海上油氣平臺硫化氫探測設備布置與選型研究

平 洋

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

海上油氣平臺在生產過程中通常會產生硫化氫氣體，該氣體具有較強毒性和可燃性。因此，硫化氫氣體的泄漏對海上油氣平臺生產和人員安全存在極大危害。本文介紹了海上油氣平臺硫化氫氣體探測設備布置方法，并在此基礎上結合項目應用實例進行布置優化分析，保證平臺平穩生產和人員安全，為硫化氫探測設備的進一步推廣應用提供參考。

1 硫化氫氣體特性及探測要求

硫化氫是可燃性無色氣體，空氣中爆炸極限為4.3%～45.5%（體積比），自燃溫度260℃；硫化氫也是強烈的神經毒物，對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，表現為中樞神經系統癥狀和窒息癥狀。

海上平臺油氣田設施上設置的探測系統應能及時、準確地探測硫化氫氣體，盡早地進行邏輯分析、處理，實現報警，保護平臺操作人員及生產設施的安全。

表1 硫化氫濃度與毒害作用對應表Table 1 Corresponding table of hydrogen sulfide concentration and toxicity

表2 硫化氫探測設備的性能參數Table 2 Performance parameters of hydrogen sulfide detection equipment

在含硫化氫的海洋油田生產設施作業中，應評估環境的苛刻程度。如果工作區域的硫化氫濃度8h 加權平均數（TWZ）高于閾限值15mg/m3（10ppm），應提供個人保護。

當平臺工藝系統中的硫化氫氣體發生泄漏，或者硫化氫從泄漏的液態流體中散發出來的時候，探測系統能否及時地探測到，應考慮3 個因素：

① 探頭位置是否接近于含有泄漏源的泄漏區域內。

② 探頭位置在最大可能檢測到泄漏或擴散出來的硫化氫氣體方向。

③ 探頭在規定的響應時間內能否對接觸到的硫化氫做出報警。

2 硫化氫探測設備布置方法

目前，海上平臺使用的硫化氫探測設備主要有固定式和便攜式兩種。當現場需24h 連續監測硫化氫濃度時，應采用固定式硫化氫探測設備，探頭的多少可以根據現場測定點的數量來確定。探頭置于現場硫化氫易泄漏區域，應安裝在整個工作區域都能探測的位置。

如果大氣中的硫化氫濃度達到或超過15mg/m3（10ppm），海上油田鉆井平臺應配備探測范圍0ppm ～20ppm 和0ppm ～100ppm 的便攜式硫化氫探測設備各一套[1]。便攜式硫化氫探測設備的第1 級預警閾值均應設置在10ppm，第2 級報警閾值均應設置在20ppm。

2.1 固定式硫化氫探測設備布置推薦位置

針對含硫化氫的海洋油氣田生產設施，通過對泄漏區域、擴散路徑及人員經常暴露場所的分析，平臺的作業人員一般有平臺長、吊機工、電工、操作工等，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。從不同工種在不同區域內硫化氫環境暴露風險來看，油氣處理系統危險區域及生活區是重點關注的場所。

固定式探頭的布置如下：

1）含硫化氫的采油設施

①井口采油樹；②生產測試管匯；③生產分離器；④生產加熱器；⑤閉排罐；⑥開排罐；⑦冷放空系統；⑧清管球發射器；⑨硫化氫可能聚集的其他區域，如泄壓和排放口。

2）生活樓：生活區進風口。

3）組塊房間：電氣開關間進風口、中控室進風口。

2.2 固定式硫化氫探測設備安裝要求

固定硫化氫探測設備安裝位置為離地面高度300mm ～600mm，同時探測器布置及相關安裝要求應結合生產廠商的要求為基礎，布置范圍要求如下[2]：

圖1 油氣平臺生產區域硫化氫和可燃氣探測設備布置圖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放或半開放場所，當檢測點位于釋放源的最小頻率風向的上風側時，有毒氣體檢測點與釋放源的距離不宜大于2m；當檢測點位于釋放源的最小頻率風向的下風側時，有毒氣體檢測點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所，有毒氣體檢測器距釋放源不宜大于1m。

3 硫化氫探測設備選型

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

固體金屬氧化物半導體檢測硫化氫氣體，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硅芯片上，加熱片將氣敏片的工作溫度提升到能對硫化氫氣體反應的水平，氣敏片上有金屬氧化物，可動態地顯示硫化氫氣體濃度的變化。

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檢測值。

表3 硫化氫探測設備優化布置數量統計Table 3 Quantity statistics of optimized layout of hydrogen sulfide detection equipment

兩種傳感器性能對比：MOS 半導體傳感器優點為工作環境溫度寬，使用壽命長；缺點為線性范圍窄，選擇性差，響應時間偏慢，干擾因素多，誤報幾率大。電化學的特點是響應時間快，性能比較穩定，選擇性較好、線性范圍比較寬，耗電很小，分辨率可達1ppm；缺點為工作環境溫度窄。根據兩種傳感器性能特點，目前海上油氣平臺主要采用電化學傳感器。

4 項目應用實例

某項目油田為高含硫油田，硫化氫探測設備主要布置在井口區、電加熱器、測試管匯、測試分離器、物流閥區等重要生產設備設施周邊。主要區域布置圖如圖1 所示。

在圖1 中，同一區域內硫化氫探測設備數量略少于可燃氣探測設備數量。因為在硫化氫泄漏的過程中一般伴隨著可燃氣的泄漏，可燃氣探頭對硫化氫氣體的泄漏也起到一定的輔助檢測作用。因此，在可燃氣探測設備布置密集區域，硫化氫探測設備數量可適當減少[3]，充分發揮可燃氣探測設備的輔助監測作用，實現布置方案優化。

5 結束語

本文介紹了海上油氣平臺硫化氫探測設備布置和選型方法，對硫化氫探測設備布置位置、安裝要求、性能參數進行總結，并結合項目實例進行布置優化，為硫化氫探測設備的進一步推廣應用提供參考。