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)流程簡單，設(shè)計參數(shù)較少，但氣體泄放后在大氣中的擴散運動十分復(fù)雜，無法通過實驗手段進行測定[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，隨合格原油進入貨油艙。在長時間的儲存過程中，原油中的硫化氫析出，隨覆蓋氣進入船體冷放空系統(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。對此，本文運用Fluent軟件對冷放空泄放氣體中硫化氫濃度進行了模擬計算與分析，以確保硫化氫對人員安全無影響。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及計算模型

南海某F P S O 總體布置如圖1 所示，船體長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存，在貨油艙中會不斷有硫化氫氣體析出。隨著時間的推移，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油周期、外輸周期有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，貨油艙覆蓋氣中硫化氫含量高達10000～60000ppm之間，因此很有必要對FPSO甲板周圍的硫化氫氣體濃度進行模擬計算。

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)硫化氫濃度達到100ppm時，對生命和健康會產(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這一最危險工況進行擴散氣體模擬分析。

該FPSO冷放空管高19.12m，直徑為40cm，貨油艙進艙油量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行物理建模。選擇計算區(qū)域為700m×100m×150m，利用GAMBIT軟件進行建模和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體。冷放空管設(shè)為速度入口邊界，六面體計算區(qū)域的右側(cè)為進風(fēng)面，設(shè)為速度入口邊界，其它五個面設(shè)為壓力出口邊界。用Fluent軟件進行數(shù)值模擬，采用k-epsilon湍流模型和組分傳輸模型，考慮了重力對氣體擴散的影響，用SIMPLE算法進行求解。風(fēng)向按風(fēng)吹向生產(chǎn)、生活區(qū)域這一最危險工況考慮，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的方向作為計算的最危險風(fēng)向。假定無風(fēng)以及風(fēng)速分別為1m/s、2m/s、5m/s、10m/s、15m/s六種工況，通過模擬得到不同工況下硫化氫氣體濃度分布圖，見圖2。

圖2 不同風(fēng)速下硫化氫擴散濃度分布圖

從圖2對比可看出，由于硫化氫密度比空氣大，無風(fēng)情況下緩慢沉降，容易在甲板上不斷聚集，經(jīng)過一段時間后放空管附近硫化氫濃度高達20ppm。在有風(fēng)情況下，硫化氫放空后更容易擴散稀釋，高濃度硫化氫主要集中在放空口附近，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，說明風(fēng)速越大對硫化氫的稀釋擴散越有利。

根據(jù)該地區(qū)風(fēng)速風(fēng)向概率統(tǒng)計，無風(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甲板上人員操作基本

對于已建含硫化氫的油田，尤其是利用FPSO貨油艙儲油的情況，建議定期檢測大艙覆蓋氣硫化氫濃度；覆蓋氣硫化氫含量較高時，及時通過惰氣對大艙覆蓋氣進行吹掃，減少硫化氫富集，從而降低冷放空氣體中硫化氫含量。對于新建含硫化氫油田，新建FPSO在前期設(shè)計中應(yīng)考慮將大艙透氣管線集中布置，通過增加冷放空罐長度保證放空氣體擴散對人員的影響。同時，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風(fēng)向即風(fēng)吹向工藝設(shè)備和生活樓的方向，且對六種風(fēng)速的工況進行模擬，得到如下結(jié)論：

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

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

因此，建議含硫化氫油田開發(fā)利用FPSO儲油時，要重點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，特別是無風(fēng)條件下是否對甲板工作人員安全產(chǎn)生影響。