海上油氣平臺(tái)硫化氫探測(cè)設(shè)備布置與選型研究

平 洋

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

海上油氣平臺(tái)在生產(chǎn)過(guò)程中通常會(huì)產(chǎn)生硫化氫氣體，該氣體具有較強(qiáng)毒性和可燃性。因此，硫化氫氣體的泄漏對(duì)海上油氣平臺(tái)生產(chǎn)和人員安全存在極大危害。本文介紹了海上油氣平臺(tái)硫化氫氣體探測(cè)設(shè)備布置方法，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行布置優(yōu)化分析，保證平臺(tái)平穩(wěn)生產(chǎn)和人員安全，為硫化氫探測(cè)設(shè)備的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供參考。

1 硫化氫氣體特性及探測(cè)要求

硫化氫是可燃性無(wú)色氣體，空氣中爆炸極限為4.3%～45.5%（體積比），自燃溫度260℃；硫化氫也是強(qiáng)烈的神經(jīng)毒物，對(duì)粘膜亦有明顯的刺激作用。較低濃度，即可引起呼吸道及眼粘膜的局部刺激作用；濃度愈高，全身性作用愈明顯，表現(xiàn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀和窒息癥狀。

海上平臺(tái)油氣田設(shè)施上設(shè)置的探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)、準(zhǔn)確地探測(cè)硫化氫氣體，盡早地進(jìn)行邏輯分析、處理，實(shí)現(xiàn)報(bào)警，保護(hù)平臺(tái)操作人員及生產(chǎn)設(shè)施的安全。

表1 硫化氫濃度與毒害作用對(duì)應(yīng)表Table 1 Corresponding table of hydrogen sulfide concentration and toxicity

表2 硫化氫探測(cè)設(shè)備的性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of hydrogen sulfide detection equipment

在含硫化氫的海洋油田生產(chǎn)設(shè)施作業(yè)中，應(yīng)評(píng)估環(huán)境的苛刻程度。如果工作區(qū)域的硫化氫濃度8h 加權(quán)平均數(shù)（TWZ）高于閾限值15mg/m3（10ppm），應(yīng)提供個(gè)人保護(hù)。

當(dāng)平臺(tái)工藝系統(tǒng)中的硫化氫氣體發(fā)生泄漏，或者硫化氫從泄漏的液態(tài)流體中散發(fā)出來(lái)的時(shí)候，探測(cè)系統(tǒng)能否及時(shí)地探測(cè)到，應(yīng)考慮3 個(gè)因素：

① 探頭位置是否接近于含有泄漏源的泄漏區(qū)域內(nèi)。

② 探頭位置在最大可能檢測(cè)到泄漏或擴(kuò)散出來(lái)的硫化氫氣體方向。

③ 探頭在規(guī)定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)能否對(duì)接觸到的硫化氫做出報(bào)警。

2 硫化氫探測(cè)設(shè)備布置方法

目前，海上平臺(tái)使用的硫化氫探測(cè)設(shè)備主要有固定式和便攜式兩種。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)需24h 連續(xù)監(jiān)測(cè)硫化氫濃度時(shí)，應(yīng)采用固定式硫化氫探測(cè)設(shè)備，探頭的多少可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定點(diǎn)的數(shù)量來(lái)確定。探頭置于現(xiàn)場(chǎng)硫化氫易泄漏區(qū)域，應(yīng)安裝在整個(gè)工作區(qū)域都能探測(cè)的位置。

如果大氣中的硫化氫濃度達(dá)到或超過(guò)15mg/m3（10ppm），海上油田鉆井平臺(tái)應(yīng)配備探測(cè)范圍0ppm ～20ppm 和0ppm ～100ppm 的便攜式硫化氫探測(cè)設(shè)備各一套[1]。便攜式硫化氫探測(cè)設(shè)備的第1 級(jí)預(yù)警閾值均應(yīng)設(shè)置在10ppm，第2 級(jí)報(bào)警閾值均應(yīng)設(shè)置在20ppm。

2.1 固定式硫化氫探測(cè)設(shè)備布置推薦位置

針對(duì)含硫化氫的海洋油氣田生產(chǎn)設(shè)施，通過(guò)對(duì)泄漏區(qū)域、擴(kuò)散路徑及人員經(jīng)常暴露場(chǎng)所的分析，平臺(tái)的作業(yè)人員一般有平臺(tái)長(zhǎng)、吊機(jī)工、電工、操作工等，對(duì)于不同的工種，其職責(zé)不同。因此，在平臺(tái)各個(gè)區(qū)域內(nèi)的活動(dòng)時(shí)間分配也不相同。從不同工種在不同區(qū)域內(nèi)硫化氫環(huán)境暴露風(fēng)險(xiǎn)來(lái)看，油氣處理系統(tǒng)危險(xiǎn)區(qū)域及生活區(qū)是重點(diǎn)關(guān)注的場(chǎng)所。

固定式探頭的布置如下：

1）含硫化氫的采油設(shè)施

①井口采油樹；②生產(chǎn)測(cè)試管匯；③生產(chǎn)分離器；④生產(chǎn)加熱器；⑤閉排罐；⑥開(kāi)排罐；⑦冷放空系統(tǒng)；⑧清管球發(fā)射器；⑨硫化氫可能聚集的其他區(qū)域，如泄壓和排放口。

2）生活樓：生活區(qū)進(jìn)風(fēng)口。

3）組塊房間：電氣開(kāi)關(guān)間進(jìn)風(fēng)口、中控室進(jìn)風(fēng)口。

2.2 固定式硫化氫探測(cè)設(shè)備安裝要求

固定硫化氫探測(cè)設(shè)備安裝位置為離地面高度300mm ～600mm，同時(shí)探測(cè)器布置及相關(guān)安裝要求應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)廠商的要求為基礎(chǔ)，布置范圍要求如下[2]：

圖1 油氣平臺(tái)生產(chǎn)區(qū)域硫化氫和可燃?xì)馓綔y(cè)設(shè)備布置圖Fig.1 Layout of hydrogen sulfide and combustible gas detection equipment in production area of oil and gas platform

1）有毒氣體釋放源在室外開(kāi)放或半開(kāi)放場(chǎng)所，當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)位于釋放源的最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)時(shí)，有毒氣體檢測(cè)點(diǎn)與釋放源的距離不宜大于2m；當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)位于釋放源的最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)時(shí)，有毒氣體檢測(cè)點(diǎn)與釋放源的距離不宜大于1m。

2）有毒氣體釋放源處于封閉場(chǎng)所，有毒氣體檢測(cè)器距釋放源不宜大于1m。

3 硫化氫探測(cè)設(shè)備選型

目前硫化氫氣體探頭分兩類，一類為固體氧化物MOS半導(dǎo)體傳感器，另一類為電化學(xué)傳感器。

固體金屬氧化物半導(dǎo)體檢測(cè)硫化氫氣體，傳感器由兩片薄片組成：一片是加熱片，另一片是對(duì)硫化氫氣體敏感的氣敏片。兩片薄片都以真空鍍膜的方式安裝在一個(gè)硅芯片上，加熱片將氣敏片的工作溫度提升到能對(duì)硫化氫氣體反應(yīng)的水平，氣敏片上有金屬氧化物，可動(dòng)態(tài)地顯示硫化氫氣體濃度的變化。

電化學(xué)傳感器中的化學(xué)組分同待測(cè)氣體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而在其中的兩個(gè)電極間產(chǎn)生電位變化，該電位變化同待測(cè)氣體的濃度成正比，通過(guò)電子方法將該信號(hào)同濃度值相對(duì)應(yīng)，就可以直接得到氣體濃度檢測(cè)值。

表3 硫化氫探測(cè)設(shè)備優(yōu)化布置數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 3 Quantity statistics of optimized layout of hydrogen sulfide detection equipment

兩種傳感器性能對(duì)比：MOS 半導(dǎo)體傳感器優(yōu)點(diǎn)為工作環(huán)境溫度寬，使用壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)為線性范圍窄，選擇性差，響應(yīng)時(shí)間偏慢，干擾因素多，誤報(bào)幾率大。電化學(xué)的特點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間快，性能比較穩(wěn)定，選擇性較好、線性范圍比較寬，耗電很小，分辨率可達(dá)1ppm；缺點(diǎn)為工作環(huán)境溫度窄。根據(jù)兩種傳感器性能特點(diǎn)，目前海上油氣平臺(tái)主要采用電化學(xué)傳感器。

4 項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例

某項(xiàng)目油田為高含硫油田，硫化氫探測(cè)設(shè)備主要布置在井口區(qū)、電加熱器、測(cè)試管匯、測(cè)試分離器、物流閥區(qū)等重要生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施周邊。主要區(qū)域布置圖如圖1 所示。

在圖1 中，同一區(qū)域內(nèi)硫化氫探測(cè)設(shè)備數(shù)量略少于可燃?xì)馓綔y(cè)設(shè)備數(shù)量。因?yàn)樵诹蚧瘹湫孤┑倪^(guò)程中一般伴隨著可燃?xì)獾男孤扇細(xì)馓筋^對(duì)硫化氫氣體的泄漏也起到一定的輔助檢測(cè)作用。因此，在可燃?xì)馓綔y(cè)設(shè)備布置密集區(qū)域，硫化氫探測(cè)設(shè)備數(shù)量可適當(dāng)減少[3]，充分發(fā)揮可燃?xì)馓綔y(cè)設(shè)備的輔助監(jiān)測(cè)作用，實(shí)現(xiàn)布置方案優(yōu)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了海上油氣平臺(tái)硫化氫探測(cè)設(shè)備布置和選型方法，對(duì)硫化氫探測(cè)設(shè)備布置位置、安裝要求、性能參數(shù)進(jìn)行總結(jié)，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行布置優(yōu)化，為硫化氫探測(cè)設(shè)備的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供參考。