硫化氢气体扩散分析非常必要。

1 硫化氢气体扩散理论与分析方法

1.1 扩散理论

硫化氢气体在大气中的扩散受诸多因素影响，根据不同的环境条件和实际情况，可选择多种扩散模型进行计算分析[1,3]。气体在大气中扩散的基础模型是高斯扩散模型。高斯模型的主要假设[4]有4点：(1)气体质量浓度在y、z轴上的分布符合高斯分布(正态分布)；(2)在全部空间中风速均匀稳定；(3)排放源强度连续均匀；(4)在扩散过程中气体质量守恒。基于该假设，结合海上平台实际情况，可采用高架连续点源模式代表海上平台硫化氢气体的扩散模型[4]，即

(1)

H=Hs+ΔH

(2)

(3)

式中：ρ(x,y,z,H)为当排放源高度为H时，坐标为(x,y,z) 空间点的气体质量浓度；Q为排放源强度；u为平均风速，即环境风速；σz、σy分别为z轴和y轴方向上的气体质量浓度方差；vs为排放点出口气体流速，即排放源排放气体速度；H为排放源高度；Hs为排放点几何高度；ΔH为气体抬升高度；Ts、Ta分别为排放气体温度和环境大气温度；d为排放点处孔口内径。

由式(1)～式(3)可知，影响硫化氢气体在大气中扩散的参数主要分为如下几类：(1)排放源参数，包括源强度、几何高度、孔口直径、气体温度、气体速度；(2)环境参数(气象参数)，包括平均风速、环境温度、大气稳定度(σz、σy的取值主要与大气稳定度有关[4])。另外，根据工程实践影响硫化氢气体质量浓度的因素还包括泄漏方位、时长和周边的障碍物等。

1.2 场景选择

海上油气生产平台上的硫化氢气体扩散主要考虑如下3个场景：平台火炬熄灭产生的气体扩散；平台冷放空产生的气体扩散；管道和设备泄漏产生的气体扩散。

在正常情况下，平台上多余的天然气或系统紧急释放的天然气进入火炬进行燃烧，当火炬由于故障熄灭时，硫化氢气体将与多余气体一起通过火炬头释放至大气中。火炬熄灭产生的气体扩散须考虑连续释放工况、安全阀(Pressure Safety Valve，PSV)释放工况和应急泄压阀(Blow Down Valve，BDV)释放工况。连续释放工况是指持续数小时以上的释放，该工况考虑主工艺流程出现故障，部分设备的天然气需通过火炬放空。比如当天然气生产平台上的闪蒸气压缩机出现故障时，分离器分离出的闪蒸天然气需通过火炬放空。PSV释放工况考虑在平台发生火灾或者设备发生堵塞后，设备或者管线内压力增加，PSV启动释放气体进入火炬。BDV释放工况考虑当设置BDV的设备在紧急情况下启动时，降低设备内的压力，保证设备不会发生超压破坏。在上述3种工况下应分别计算释放的硫化氢气体质量浓度和总质量，按照硫化氢气体释放质量浓度最高、总质量最大的工况进行计算分析。

冷放空用于释放平台上低压或常压工艺设备内的天然气或闪蒸气。工艺物流中的硫化氢气体也会随着天然气从冷放空释放。在通常情况下，冷放空作为释放源是间歇的，在放空量较大的情况下会持续一段时间。部分海上油气生产平台上存在连续放空工况。以冷放空作为释放源的硫化氢气体扩散模拟与火炬熄灭工况类似，其重点在于放空工况的识别和放空量的确定。

管道和设备泄漏场景考虑的是在工艺流程中含硫化氢气体的设备或管道由破裂导致的硫化氢气体泄漏。设备管道的泄漏场景导致的气体扩散与泄漏孔径大小、泄漏点位置、泄漏方向、周边设备布置、气象条件等密切相关。根据目前行业的成熟做法，泄漏孔径大小可分为小孔径、中孔径、大孔径和全破裂等4个工况，不同工况可采用对应的孔径进行描述。泄漏点位置和泄漏方向需根据具体情况进行优化。考虑的原则是保证工况的代表性以及模拟计算时间和成本的可接受性。

1.3 感受点选择

感受点是指硫化氢气体的存在可能带来严重后果的地方。在分析计算过程中，感受点以该位置的空间坐标进行标识。感受点选择的重要原则是硫化氢气体的存在是否会对人员的操作、逃生和生活带来危害和影响。根据海上油气生产设施硫化氢气体扩散分析实践，推荐选择如下地点作为感受点：(1)火炬(冷放空)臂的根部，在火炬或冷放空释放场景下，该感受点是平台上距离释放源最近的点，若该感受点处的计算质量浓度可接受，则平台上所有点的质量浓度不会超标；(2)起重机操作室，考虑硫化氢气体的存在对起重机操作人员的影响；(3)中控室、生活楼的通风或空调吸气口，考虑硫化氢气体进入有人房间的风险；(4)救生艇集合区，考虑硫化氢气体对人员撤离的影响；(5)直升机甲板，与集合区类似，考虑硫化氢气体对人员撤离的影响；(6)释放源附近的逃生通道；(7)其他距离释放源较近的设备、操作平台等。在单次分析计算中，上述感受点并不需要全部进行计算，具体的感受点选择需根据实际需求、项目特点等进行筛选和甄别。

1.4 影响标准

硫化氢气体对人体有害的质量浓度为142.0 mg/m3，硫化氢气体检测报警一般设置2级阈值，低报警值设置在14.2 mg/m3，高报警值设置在71.0 mg/m3[2]。在海上石油平台上，若硫化氢气体气体质量浓度超过14.2 mg/m3，则需配置个人防护设备[1]。因此，在海洋石油平台上进行硫化氢气体扩散分析时，通常考虑142.0 mg/m3、71.0 mg/m3和14.2 mg/m3等3种质量浓度。对于不同感受点关注的质量浓度并不完全相同：对于逃生通道、集合区等需考虑对人员有伤害的质量浓度，即142.0 mg/m3；对于通风系统的入口、可能存在硫化氢气体泄漏风险的工艺区，需设置硫化氢气体探头进行探测，关注的质量浓度是报警值14.2 mg/m3和71.0 mg/m3。

1.5 分析结果应用

存在硫化氢气体泄漏风险的设施在设计阶段须充分考虑硫化氢气体的特性和危害。硫化氢气体质量浓度扩散分析结果在海洋平台上应用主要有如下几方面：(1)指导海上油气生产平台的总体布置。根据各感受点的硫化氢气体质量浓度大小可指导调整平台上释放源和各感受点的相对位置，保证各感受点的硫化氢气体暴露风险在可接受水平之下。(2)用于海上油气生产平台上硫化氢气体泄漏风险评估的输入。硫化氢气体扩散分析可提供泄漏源、泄漏量、影响范围和质量浓度分布，为硫化氢气体泄漏后果评估提供依据。(3)指导硫化氢气体探头布置。根据不同区域硫化氢气体质量浓度分布，优化硫化氢气体探头布置，避免探头过多造成浪费或者探头过少导致探测失败。(4)指导个人防护用品的配备与使用。规范要求对于不同的硫化氢气体暴露质量浓度需要配备不同种类的呼吸防护用品。根据硫化氢气体质量浓度分布，可预测不同区域的人员潜在暴露质量浓度，从而选择合适的个人防护用品。(5)指导海上油气生产平台应急响应程序编制和操作程序编制。硫化氢气体质量浓度的分布、持续时间、各感受点可能的质量浓度等是平台应急响应程序和日常操作程序编制的重要输入。

2 硫化氢气体扩散实例分析

2.1 项目介绍

该项目是一个无人井口平台，平台上有15个井口，设置直升机甲板，如图1所示。平台物流通过海底管道输送至附近平台进行处理后外输。

图1 平台整体立面示例

在平台物流中硫化氢气体的体积分数为0.67%(9 500 mg/m3)，甲烷气体的体积分数为83.8%。平台设置火炬和冷放空臂，多余的天然气通过火炬/冷放空进行燃烧或排放。为验证平台硫化氢气体释放后的质量浓度是否对平台操作区域造成影响，需对平台上硫化氢气体的扩散和质量浓度分布进行分析。

2.2 模拟方法

硫化氢气体扩散分析采用行业内的成熟商业软件PHAST 7.11。对平台生产系统进行分析和识别，硫化氢气体影响最大的场景是在火炬熄灭工况下，工艺系统BDV放空和PSV释放产生的气体扩散。在火炬燃烧工况下，由于硫化氢气体全部燃烧，因此不再考虑火炬燃烧尾气的气体扩散分析。

该平台为无人平台，没有生活楼，设置直升机甲板。据此确定分析的感受点如下：(1)火炬臂根部；(2)火炬臂附近的逃生通道；(3)直升机甲板；(4)直升机甲板上部空间(考虑直升机高度所占的空间，选择直升机甲板以上27 m)；(5)起重机操作室。在确定甲板上的感受点坐标时，考虑人员高度，增加垂直坐标2 m。各感受点的相对位置如图2所示。

图2 感受点相对位置

对于无人平台，硫化氢气体扩散分析的主要应用是指导硫化氢气体探头布置。确定硫化氢气体扩散分析的质量浓度标准为14.2 mg/m3。在计算分析中，如果甲板上有超过14.2 mg/m3的区域，说明平台上硫化氢气体质量浓度超过低报警值，则需增加142.0 mg/m3再次进行计算，以确定是否存在对人有害的硫化氢气体暴露区域。

环境数据如风速、风向、气温、湿度等根据项目的基础数据选取。风向选择吹向感受点的风向。气体组分根据生产平台上的物料平衡数据确定。

2.3 主要计算结果

软件模拟计算结果如图3和图4所示。图3和图4中曲线包络线表示质量浓度为14.2 mg/m3的硫化氢气体的分布，方框表示直升机甲板上部净空间的范围。计算结果表明，在BDV泄放和PSV释放这两种情景下，考虑火炬熄灭工况，气体从火炬释放后硫化氢气体的扩散在平台上空进行，14.2 mg/m3质量浓度的分布线高于平台上的直升机甲板上部净空高度，平台上最高感受点的硫化氢气体质量浓度低于影响标准，因此其他各感受点的硫化氢浓度也低于14.2 mg/m3。

图3 BDV泄放情景下硫化氢质量浓度分布

图4 PSV释放情景下硫化氢质量浓度分布

计算结果表明，在模拟计算的条件下，平台上不会出现硫化氢气体质量浓度超过14.2 mg/m3的情况发生，因此平台上不需设置硫化氢气体探头，人员不需要配置个人防护装备。但是受设计深度和阶段的影响，在计算情景中没有管道和设备泄漏的场景。对于硫化氢气体探头布置和个人防护装备配备还需要进一步模拟管道和设备泄漏后硫化氢气体质量浓度分布确定。

2.4 主要参数对计算结果的影响

根据当地气象条件的统计数据，风速和大气稳定度的选择具有不确定性。其他参数如泄漏点位置、排放源强度等可根据项目设计参数进行确定。因此，有必要对风速和大气稳定度对计算结果的影响进行模拟计算和分析。根据国际通行标准，大气稳定度分为A、B、C、D、F等5个等级，稳定度依次升高。稳定度越低，对其他扩散越有利。选择2 m/s、5 m/s和10 m/s等3个风速条件和D、F这2个大气稳定度等级。根据工程实践，将上述5个参数组合成3种计算工况：风速2 m/s，稳定度F(2F)；风速5 m/s，稳定度D(5D)；风速10 m/s，稳定度D(10D)。3种计算工况的模拟结果如图5～图7所示。计算结果表明，风速和大气稳定度对计算结果影响较大。风速降低，大气稳定度增加，气体扩散的距离增加(由1 200 m增加至5 300 m)，气团高度降低(由100 m降低至60 m)。在大气稳定度相同的条件下，风速增加对扩散结果影响不显著。但是在最不利的气象环境条件(2F)下，气团的高度高于平台上的所有感受点，平台上的硫化氢气体质量浓度满足要求，不需要额外的防护措施。

图5 2F工况模拟结果

图6 5D工况模拟结果

图7 10D工况模拟结果

3 结 论

硫化氢气体是对人员有毒的气体，对人员健康有害的浓度较低。在海上油气生产平台上由于空间限制，硫化氢气体发生泄漏后的影响更加严重。对存在硫化氢气体泄漏风险的海上石油生产平台进行硫化氢气体扩散分析，对于硫化氢气体泄漏风险评估、平台总体布置、硫化氢气体探测、个人防护设备配置等具有指导和借鉴意义。在气体扩散分析理论的指导下，采取合理假设，简化模拟分析的场景和工况，在保证满足工程精确度的前提下，可简化计算、节约成本。对硫化氢气体扩散的计算场景选择，感受点确定、影响浓度设定、计算结果应用等影响硫化氢气体扩散分析的重要方面进行讨论，并结合工程实践给出分析。海上油气生产设施上硫化氢气体扩散分析下一步的研究防线是加强工艺设备管道泄漏的模拟研究，尤其是在泄漏源的排放源强度、泄漏时间、泄漏总量以及液相中的硫化氢气体挥发和闪蒸等方面还有待深入分析。