H2S探頭在海洋平臺的布置與控制方案

王 崴 李 俊 王 凱

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

H2S探頭在海洋平臺的布置與控制方案

王 崴 李 俊 王 凱

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

依據國家有關法規和運行標準，對海洋石油平臺H2S的泄漏源和人員工作場所進行風險分析，劃分H2S的風險區域；然后給出H2S和可燃氣探頭的工作原理與性能參數；最后在海洋平臺上合理布置探測元件，并給出應對H2S風險的有效控制方案。

H2S氣體監測 海洋石油平臺 風險分析 探測性能 控制方案

H2S氣體無色、劇毒，呈弱酸性，有典型的臭雞蛋味，比重大于空氣[1，2]。油田在投產后發現產液中含有H2S，是平臺投產后的重大安全隱患。因此，對H2S的探測監控等方面開展風險評估工作，提出相應合理可行的措施建議，充分保證平臺的正常生產與人員安全，是極其重要的一項工作。為此，筆者針對含H2S的海洋石油平臺作業環境，依據國家有關法規和運行標準，設計科學、合理且詳細的H2S探測設備布置方案，采取報警和保護措施。

平臺上設置的探測系統要及時、準確地探測H2S氣體，盡早進行邏輯分析與處理，實現報警，以保護平臺操作人員和生產設施的安全。 當工藝系統中的H2S氣體發生泄漏，或者H2S從泄漏的液態流體中揮發，探測系統及時加以探測主要取決于3個因素：探頭位置是否與泄漏源接近；泄漏或揮發出來的H2S氣體能否快速地擴散到探頭探測的位置；探頭接觸H2S反應報警的時間。為此，設計如圖1所示的H2S氣體探測分析線路。

2 H2S風險分析與探測器的布置

2.1H2S風險分析

井口平臺一旦發生H2S氣體泄漏，處在H2S氣體擴散范圍內的作業人員將受到一定的影響。考慮人員防護上限濃度0.02‰以上的H2S毒氣所產生的風險，《海洋石油作業H2S防護安全要求》中明確指出防護安全臨界濃度為0.02‰，危險臨界濃度為0.10‰[3]。

2.1.1H2S泄漏區域分析

分析可能泄漏或出現泄漏的位置和區域對有效的H2S氣體探測是非常關鍵的，同時也是衡量人員暴露于H2S環境風險的一個重要參數。

危險區域內。平臺危險區域的劃分是根據出現引燃或爆炸濃度的可燃性氣體的可能程度進行的，共分為3類(參見《海上固定平臺安全規則》)。由于工藝氣泄漏發生后，可燃性氣體中含有一定濃度的H2S氣體，對于0類、1類危險區來說，正常的操作情況下可能出現H2S氣體；而對于2類危險區，在不正常的操作條件下，有可能出現H2S氣體[4]。主要的油氣處理系統有：井口采油樹、生產測試管匯、生產分離器、生產加熱器、原油外輸泵、閉排系統、開排系統和冷放空系統。

非危險區域內。非危險區域內也有出現H2S氣體的可能性，在注水單元內的設備，都有發生生產水泄漏的可能性，生產水中溶解有H2S，可能在甲板空間內揮發出來，如注水泵、注水過濾器及除砂器等。

H2S屬于可溶氣體，在常溫常壓下1體積的水中大約能夠溶解2.6體積的H2S氣體，而且溶解度隨壓力的增大、溫度的降低而增加。液態水揮發的蒸汽生成速率很小，其中H2S氣體揮發生成速率非常小，在充分通風的甲板空間內不會對人員產生較大影響，故不建議在注水設備區域加裝固定H2S探頭。

2.1.2人員暴露風險分析

平臺的作業人員一般有平臺長、吊機工、電工、操作工及后勤人員等，對于不同的工種，其職責不同，因此在平臺各個區域內的活動時間分配也不相同。平臺長負責整個平臺的管理，進行巡檢以及對外來作業人員的管理等，工作場所分布在平臺與室內，每層甲板都得關注；操作工負責中控室與平臺的維修，工作于平臺與室內，同時每層甲板都得關注；吊機工負責吊機操作，因此大部分時間工作于平臺的控制室內，基本活躍于上層甲板；電工負責平臺電力電器的日常檢修工作，工作場所為平臺與室內，每層甲板都得關注；后勤負責平臺人員的飲食，工作場所為室內。

從不同工種在不同區域內的H2S環境暴露風險來看，井口平臺危險區域和生活區是重點關注的場所。

2.2H2S探頭探測性能分析

固定式H2S探頭可以24h連續監測現場H2S濃度，監測儀探頭置于現場H2S易泄漏區域[5～10]。

2.2.1H2S探頭工作原理

目前H2S氣體探頭分為兩類，一類為半導體傳感器，另一類為電化學傳感器。

半導體傳感器內裝有MOS感應物質來監測H2S氣體，MOS感應物充滿于兩電極之間，當MOS感應物吸收到H2S氣體時，兩電極間的電阻急劇下降，電阻的下降與所吸收到H2S氣體的量成比例關系。

電化學傳感器中的化學組分同待測氣體發生電化學反應而在其中的兩個電極間產生電位變化，該電位變化同待測氣體的濃度成正比，通過電子方法將該信號同濃度值相對應，就可以直接得到氣體濃度監測值。

兩種傳感器的運行特點：半導體傳感器最大的優點為使用壽命長、工作環境溫度寬，缺點是線性范圍窄、選擇性差、響應時間偏慢、干擾因素多、誤報幾率大；電化學式傳感器的優點是響應時間快、性能比較穩定、選擇性較好、線性范圍比較寬、耗電很小、分辨率0.001‰，缺點為壽命偏短。選用時應權衡側重點做出最佳判斷。

2.2.2H2S探頭反應時間和探測范圍

H2S擴散濃度相同的條件下，在空氣流動性好的區域安裝H2S探頭，探測效果劣于在空氣流動較差區域內進行探測的效果。換句話說，如果剛達到H2S氣體探測報警濃度，但是探頭接觸H2S的時間較短，有可能無法發出報警信號。因此，探頭的反應靈敏度對探測性能至關重要。

依據相關規定：H2S氣體探頭與釋放源的距離，室外不宜大于2m，室內不宜大于1m；安裝位置距地面高度30～60cm。

2.3可燃性氣體探頭

APIRP55中明確指出可以采用固定式可燃氣體監測系統監測潛在H2S危險大氣條件的存在，因此無需完全按照H2S探頭的探測范圍來布置探頭，而且目前也無相關法規要求H2S探頭必須覆蓋整個危險區域。重點部位使用H2S探頭探測，同時發揮平臺甲板可燃性協助探測的作用，是最優的H2S探測方案。

2.4H2S探測裝置的加裝分析

2.4.1H2S固定式探頭的布置

基于H2S泄漏點和人員暴露場所對H2S探頭布置進行分析，并結合探頭的工作原理，以某海洋平臺為例，設計平臺部分H2S探頭加裝位置如圖2、3所示，其中有井口區(20口井)6個、生產管匯兩個、生產加熱器(兩臺)兩個、生產分離器3個、原油外輸泵(4臺)3個、配電間進風口(主與應急)3個。

圖3 H2S探頭布置二

2.4.2H2S在線分析儀的布置

為了實時準確監測分離器中H2S的含量，在分離器的氣相出口安裝H2S在線分析儀，為H2S緩蝕藥劑的選型和注入濃度提供依據。此方案的優點為實時監測，在中控室獲取相關準確信息，可以更加高效地保護設備。

分析儀采用的測量方法有：醋酸鉛紙帶比色法、紫外吸收法、氣相色譜法、電化學法。目前采用第一種方式的偏多，但隨著科學的發展，第3種將成為發展趨勢。

同時，可通過安裝在線H2S腐蝕監測掛片，定期更換分析的方式，篩選出高效的防H2S緩蝕藥劑注入到工藝設備中進行防腐，達到保護設備的目的。此方法的優點為價格相對在線分析儀較便宜，但實時監測的效果不理想。

2.4.3便攜式H2S探測器

依據《海洋石油作業H2S防護安全要求》，配備探測范圍為0.00‰～0.02‰和0.00‰～0.10‰的便攜式H2S探測器各一套放在鉆井監督室或鉆臺上，同時生活區配備幾臺，便于平臺巡查。

3 H2S控制系統方案

將監測到的H2S探頭信號接入中控系統，參考SY 6504-2000《淺海石油作業H2S防護安全規定》和SY/T 6610-2005《含H2S油氣井下作業推薦作法》，設計當探頭監測到H2S氣體時中控系統的聯鎖動作如下[11，12]：

a. 當監測到的H2S氣體濃度達到0.01‰時，中控室控制系統進行H2S氣體泄漏報警。

b. 當監測到的H2S氣體濃度達到0.02‰時(除生活區進風口、中控室進風口、電氣開關間進風口、井口采油樹)，中控室控制系統盤上進行H2S氣體泄漏報警；平臺狀態燈報警；平臺廣播系統進行廣播報警；關斷相應的泄漏設備源頭；切斷作業現場可能出現的著火源；關閉井口平臺組塊工作間和生活樓通風口；啟動噴淋系統進行H2S氣體稀釋、溶解。

c. 當監測到的H2S氣體濃度達到0.05‰或者生活樓進風口、中控室進風口、電氣開關間進風口和井口采油樹監測到的H2S氣體濃度達到0.02‰時，中控室控制系統進行H2S氣體泄漏報警；平臺狀態燈報警；平臺廣播系統進行廣播報警；關停生產設施；切斷作業現場可能出現的著火源；關閉井口平臺組塊工作間和生活樓通風口；啟動噴淋系統進行H2S氣體稀釋、溶解。

d. 當監測到的H2S氣體濃度達到危險臨界濃度0.10‰，且無法控制局面時，組織人員撤離。

4 結束語

海洋石油產液中含H2S是平臺投產后的重大安全隱患，有效進行相關應對措施將保證井口平臺的正常生產與人員安全。筆者分析并給出了H2S的探測分析路線，依據國家法規和行業標準，設計了適合海洋平臺的應對H2S泄漏的氣體監測探頭合理布置方法，同時提出了H2S危害的有效控制方案。該系統在某海洋石油生產平臺上投運后，達到了良好的監測效果，具有推廣應用價值。

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2015-11-03(修改稿)