霍有利， 李艷華， 覃柳莎， 祝皎琳

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

硫化氫氣體是一種有毒氣體，立即危害人體健康或生命的質(zhì)量濃度是142 mg/m3。目前在海上油氣田開發(fā)過程中含硫化氫氣體油氣田項(xiàng)目逐漸增多，比如新發(fā)現(xiàn)的南海某油田，硫化氫氣體質(zhì)量濃度達(dá)26 600 mg/m3。部分在役油氣田隨著生產(chǎn)年限的增加，在物流中出現(xiàn)硫化氫氣體的情況也時(shí)有發(fā)生。南海某生產(chǎn)平臺(tái)硫化氫氣體質(zhì)量濃度達(dá)7 100 mg/m3，渤海某油田硫化氫氣體質(zhì)量濃度達(dá)9 940 mg/m3。存在硫化氫氣體危害的設(shè)施在新建和技術(shù)改造時(shí)須充分考慮硫化氫氣體的特性和危害性，進(jìn)行硫化氫氣體危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[1]。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的內(nèi)容應(yīng)該包括硫化氫氣體可能泄漏或逸散的場(chǎng)所部位、泄漏原因分析、泄漏量的估計(jì)和可能影響范圍分析[1-2]。在選擇含硫化氫氣體生產(chǎn)設(shè)施的安全防護(hù)設(shè)備時(shí)，硫化氫氣體質(zhì)量濃度分布是一個(gè)重要的參考因素[1]。同時(shí)，硫化氫氣體質(zhì)量濃度分布對(duì)生產(chǎn)平臺(tái)總體布局、硫化氫氣體探頭布置等各方面影響重大。因此，對(duì)含硫化氫氣體的海上生產(chǎn)平臺(tái)進(jìn)行硫化氫氣體擴(kuò)散分析非常必要。

1 硫化氫氣體擴(kuò)散理論與分析方法

1.1 擴(kuò)散理論

硫化氫氣體在大氣中的擴(kuò)散受諸多因素影響，根據(jù)不同的環(huán)境條件和實(shí)際情況，可選擇多種擴(kuò)散模型進(jìn)行計(jì)算分析[1,3]。氣體在大氣中擴(kuò)散的基礎(chǔ)模型是高斯擴(kuò)散模型。高斯模型的主要假設(shè)[4]有4點(diǎn)：(1)氣體質(zhì)量濃度在y、z軸上的分布符合高斯分布(正態(tài)分布)；(2)在全部空間中風(fēng)速均勻穩(wěn)定；(3)排放源強(qiáng)度連續(xù)均勻；(4)在擴(kuò)散過程中氣體質(zhì)量守恒。基于該假設(shè)，結(jié)合海上平臺(tái)實(shí)際情況，可采用高架連續(xù)點(diǎn)源模式代表海上平臺(tái)硫化氫氣體的擴(kuò)散模型[4]，即

(1)

H=Hs+ΔH

(2)

(3)

式中：ρ(x,y,z,H)為當(dāng)排放源高度為H時(shí)，坐標(biāo)為(x,y,z) 空間點(diǎn)的氣體質(zhì)量濃度；Q為排放源強(qiáng)度；u為平均風(fēng)速，即環(huán)境風(fēng)速；σz、σy分別為z軸和y軸方向上的氣體質(zhì)量濃度方差；vs為排放點(diǎn)出口氣體流速，即排放源排放氣體速度；H為排放源高度；Hs為排放點(diǎn)幾何高度；ΔH為氣體抬升高度；Ts、Ta分別為排放氣體溫度和環(huán)境大氣溫度；d為排放點(diǎn)處孔口內(nèi)徑。

由式(1)～式(3)可知，影響硫化氫氣體在大氣中擴(kuò)散的參數(shù)主要分為如下幾類：(1)排放源參數(shù)，包括源強(qiáng)度、幾何高度、孔口直徑、氣體溫度、氣體速度；(2)環(huán)境參數(shù)(氣象參數(shù))，包括平均風(fēng)速、環(huán)境溫度、大氣穩(wěn)定度(σz、σy的取值主要與大氣穩(wěn)定度有關(guān)[4])。另外，根據(jù)工程實(shí)踐影響硫化氫氣體質(zhì)量濃度的因素還包括泄漏方位、時(shí)長(zhǎng)和周邊的障礙物等。

1.2 場(chǎng)景選擇

海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)上的硫化氫氣體擴(kuò)散主要考慮如下3個(gè)場(chǎng)景：平臺(tái)火炬熄滅產(chǎn)生的氣體擴(kuò)散；平臺(tái)冷放空產(chǎn)生的氣體擴(kuò)散；管道和設(shè)備泄漏產(chǎn)生的氣體擴(kuò)散。

在正常情況下，平臺(tái)上多余的天然氣或系統(tǒng)緊急釋放的天然氣進(jìn)入火炬進(jìn)行燃燒，當(dāng)火炬由于故障熄滅時(shí)，硫化氫氣體將與多余氣體一起通過火炬頭釋放至大氣中?；鹁嫦绠a(chǎn)生的氣體擴(kuò)散須考慮連續(xù)釋放工況、安全閥(Pressure Safety Valve，PSV)釋放工況和應(yīng)急泄壓閥(Blow Down Valve，BDV)釋放工況。連續(xù)釋放工況是指持續(xù)數(shù)小時(shí)以上的釋放，該工況考慮主工藝流程出現(xiàn)故障，部分設(shè)備的天然氣需通過火炬放空。比如當(dāng)天然氣生產(chǎn)平臺(tái)上的閃蒸氣壓縮機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，分離器分離出的閃蒸天然氣需通過火炬放空。PSV釋放工況考慮在平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)或者設(shè)備發(fā)生堵塞后，設(shè)備或者管線內(nèi)壓力增加，PSV啟動(dòng)釋放氣體進(jìn)入火炬。BDV釋放工況考慮當(dāng)設(shè)置BDV的設(shè)備在緊急情況下啟動(dòng)時(shí)，降低設(shè)備內(nèi)的壓力，保證設(shè)備不會(huì)發(fā)生超壓破壞。在上述3種工況下應(yīng)分別計(jì)算釋放的硫化氫氣體質(zhì)量濃度和總質(zhì)量，按照硫化氫氣體釋放質(zhì)量濃度最高、總質(zhì)量最大的工況進(jìn)行計(jì)算分析。

冷放空用于釋放平臺(tái)上低壓或常壓工藝設(shè)備內(nèi)的天然氣或閃蒸氣。工藝物流中的硫化氫氣體也會(huì)隨著天然氣從冷放空釋放。在通常情況下，冷放空作為釋放源是間歇的，在放空量較大的情況下會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。部分海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)上存在連續(xù)放空工況。以冷放空作為釋放源的硫化氫氣體擴(kuò)散模擬與火炬熄滅工況類似，其重點(diǎn)在于放空工況的識(shí)別和放空量的確定。

管道和設(shè)備泄漏場(chǎng)景考慮的是在工藝流程中含硫化氫氣體的設(shè)備或管道由破裂導(dǎo)致的硫化氫氣體泄漏。設(shè)備管道的泄漏場(chǎng)景導(dǎo)致的氣體擴(kuò)散與泄漏孔徑大小、泄漏點(diǎn)位置、泄漏方向、周邊設(shè)備布置、氣象條件等密切相關(guān)。根據(jù)目前行業(yè)的成熟做法，泄漏孔徑大小可分為小孔徑、中孔徑、大孔徑和全破裂等4個(gè)工況，不同工況可采用對(duì)應(yīng)的孔徑進(jìn)行描述。泄漏點(diǎn)位置和泄漏方向需根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化?？紤]的原則是保證工況的代表性以及模擬計(jì)算時(shí)間和成本的可接受性。

1.3 感受點(diǎn)選擇

感受點(diǎn)是指硫化氫氣體的存在可能帶來嚴(yán)重后果的地方。在分析計(jì)算過程中，感受點(diǎn)以該位置的空間坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。感受點(diǎn)選擇的重要原則是硫化氫氣體的存在是否會(huì)對(duì)人員的操作、逃生和生活帶來危害和影響。根據(jù)海上油氣生產(chǎn)設(shè)施硫化氫氣體擴(kuò)散分析實(shí)踐，推薦選擇如下地點(diǎn)作為感受點(diǎn)：(1)火炬(冷放空)臂的根部，在火炬或冷放空釋放場(chǎng)景下，該感受點(diǎn)是平臺(tái)上距離釋放源最近的點(diǎn)，若該感受點(diǎn)處的計(jì)算質(zhì)量濃度可接受，則平臺(tái)上所有點(diǎn)的質(zhì)量濃度不會(huì)超標(biāo)；(2)起重機(jī)操作室，考慮硫化氫氣體的存在對(duì)起重機(jī)操作人員的影響；(3)中控室、生活樓的通風(fēng)或空調(diào)吸氣口，考慮硫化氫氣體進(jìn)入有人房間的風(fēng)險(xiǎn)；(4)救生艇集合區(qū)，考慮硫化氫氣體對(duì)人員撤離的影響；(5)直升機(jī)甲板，與集合區(qū)類似，考慮硫化氫氣體對(duì)人員撤離的影響；(6)釋放源附近的逃生通道；(7)其他距離釋放源較近的設(shè)備、操作平臺(tái)等。在單次分析計(jì)算中，上述感受點(diǎn)并不需要全部進(jìn)行計(jì)算，具體的感受點(diǎn)選擇需根據(jù)實(shí)際需求、項(xiàng)目特點(diǎn)等進(jìn)行篩選和甄別。

1.4 影響標(biāo)準(zhǔn)

硫化氫氣體對(duì)人體有害的質(zhì)量濃度為142.0 mg/m3，硫化氫氣體檢測(cè)報(bào)警一般設(shè)置2級(jí)閾值，低報(bào)警值設(shè)置在14.2 mg/m3，高報(bào)警值設(shè)置在71.0 mg/m3[2]。在海上石油平臺(tái)上，若硫化氫氣體氣體質(zhì)量濃度超過14.2 mg/m3，則需配置個(gè)人防護(hù)設(shè)備[1]。因此，在海洋石油平臺(tái)上進(jìn)行硫化氫氣體擴(kuò)散分析時(shí)，通常考慮142.0 mg/m3、71.0 mg/m3和14.2 mg/m3等3種質(zhì)量濃度。對(duì)于不同感受點(diǎn)關(guān)注的質(zhì)量濃度并不完全相同：對(duì)于逃生通道、集合區(qū)等需考慮對(duì)人員有傷害的質(zhì)量濃度，即142.0 mg/m3；對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)的入口、可能存在硫化氫氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)的工藝區(qū)，需設(shè)置硫化氫氣體探頭進(jìn)行探測(cè)，關(guān)注的質(zhì)量濃度是報(bào)警值14.2 mg/m3和71.0 mg/m3。

1.5 分析結(jié)果應(yīng)用

存在硫化氫氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)施在設(shè)計(jì)階段須充分考慮硫化氫氣體的特性和危害。硫化氫氣體質(zhì)量濃度擴(kuò)散分析結(jié)果在海洋平臺(tái)上應(yīng)用主要有如下幾方面：(1)指導(dǎo)海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)的總體布置。根據(jù)各感受點(diǎn)的硫化氫氣體質(zhì)量濃度大小可指導(dǎo)調(diào)整平臺(tái)上釋放源和各感受點(diǎn)的相對(duì)位置，保證各感受點(diǎn)的硫化氫氣體暴露風(fēng)險(xiǎn)在可接受水平之下。(2)用于海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)上硫化氫氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的輸入。硫化氫氣體擴(kuò)散分析可提供泄漏源、泄漏量、影響范圍和質(zhì)量濃度分布，為硫化氫氣體泄漏后果評(píng)估提供依據(jù)。(3)指導(dǎo)硫化氫氣體探頭布置。根據(jù)不同區(qū)域硫化氫氣體質(zhì)量濃度分布，優(yōu)化硫化氫氣體探頭布置，避免探頭過多造成浪費(fèi)或者探頭過少導(dǎo)致探測(cè)失敗。(4)指導(dǎo)個(gè)人防護(hù)用品的配備與使用。規(guī)范要求對(duì)于不同的硫化氫氣體暴露質(zhì)量濃度需要配備不同種類的呼吸防護(hù)用品。根據(jù)硫化氫氣體質(zhì)量濃度分布，可預(yù)測(cè)不同區(qū)域的人員潛在暴露質(zhì)量濃度，從而選擇合適的個(gè)人防護(hù)用品。(5)指導(dǎo)海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)應(yīng)急響應(yīng)程序編制和操作程序編制。硫化氫氣體質(zhì)量濃度的分布、持續(xù)時(shí)間、各感受點(diǎn)可能的質(zhì)量濃度等是平臺(tái)應(yīng)急響應(yīng)程序和日常操作程序編制的重要輸入。

2 硫化氫氣體擴(kuò)散實(shí)例分析

2.1 項(xiàng)目介紹

該項(xiàng)目是一個(gè)無人井口平臺(tái)，平臺(tái)上有15個(gè)井口，設(shè)置直升機(jī)甲板，如圖1所示。平臺(tái)物流通過海底管道輸送至附近平臺(tái)進(jìn)行處理后外輸。

圖1 平臺(tái)整體立面示例

在平臺(tái)物流中硫化氫氣體的體積分?jǐn)?shù)為0.67%(9 500 mg/m3)，甲烷氣體的體積分?jǐn)?shù)為83.8%。平臺(tái)設(shè)置火炬和冷放空臂，多余的天然氣通過火炬/冷放空進(jìn)行燃燒或排放。為驗(yàn)證平臺(tái)硫化氫氣體釋放后的質(zhì)量濃度是否對(duì)平臺(tái)操作區(qū)域造成影響，需對(duì)平臺(tái)上硫化氫氣體的擴(kuò)散和質(zhì)量濃度分布進(jìn)行分析。

2.2 模擬方法

硫化氫氣體擴(kuò)散分析采用行業(yè)內(nèi)的成熟商業(yè)軟件PHAST 7.11。對(duì)平臺(tái)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行分析和識(shí)別，硫化氫氣體影響最大的場(chǎng)景是在火炬熄滅工況下，工藝系統(tǒng)BDV放空和PSV釋放產(chǎn)生的氣體擴(kuò)散。在火炬燃燒工況下，由于硫化氫氣體全部燃燒，因此不再考慮火炬燃燒尾氣的氣體擴(kuò)散分析。

該平臺(tái)為無人平臺(tái)，沒有生活樓，設(shè)置直升機(jī)甲板。據(jù)此確定分析的感受點(diǎn)如下：(1)火炬臂根部；(2)火炬臂附近的逃生通道；(3)直升機(jī)甲板；(4)直升機(jī)甲板上部空間(考慮直升機(jī)高度所占的空間，選擇直升機(jī)甲板以上27 m)；(5)起重機(jī)操作室。在確定甲板上的感受點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，考慮人員高度，增加垂直坐標(biāo)2 m。各感受點(diǎn)的相對(duì)位置如圖2所示。

圖2 感受點(diǎn)相對(duì)位置

對(duì)于無人平臺(tái)，硫化氫氣體擴(kuò)散分析的主要應(yīng)用是指導(dǎo)硫化氫氣體探頭布置。確定硫化氫氣體擴(kuò)散分析的質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)為14.2 mg/m3。在計(jì)算分析中，如果甲板上有超過14.2 mg/m3的區(qū)域，說明平臺(tái)上硫化氫氣體質(zhì)量濃度超過低報(bào)警值，則需增加142.0 mg/m3再次進(jìn)行計(jì)算，以確定是否存在對(duì)人有害的硫化氫氣體暴露區(qū)域。

環(huán)境數(shù)據(jù)如風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度等根據(jù)項(xiàng)目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選取。風(fēng)向選擇吹向感受點(diǎn)的風(fēng)向。氣體組分根據(jù)生產(chǎn)平臺(tái)上的物料平衡數(shù)據(jù)確定。

2.3 主要計(jì)算結(jié)果

軟件模擬計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。圖3和圖4中曲線包絡(luò)線表示質(zhì)量濃度為14.2 mg/m3的硫化氫氣體的分布，方框表示直升機(jī)甲板上部?jī)艨臻g的范圍。計(jì)算結(jié)果表明，在BDV泄放和PSV釋放這兩種情景下，考慮火炬熄滅工況，氣體從火炬釋放后硫化氫氣體的擴(kuò)散在平臺(tái)上空進(jìn)行，14.2 mg/m3質(zhì)量濃度的分布線高于平臺(tái)上的直升機(jī)甲板上部?jī)艨崭叨?，平臺(tái)上最高感受點(diǎn)的硫化氫氣體質(zhì)量濃度低于影響標(biāo)準(zhǔn)，因此其他各感受點(diǎn)的硫化氫濃度也低于14.2 mg/m3。

圖3 BDV泄放情景下硫化氫質(zhì)量濃度分布

圖4 PSV釋放情景下硫化氫質(zhì)量濃度分布

計(jì)算結(jié)果表明，在模擬計(jì)算的條件下，平臺(tái)上不會(huì)出現(xiàn)硫化氫氣體質(zhì)量濃度超過14.2 mg/m3的情況發(fā)生，因此平臺(tái)上不需設(shè)置硫化氫氣體探頭，人員不需要配置個(gè)人防護(hù)裝備。但是受設(shè)計(jì)深度和階段的影響，在計(jì)算情景中沒有管道和設(shè)備泄漏的場(chǎng)景。對(duì)于硫化氫氣體探頭布置和個(gè)人防護(hù)裝備配備還需要進(jìn)一步模擬管道和設(shè)備泄漏后硫化氫氣體質(zhì)量濃度分布確定。

2.4 主要參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度的選擇具有不確定性。其他參數(shù)如泄漏點(diǎn)位置、排放源強(qiáng)度等可根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行確定。因此，有必要對(duì)風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響進(jìn)行模擬計(jì)算和分析。根據(jù)國(guó)際通行標(biāo)準(zhǔn)，大氣穩(wěn)定度分為A、B、C、D、F等5個(gè)等級(jí)，穩(wěn)定度依次升高。穩(wěn)定度越低，對(duì)其他擴(kuò)散越有利。選擇2 m/s、5 m/s和10 m/s等3個(gè)風(fēng)速條件和D、F這2個(gè)大氣穩(wěn)定度等級(jí)。根據(jù)工程實(shí)踐，將上述5個(gè)參數(shù)組合成3種計(jì)算工況：風(fēng)速2 m/s，穩(wěn)定度F(2F)；風(fēng)速5 m/s，穩(wěn)定度D(5D)；風(fēng)速10 m/s，穩(wěn)定度D(10D)。3種計(jì)算工況的模擬結(jié)果如圖5～圖7所示。計(jì)算結(jié)果表明，風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。風(fēng)速降低，大氣穩(wěn)定度增加，氣體擴(kuò)散的距離增加(由1 200 m增加至5 300 m)，氣團(tuán)高度降低(由100 m降低至60 m)。在大氣穩(wěn)定度相同的條件下，風(fēng)速增加對(duì)擴(kuò)散結(jié)果影響不顯著。但是在最不利的氣象環(huán)境條件(2F)下，氣團(tuán)的高度高于平臺(tái)上的所有感受點(diǎn)，平臺(tái)上的硫化氫氣體質(zhì)量濃度滿足要求，不需要額外的防護(hù)措施。

圖5 2F工況模擬結(jié)果

圖6 5D工況模擬結(jié)果

圖7 10D工況模擬結(jié)果

3 結(jié) 論

硫化氫氣體是對(duì)人員有毒的氣體，對(duì)人員健康有害的濃度較低。在海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)上由于空間限制，硫化氫氣體發(fā)生泄漏后的影響更加嚴(yán)重。對(duì)存在硫化氫氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)的海上石油生產(chǎn)平臺(tái)進(jìn)行硫化氫氣體擴(kuò)散分析，對(duì)于硫化氫氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、平臺(tái)總體布置、硫化氫氣體探測(cè)、個(gè)人防護(hù)設(shè)備配置等具有指導(dǎo)和借鑒意義。在氣體擴(kuò)散分析理論的指導(dǎo)下，采取合理假設(shè)，簡(jiǎn)化模擬分析的場(chǎng)景和工況，在保證滿足工程精確度的前提下，可簡(jiǎn)化計(jì)算、節(jié)約成本。對(duì)硫化氫氣體擴(kuò)散的計(jì)算場(chǎng)景選擇，感受點(diǎn)確定、影響濃度設(shè)定、計(jì)算結(jié)果應(yīng)用等影響硫化氫氣體擴(kuò)散分析的重要方面進(jìn)行討論，并結(jié)合工程實(shí)踐給出分析。海上油氣生產(chǎn)設(shè)施上硫化氫氣體擴(kuò)散分析下一步的研究防線是加強(qiáng)工藝設(shè)備管道泄漏的模擬研究，尤其是在泄漏源的排放源強(qiáng)度、泄漏時(shí)間、泄漏總量以及液相中的硫化氫氣體揮發(fā)和閃蒸等方面還有待深入分析。