FPSO货油舱覆盖气冷放空扩散分析

刘云，杨亮，刘向东，张立敏，杨天宇

（1.中海油研究总院有限责任公司， 北京 100028）

（2.中海石油气电集团有限责任公司， 北京 100028）

1 研究背景

冷放空系统是FPSO上重要的安全系统，其合理设计与安全排放直接影响FPSO的生产与安全[1]。冷放空系统流程简单，设计参数较少，但气体泄放后在大气中的扩散运动十分复杂，无法通过实验手段进行测定[2]。

本文以南海某油田为例，该油田采用水下生产系统回接FPSO的全海式开发模式。该油田井流物中含硫化氢，在原油处理流程中，一部分硫化氢溶解在原油中，随合格原油进入货油舱。在长时间的储存过程中，原油中的硫化氢析出，随覆盖气进入船体冷放空系统排放至大气。硫化氢密度比空气大，若在FPSO主甲板上聚集，将大大影响FPSO操作人员的安全。对此，本文运用Fluent软件对冷放空泄放气体中硫化氢浓度进行了模拟计算与分析，以确保硫化氢对人员安全无影响。

2 基础数据及计算模型

南海某F P S O 总体布置如图1 所示，船体长258m，船体宽44m，船体甲板至船底高度26.55m，主要设备有内转塔、油气水处理模块、生活楼、锅炉等。

图1 某FPSO总体布置图

含硫化氢原油下舱储存，在货油舱中会不断有硫化氢气体析出。随着时间的推移，硫化氢在大舱覆盖气中富集，使得覆盖气中硫化氢含量不断增加。覆盖气中的硫化氢含量与大舱进油周期、外输周期有关。根据现场实测数据，货油舱覆盖气中硫化氢含量高达10000～60000ppm之间，因此很有必要对FPSO甲板周围的硫化氢气体浓度进行模拟计算。

SY 6137-2012《含硫化氢油田生产和天然气处理装置作业安全技术规程》中规定，工作人员在露天工作8h可接受的硫化氢最高浓度为20ppm；当硫化氢浓度达到100ppm时，对生命和健康会产生不可逆转的或延迟性的影响。因此，选取货油舱覆盖气中硫化氢含量60000ppm这一最危险工况进行扩散气体模拟分析。

该FPSO冷放空管高19.12m，直径为40cm，货油舱进舱油量1717m3/d，放空口出口气速0.158m/s。冷放空泄放气体组分见表1。

表1 冷放空泄放气体组分

根据船体主尺度和上部模块尺寸进行物理建模。选择计算区域为700m×100m×150m，利用GAMBIT软件进行建模和网格划分，网格类型为四面体。冷放空管设为速度入口边界，六面体计算区域的右侧为进风面，设为速度入口边界，其它五个面设为压力出口边界。用Fluent软件进行数值模拟，采用k-epsilon湍流模型和组分传输模型，考虑了重力对气体扩散的影响，用SIMPLE算法进行求解。风向按风吹向生产、生活区域这一最危险工况考虑，且风速保持稳定。

3 工况模拟与分析

将冷放空气体吹向平台的方向作为计算的最危险风向。假定无风以及风速分别为1m/s、2m/s、5m/s、10m/s、15m/s六种工况，通过模拟得到不同工况下硫化氢气体浓度分布图，见图2。

图2 不同风速下硫化氢扩散浓度分布图

从图2对比可看出，由于硫化氢密度比空气大，无风情况下缓慢沉降，容易在甲板上不断聚集，经过一段时间后放空管附近硫化氢浓度高达20ppm。在有风情况下，硫化氢放空后更容易扩散稀释，高浓度硫化氢主要集中在放空口附近，工艺设备及甲板附近硫化氢浓度约1ppm。且风速越大，高浓度硫化氢的区域越小，说明风速越大对硫化氢的稀释扩散越有利。

根据该地区风速风向概率统计，无风概率仅为0.55%，结合模拟结果可以得出，此FPSO货油舱含硫化氢覆盖气冷放空对甲板上人员操作基本

对于已建含硫化氢的油田，尤其是利用FPSO货油舱储油的情况，建议定期检测大舱覆盖气硫化氢浓度；覆盖气硫化氢含量较高时，及时通过惰气对大舱覆盖气进行吹扫，减少硫化氢富集，从而降低冷放空气体中硫化氢含量。对于新建含硫化氢油田，新建FPSO在前期设计中应考虑将大舱透气管线集中布置，通过增加冷放空罐长度保证放空气体扩散对人员的影响。同时，应考虑在上部模块工艺流程中增加汽提等工艺，尽量降低进舱原油中硫化氢含量。渤海有部分油田采用注入硫化氢抑制剂的方式降低井流物硫化氢含量，该方式值得参考借鉴。

4 结论

本次模拟选取最危险风向即风吹向工艺设备和生活楼的方向，且对六种风速的工况进行模拟，得到如下结论：

（1）硫化氢气体在无风条件下容易在重力作用下不断沉降并在甲板上聚集，此时放空口附近浓度最大，属于最危险区域；

（2）硫化氢气体扩散受风速影响较大，风速越大，对泄放气体的喷射稀释作用越强，有利于硫化氢扩散，降低甲板硫化氢浓度。

因此，建议含硫化氢油田开发利用FPSO储油时，要重点考虑合格原油在货油舱中有硫化氢析出，与覆盖气一同冷放空的安全性，特别是无风条件下是否对甲板工作人员安全产生影响。