浮式生產(chǎn)儲油船(FPSO)消防系統(tǒng)設(shè)計

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(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)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(chǎn)儲存卸貨裝置(floating production storage & offloading unit，F(xiàn)PSO)越來越多地應(yīng)用于海洋石油能源開發(fā)中。由于海上石油開采的環(huán)境相對惡劣，所以海上生產(chǎn)設(shè)施都要求配置安全可靠、反應(yīng)迅速準(zhǔn)確的自動消防報警系統(tǒng)，以保障海上石油的正常生產(chǎn)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(tǒng)應(yīng)立足于自救，必須按照獨立的消防系統(tǒng)進行設(shè)計[1-2]。

1 FPSO消防系統(tǒng)的基本要求

1)監(jiān)測報警要及時準(zhǔn)確、減少誤報漏報；滅火工作要迅速、有效;

2)對生產(chǎn)流程區(qū)域、設(shè)備區(qū)域、安全區(qū)域、住房區(qū)域等要劃分為不同的安全等級;

3)根據(jù)不同的地點、不同的安全等級，設(shè)計相應(yīng)的監(jiān)測、報警、處理控制方式，并選擇相應(yīng)的設(shè)備;

4)消防系統(tǒng)應(yīng)與其它系統(tǒng)相配合，如與應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等的配合，實現(xiàn)綜合監(jiān)控;

5)構(gòu)建FPSO整體的自動消防探測聯(lián)動系統(tǒng)。引入所有的監(jiān)測信號，并根據(jù)需要編制全局的控制邏輯，然后輸出相應(yīng)的處理信號，實現(xiàn)全船自動消防報警處理;

6)在滿足相應(yīng)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

2 消防區(qū)域的劃分

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

考慮油氣生產(chǎn)工藝區(qū)、公用區(qū)、生活區(qū)等各區(qū)域危險程度的不同，在FPSO做總布置設(shè)計時，應(yīng)將FPSO按照不同功能模塊及設(shè)備布置情況劃分成若干個消防區(qū)域，以方便地對各區(qū)域進行單獨監(jiān)控和管理。

劃分安全區(qū)域時主要考慮以下幾點因素：①介質(zhì)種類；②設(shè)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(lián)系；⑥同類探測器的布置數(shù)量；⑦探測器故障時，易于發(fā)現(xiàn)、測試和維修；⑧易于布置通風(fēng)系統(tǒng)；⑨最大消防區(qū)的消防水量在消防泵合理的覆蓋范圍內(nèi)。

一般FPSO會被劃分為70個左右的消防區(qū)。

3 探測部分的設(shè)計

3.1 探測器選擇的原則

在不同消防區(qū)域劃分的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)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(yīng)該考慮以下幾點。

1)火災(zāi)初期的陰燃階段，產(chǎn)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(zāi)發(fā)展迅速，產(chǎn)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(zāi)發(fā)展迅速，產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(yīng)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(shù)量

一個探測區(qū)域內(nèi)所需設(shè)置的探測器數(shù)量N不應(yīng)小于下式的計算值。

N=S/(K×A)

(1)

式中：S——需探測區(qū)域面積，m2；

A——探測器的保護面積,m2；

K——修正系數(shù)，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(yīng)急機房的室內(nèi)面積約為60 m2，屬于一級保護，所以修正系數(shù)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(jù)式(1)，感煙探頭的數(shù)量為60/(0.8×80)=0.94≈1。

當(dāng)然，具體安裝的數(shù)量還要根據(jù)現(xiàn)場情況進行具體的設(shè)計，比如設(shè)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(jù)具體情況確定。

4 消防滅火部分的設(shè)計

4.1 選擇滅火設(shè)備的原則

滅火設(shè)備的選擇，不但要考慮必須在有效的時間內(nèi)能控制并撲滅火源，還要考慮對消防區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進行保護，并且不能因為消防的實施而使設(shè)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(zhì)，在滅火的同時還能達到冷卻設(shè)備的目的，防止因設(shè)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(tǒng)進行滅火。

3)對于可能有原油、柴油等流淌性火災(zāi)的區(qū)域，且該區(qū)域有較重要設(shè)備，應(yīng)使用泡沫消防系統(tǒng)甚至高倍泡沫系統(tǒng)。

4)對于電氣設(shè)備較多，比較密閉的工作間，采用CO2系統(tǒng)。該區(qū)域發(fā)生火災(zāi)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(fēng)風(fēng)道處設(shè)置擋火風(fēng)閘系統(tǒng)。

4.2 消防水系統(tǒng)的設(shè)計

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

4.2.1 消防泵的設(shè)計要求

1)消防水泵。消防水泵的流量應(yīng)能滿足系統(tǒng)范圍內(nèi)最大消防水量的要求。消防水泵揚程的計算，應(yīng)按消防環(huán)網(wǎng)中一條主干管發(fā)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(yīng)充分考慮最大的消防水量、系統(tǒng)中距消防泵房的最遠點、系統(tǒng)中地勢最高等綜合因素，分別進行計算比較確定[4]。

2)穩(wěn)壓泵。穩(wěn)壓水泵設(shè)計應(yīng)盡量選用流量-揚程曲線陡落的泵型。穩(wěn)壓泵的揚程根據(jù)消防系統(tǒng)的要求確定，穩(wěn)壓范圍不宜過高，壓力過高對管網(wǎng)材質(zhì)和施工要求高，整個系統(tǒng)也易發(fā)生泄露，可適當(dāng)?shù)陀谙浪玫膿P程，但最小揚程不得低于最不利點設(shè)備所需的靜壓頭的要求。對石油化工企業(yè)而言，穩(wěn)壓泵流量一般選擇10～50 m3/h，揚程70～80 m。

3)消防泵聯(lián)動要求。有關(guān)規(guī)范僅要求消防水泵自動控制，但未作詳細的規(guī)定。但是本著能實現(xiàn)消防水泵自啟動、故障狀態(tài)下自保和及時報警的基本要求，儀表、電氣的聯(lián)鎖宜從簡設(shè)置。一方面可節(jié)約投資，另一方面可避免因聯(lián)鎖過于復(fù)雜而導(dǎo)致故障率高，反而會影響系統(tǒng)的正常使用，增加了維護量。

穩(wěn)高壓消防最基本的要求就是消防水泵能自啟動。當(dāng)管網(wǎng)壓力(可設(shè)定在穩(wěn)壓水泵的出水母管上)降至設(shè)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(dāng)水泵出水管閥前壓力達到設(shè)定值時自動開啟出水管上的控制閥門，完成向消防管網(wǎng)送水的過程(整個過程在1～2 min內(nèi)完成)。

消防水泵啟動后應(yīng)聯(lián)鎖停止穩(wěn)壓泵工作并自動關(guān)閉其出水閥。

4.2.2 消防水系統(tǒng)的設(shè)計理念

以海洋石油112 FPSO為例。

機艙內(nèi)設(shè)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(tǒng)、主甲板泡沫消防系統(tǒng)和直升機甲板泡沫消防系統(tǒng)提供消防海水。平常消防海水管路內(nèi)充滿海水，并由機艙內(nèi)的消防海水壓力柜來保持1.20 MPa的壓力,當(dāng)壓力降到1.05 MPa時，消防海水增壓泵自動啟動；當(dāng)壓力進一步降至1.00 MPa時，則自動啟動機艙內(nèi)的1號電動消防泵；當(dāng)壓力進一步降至0.90 MPa時，則自動啟動機艙內(nèi)的2號電動消防泵，投入消防滅火作業(yè)。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(nèi)充滿海水。壓力柜有4個壓力開關(guān)與消防海水增壓泵連接。當(dāng)消防總管內(nèi)的壓力降至1.05 MPa時，壓力開關(guān)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(dāng)消防總管內(nèi)壓力達到1.20 MPa 時，壓力開關(guān)動作使得消防海水增壓泵自動停止，當(dāng)消防總管內(nèi)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(dāng)消防總管內(nèi)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(zhí)行消防作業(yè)。

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(nèi)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(lián)連一起，壓力柜有4個壓力開關(guān)與消防淡水增壓泵連接。當(dāng)水噴琳管內(nèi)的壓力降至1.25 MPa時，壓力開關(guān)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(zhí)行艙室消防作業(yè)。當(dāng)水噴琳管的內(nèi)壓力達到1.40 MPa時，壓力開關(guān)動作，消防淡水泵停止。

如果機艙內(nèi)出現(xiàn)火情或電站等處出現(xiàn)火情，則要啟動應(yīng)急柴油消防泵。應(yīng)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(shè)有獨立的圓筒形海底門，通過柴油機前端驅(qū)動的液壓單元提供液壓動力所驅(qū)動的深井泵提升海水，并由此柴油機的后端輸出軸驅(qū)動增壓泵為消防海水增壓，向全船消防管系供給消防水。應(yīng)急消防設(shè)施由一臺柴油機和機帶液壓泵、液壓油驅(qū)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(shè)計

探測部分和滅火部分承擔(dān)著探測和滅火工作。二者的作用應(yīng)有效地結(jié)合，使探測到的火情能及時準(zhǔn)確地發(fā)送給滅火部分，啟動相應(yīng)的滅火設(shè)備，完成對火災(zāi)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(fā)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(tǒng)的大腦，它與現(xiàn)場探測設(shè)備、消防滅火設(shè)備之間相連，與應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)、PA系統(tǒng)有相應(yīng)接口，具有自動探測火災(zāi)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(tǒng)、自動/手動執(zhí)行火氣狀態(tài)應(yīng)急關(guān)斷邏輯、故障容錯，以及對網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場探測設(shè)備和系統(tǒng)進行診斷的功能。

消防系統(tǒng)的控制部分主要作用是及時、準(zhǔn)確地根據(jù)探測器探測到可能或已經(jīng)發(fā)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(tǒng)，以保護人員和設(shè)施的安全。

消防系統(tǒng)的控制邏輯及操作、顯示功能由安裝于中控室的控制系統(tǒng)完成。

5.2 控制部分主要結(jié)構(gòu)的搭建

海上FPSO消防系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)示見圖1。

圖1 控制結(jié)構(gòu)

消防控制系統(tǒng)是獨立的PLC控制系統(tǒng)，它運行著全FPSO的消防控制邏輯，實時監(jiān)測現(xiàn)場的所有探測設(shè)備的狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)定好的控制邏輯進行判斷，自動做出相應(yīng)的消防滅火動作。為了更直觀地對消防系統(tǒng)進行管理和操作，一般還需要設(shè)計安裝集中控制矩陣板。同時消防控制系統(tǒng)同中控室的DCS、ESD系統(tǒng)進行通訊，在DCS上直觀顯示，并在火災(zāi)發(fā)生時對ESD系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)級別的關(guān)斷信號。

5.3 系統(tǒng)表決功能的設(shè)定

FPSO火氣探測系統(tǒng)具有火災(zāi)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(chǎn)上不必要的關(guān)斷，影響產(chǎn)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(tǒng)整體的可靠性，在進行系統(tǒng)設(shè)計時考慮了邏輯表決功能。即在某個需要報警并需要產(chǎn)生相應(yīng)關(guān)斷的區(qū)域里，當(dāng)M個同種探測器中有N個同時報警并達到系統(tǒng)設(shè)定的火災(zāi)確認時(N

表2邏輯形式對比

通過上述對比不難發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)邏輯設(shè)計采用該邏輯形式進行表決。系統(tǒng)對不同的探測器需要報警及觸發(fā)相應(yīng)應(yīng)急關(guān)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(dāng)某一個區(qū)域內(nèi)有兩個可燃氣體探頭同時達到50%濃度報警時，將產(chǎn)生可燃氣體泄漏關(guān)斷報警，并觸發(fā)相應(yīng)級別的應(yīng)急關(guān)斷。例如：風(fēng)機室內(nèi)裝置了3個可燃氣體探頭，當(dāng)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(dāng)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(tǒng)將發(fā)出可燃氣體泄露報警，并往應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)發(fā)送信號，應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)將觸發(fā)關(guān)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(dāng)某一個區(qū)域內(nèi)有兩個火焰探頭同時報警時，則觸發(fā)相應(yīng)級別的應(yīng)急關(guān)斷。例如：如果某個區(qū)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(dāng)3個火焰探頭中有兩個火焰探頭同時報警時，系統(tǒng)將發(fā)出火災(zāi)關(guān)斷信號給應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)，應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)將觸發(fā)這個級別的關(guān)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(fā)報警，人觸發(fā)它是在目測確定有可燃氣泄露或火災(zāi)發(fā)生的情況下，所以它的報警在程序設(shè)計時沒有考慮邏輯表決功能。單個的觸發(fā)就能報警并產(chǎn)生相應(yīng)的關(guān)斷。

5.4 集中控制矩陣板的設(shè)計

因為FPSO所分消防區(qū)域較多，為了能更直觀地了解消防系統(tǒng)的各種信息，方便系統(tǒng)的管理，還需設(shè)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(zhuǎn)換開關(guān)及指示燈等附件，并且這些附件都是同一尺寸的標(biāo)準(zhǔn)模塊。

在板上能顯示火氣報警分區(qū)情況及每一個火區(qū)內(nèi)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(tài)、防火風(fēng)閘的開閉指示等，并能用鑰匙開關(guān)根據(jù)需要對各個火區(qū)進行分別的屏蔽和復(fù)位，且能對消防設(shè)備(消防泵、CO2、噴淋閥等)進行手動操作以及狀態(tài)檢測。

矩陣板的各個點直接與消防控制系統(tǒng)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(qū)海上固定平臺消防設(shè)計的特點.工業(yè)用水與廢水，2002(6)：62-63.

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

[3] 蔡 濤.海上平臺消防水系統(tǒng)設(shè)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(shù)設(shè)計[J].石油和化工設(shè)備,2010(12)：44-46.