浮式生產儲油船(FPSO)消防系統設計

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(中海油能源發展采油服務公司,天津 300457)

系泊在井口平臺周圍，用來進行原油處理、存儲及外輸工作的浮式生產儲存卸貨裝置(floating production storage & offloading unit，FPSO)越來越多地應用于海洋石油能源開發中。由于海上石油開采的環境相對惡劣，所以海上生產設施都要求配置安全可靠、反應迅速準確的自動消防報警系統，以保障海上石油的正常生產和工作人員的安全。FPSO距岸較遠，以FPSO全船消防安全保護為目的，消防系統應立足于自救，必須按照獨立的消防系統進行設計[1-2]。

1 FPSO消防系統的基本要求

1)監測報警要及時準確、減少誤報漏報；滅火工作要迅速、有效;

2)對生產流程區域、設備區域、安全區域、住房區域等要劃分為不同的安全等級;

3)根據不同的地點、不同的安全等級，設計相應的監測、報警、處理控制方式，并選擇相應的設備;

4)消防系統應與其它系統相配合，如與應急關斷系統、通風系統等的配合，實現綜合監控;

5)構建FPSO整體的自動消防探測聯動系統。引入所有的監測信號，并根據需要編制全局的控制邏輯，然后輸出相應的處理信號，實現全船自動消防報警處理;

6)在滿足相應規范要求的基礎上，提高系統的經濟性。

2 消防區域的劃分

FPSO設備密集，不同的設備區域有不同的危險源，報警滅火區域如果過大，將會包含眾多設備，其消防隱患也會多種多樣，會對消防設備的選擇和布置帶來一定的困難。如何有效地發現火源隱患并及時處理險情，需要對報警滅火的區域有一個合理的規劃。

考慮油氣生產工藝區、公用區、生活區等各區域危險程度的不同，在FPSO做總布置設計時，應將FPSO按照不同功能模塊及設備布置情況劃分成若干個消防區域，以方便地對各區域進行單獨監控和管理。

劃分安全區域時主要考慮以下幾點因素：①介質種類；②設備的布置和間距；③防火分隔；④隔板和排放管系；⑤探測與消防聯系；⑥同類探測器的布置數量；⑦探測器故障時，易于發現、測試和維修；⑧易于布置通風系統；⑨最大消防區的消防水量在消防泵合理的覆蓋范圍內。

一般FPSO會被劃分為70個左右的消防區。

3 探測部分的設計

3.1 探測器選擇的原則

在不同消防區域劃分的基礎上，應根據不同區域危險源的特性對探測器進行選擇性安裝，探測器的選擇應該考慮以下幾點。

1)火災初期的陰燃階段，產生大量的煙和少量的熱，很少或沒有火焰輻射的場所，選擇感煙探測器。

2)一旦著火，火災發展迅速，產生大量熱和火焰輻射的場所，選擇感溫探測器、火焰探測器或其組合。

3)一旦著火，火災發展迅速，產生強烈的火焰輻射和少量的煙、熱的場所，選擇火焰探測器。

4)使用、生產或聚集可燃氣體或可燃液體的場所，選擇可燃氣體探測器。

5)為防備現場探測器自身故障或由于天氣等原因失靈的情況，在FPSO相應的逃生通道上還需要安裝手動報警站。

3.2 探測器的安裝數量

一個探測區域內所需設置的探測器數量N不應小于下式的計算值。

N=S/(K×A)

(1)

式中：S——需探測區域面積，m2；

A——探測器的保護面積,m2；

K——修正系數，特級保護對象宜取0.7～0.8，一級保護對象宜取0.8～0.9，二級保護對象宜取0.9～1.0。

探測器探測范圍見表1。

表1 探測器保護面積A及保護半徑R

如一個應急機房的室內面積約為60 m2，屬于一級保護，所以修正系數取0.8，感煙探頭在房屋面積小于80 m2，房高小于12 m的情況下，探測器保護面積為80 m2。所以，根據式(1)，感煙探頭的數量為60/(0.8×80)=0.94≈1。

當然，具體安裝的數量還要根據現場情況進行具體的設計，比如設備高度、管線分布等因素都會造成探頭探測范圍的變化，處理不好就會造成探測死角，因此，需要根據具體情況確定。

4 消防滅火部分的設計

4.1 選擇滅火設備的原則

滅火設備的選擇，不但要考慮必須在有效的時間內能控制并撲滅火源，還要考慮對消防區域內的設備進行保護，并且不能因為消防的實施而使設備遭受損害。

1)FPSO位于海上，海水豐富，可以就地取材，以海水作為主要的滅火介質，在滅火的同時還能達到冷卻設備的目的，防止因設備過熱造成進一步的傷害。

2)對于起火后人員不易進入或靠近的場所，采用水噴淋系統進行滅火。

3)對于可能有原油、柴油等流淌性火災的區域，且該區域有較重要設備，應使用泡沫消防系統甚至高倍泡沫系統。

4)對于電氣設備較多，比較密閉的工作間，采用CO2系統。該區域發生火災時，為保證CO2釋放后達到有效濃度，并防止火情蔓延，還要考慮在通風風道處設置擋火風閘系統。

4.2 消防水系統的設計

由于火災消防使用的噴淋系統、泡沫消防系統以及高倍泡沫系統都是以海水作為主要工作介質的，因此消防水及時穩定地供給顯得尤為重要[3]。為了保證火災時消防水的有效供給，需要對消防泵的選用進行合理的設計。

4.2.1 消防泵的設計要求

1)消防水泵。消防水泵的流量應能滿足系統范圍內最大消防水量的要求。消防水泵揚程的計算，應按消防環網中一條主干管發生故障時，其余的主干管仍能通過全部消防水量的前提下，計算最不利點所需要的水泵揚程。最不利點的確定應充分考慮最大的消防水量、系統中距消防泵房的最遠點、系統中地勢最高等綜合因素，分別進行計算比較確定[4]。

2)穩壓泵。穩壓水泵設計應盡量選用流量-揚程曲線陡落的泵型。穩壓泵的揚程根據消防系統的要求確定，穩壓范圍不宜過高，壓力過高對管網材質和施工要求高，整個系統也易發生泄露，可適當低于消防水泵的揚程，但最小揚程不得低于最不利點設備所需的靜壓頭的要求。對石油化工企業而言，穩壓泵流量一般選擇10～50 m3/h，揚程70～80 m。

3)消防泵聯動要求。有關規范僅要求消防水泵自動控制，但未作詳細的規定。但是本著能實現消防水泵自啟動、故障狀態下自保和及時報警的基本要求，儀表、電氣的聯鎖宜從簡設置。一方面可節約投資，另一方面可避免因聯鎖過于復雜而導致故障率高，反而會影響系統的正常使用，增加了維護量。

穩高壓消防最基本的要求就是消防水泵能自啟動。當管網壓力(可設定在穩壓水泵的出水母管上)降至設定值(一般為0.65～0.70 MPa)時，壓力報警并輸出信號啟動消防水泵。如第1臺消防水泵故障不能啟動，則自動啟動第2臺消防水泵。當水泵出水管閥前壓力達到設定值時自動開啟出水管上的控制閥門，完成向消防管網送水的過程(整個過程在1～2 min內完成)。

消防水泵啟動后應聯鎖停止穩壓泵工作并自動關閉其出水閥。

4.2.2 消防水系統的設計理念

以海洋石油112 FPSO為例。

機艙內設有兩臺電動消防泵,從與海底門相連接的海水總管提取海水并向機泵艙、主甲板、艉樓甲板、直升機甲板、生活樓居住艙室、及機泵艙高倍泡沫系統、主甲板泡沫消防系統和直升機甲板泡沫消防系統提供消防海水。平常消防海水管路內充滿海水，并由機艙內的消防海水壓力柜來保持1.20 MPa的壓力,當壓力降到1.05 MPa時，消防海水增壓泵自動啟動；當壓力進一步降至1.00 MPa時，則自動啟動機艙內的1號電動消防泵；當壓力進一步降至0.90 MPa時，則自動啟動機艙內的2號電動消防泵，投入消防滅火作業。電動消防泵的啟動還可在中控室，消防控制室、機艙泵旁控制箱、艉樓甲板泡沫間、直升飛機甲板泡沫間按下啟動銨鈕啟動。

消防海水增加泵的作用是將消防總管的壓力保持在1.20 MPa。正常情況下，消防總管內充滿海水。壓力柜有4個壓力開關與消防海水增壓泵連接。當消防總管內的壓力降至1.05 MPa時，壓力開關動作使消防增壓泵自動啟動，抽吸海水總管中的海水，向消防總管補充海水，使其壓力增至1.20 MPa；當消防總管內壓力達到1.20 MPa 時，壓力開關動作使得消防海水增壓泵自動停止，當消防總管內壓力降至1.00 MPa時，啟動一臺電動消防泵向消防總管供海水。當消防總管內壓力降至0.90 MPa時，另一臺電動消防泵自動啟動，兩臺電動消防泵同時向消防總管供海水，執行消防作業。

消防淡水增壓泵的作用是將水噴琳管路的壓力保持在1.40 MPa。正常情況下，水噴琳管內充滿淡水。消防淡水增壓泵和消防淡水壓力柜與淡水管線聯連一起，壓力柜有4個壓力開關與消防淡水增壓泵連接。當水噴琳管內的壓力降至1.25 MPa時，壓力開關動作使消防增壓泵自動啟動，抽吸淡水艙中的淡水，向水噴琳管補充淡水，執行艙室消防作業。當水噴琳管的內壓力達到1.40 MPa時，壓力開關動作，消防淡水泵停止。

如果機艙內出現火情或電站等處出現火情，則要啟動應急柴油消防泵。應急柴油消防泵布置在遠離機艙和電站的艏部主甲板下平臺處，設有獨立的圓筒形海底門，通過柴油機前端驅動的液壓單元提供液壓動力所驅動的深井泵提升海水，并由此柴油機的后端輸出軸驅動增壓泵為消防海水增壓，向全船消防管系供給消防水。應急消防設施由一臺柴油機和機帶液壓泵、液壓油驅動深井泵、圓筒形海底門、消防海水管線、消防閥等組成。

5 消防控制部分的設計

探測部分和滅火部分承擔著探測和滅火工作。二者的作用應有效地結合，使探測到的火情能及時準確地發送給滅火部分，啟動相應的滅火設備，完成對火災撲滅的實施。探測與消防兩部分之間不能是簡單的信號傳遞，還要對輸入的火情進行判斷、報警、顯示，這就需要一套能及時處理火情信息、進行正確的邏輯判斷、及時發出滅火命令的消防控制部分。

5.1 對消防控制部分的基本要求

消防控制部分是整個消防系統的大腦，它與現場探測設備、消防滅火設備之間相連，與應急關斷系統、PA系統有相應接口，具有自動探測火災和可燃氣體泄漏、按表決邏輯自動啟動和手動啟動報警、CO2消防系統、自動/手動執行火氣狀態應急關斷邏輯、故障容錯，以及對網絡、現場探測設備和系統進行診斷的功能。

消防系統的控制部分主要作用是及時、準確地根據探測器探測到可能或已經發生的可燃氣體泄漏事故和火情做出判斷，并對意外危險火源進行報警。在危險情況下，通過手動和自動兩種方式啟動FPSO上的消防系統，以保護人員和設施的安全。

消防系統的控制邏輯及操作、顯示功能由安裝于中控室的控制系統完成。

5.2 控制部分主要結構的搭建

海上FPSO消防系統的控制結構示見圖1。

圖1 控制結構

消防控制系統是獨立的PLC控制系統，它運行著全FPSO的消防控制邏輯，實時監測現場的所有探測設備的狀態，并根據設定好的控制邏輯進行判斷，自動做出相應的消防滅火動作。為了更直觀地對消防系統進行管理和操作，一般還需要設計安裝集中控制矩陣板。同時消防控制系統同中控室的DCS、ESD系統進行通訊，在DCS上直觀顯示，并在火災發生時對ESD系統發出相應級別的關斷信號。

5.3 系統表決功能的設定

FPSO火氣探測系統具有火災探測及氣體泄漏報警的功能，但是在報警的時候要考慮到探頭存在故障、失效、誤報的可能；誤報容易造成生產上不必要的關斷，影響產量；故障或失效容易貽誤報警的最佳時機，從而造成不必要的損失。所以為了減少因探測器問題而影響系統整體的可靠性，在進行系統設計時考慮了邏輯表決功能。即在某個需要報警并需要產生相應關斷的區域里，當M個同種探測器中有N個同時報警并達到系統設定的火災確認時(N

表2邏輯形式對比

通過上述對比不難發現，M選2的邏輯形式是較為可靠和安全的。海上FPSO的火氣系統邏輯設計采用該邏輯形式進行表決。系統對不同的探測器需要報警及觸發相應應急關斷的要求各不相同。

1)可燃氣探頭。每一個可燃氣體探頭在20%和50%濃度時均會在操作站上單獨進行低報警和高報警。當某一個區域內有兩個可燃氣體探頭同時達到50%濃度報警時，將產生可燃氣體泄漏關斷報警，并觸發相應級別的應急關斷。例如：風機室內裝置了3個可燃氣體探頭，當每一個可燃氣體探頭在20%和50%濃度時均會在操作站上單獨報警；當3個可燃氣體探頭中有兩個可燃氣體探頭同時達到50%濃度報警時，系統將發出可燃氣體泄露報警，并往應急關斷系統發送信號，應急關斷系統將觸發關斷。

2)火焰探頭。每一個火焰探頭會在操作站上單獨報警并顯示，當某一個區域內有兩個火焰探頭同時報警時，則觸發相應級別的應急關斷。例如：如果某個區域裝置了3個火焰探頭，每個火焰探頭會在操作站上單獨報警并顯示。當3個火焰探頭中有兩個火焰探頭同時報警時，系統將發出火災關斷信號給應急關斷系統，應急關斷系統將觸發這個級別的關斷。每個感煙探頭和熱探頭的工作原理同火焰探頭一樣。

3)手動報警站。因為手動報警站一般都是人為觸發報警，人觸發它是在目測確定有可燃氣泄露或火災發生的情況下，所以它的報警在程序設計時沒有考慮邏輯表決功能。單個的觸發就能報警并產生相應的關斷。

5.4 集中控制矩陣板的設計

因為FPSO所分消防區域較多，為了能更直觀地了解消防系統的各種信息，方便系統的管理，還需設計安裝火/氣報警及消防集中控制矩陣板(FGS MATRIX PANEL)。

火/氣報警及消防集中控制矩陣板(FGS MATRIX PANEL)可以采用馬賽克的型式，配有冗余的電源模塊，每一格馬賽克上可以刻字、裝銨鈕、轉換開關及指示燈等附件，并且這些附件都是同一尺寸的標準模塊。

在板上能顯示火氣報警分區情況及每一個火區內單個火氣報警信號(未表決過)、表決過的火氣報警信號、火警手動銨鈕的狀態、防火風閘的開閉指示等，并能用鑰匙開關根據需要對各個火區進行分別的屏蔽和復位，且能對消防設備(消防泵、CO2、噴淋閥等)進行手動操作以及狀態檢測。

矩陣板的各個點直接與消防控制系統連接，它的最大好處在于集中控制、安全可靠、維修簡單。

[1] 高金慶.灘海地區海上固定平臺消防設計的特點.工業用水與廢水，2002(6)：62-63.

[2] 鄧 波.埕島中心二號平臺消防系統設計[J].給水排水，2005(2)：73-75.

[3] 蔡 濤.海上平臺消防水系統設計[C]∥中國國際救撈論壇組委會.第五屆中國國際救撈論壇論文集.北京：海洋出版社，2008：282-285.

[4] 孟凡昌.海洋固定平臺消防泵參數設計[J].石油和化工設備,2010(12)：44-46.