海洋石油FPSO主機尾氣余熱回收裝置的消防保護方案

■ 王占軍 許偉成 褚麗麗

一、引言

FPSO是英文Floating Production Storage and Offloading的縮寫，中文譯為浮式生產、儲油、卸油船。這種船并不是一種真正意義上用于運輸的船，它兼有生產、儲油、卸油的功能，一般與水下采油裝置和穿梭油船組成一套完整的生產系統，是目前海洋工程船舶中的高技術產品。FPSO 的主要特點為機動性和運移性好，具有適應深水采油（與海底完井系統組合）的能力、在深水域中較大的抗風浪能力、大產量的油氣水生產處理能力和大的原油儲存能力。FPSO可以與導管架井口平臺組合，也可以與自升式鉆采平臺組合成為完整的海上采油、油氣處理和儲油、卸油系統，但更主要的是用于深水采油，與海底采油系統（包括海底采油樹、海底注水井、海底管匯等）和穿梭油輪組合成為完整的深水采油、油氣處理、原油儲存和卸油系統。浮式生產設施的應用已很普遍，在全世界已有100多艘FPSO正在操作運行，甚至有取代固定式平臺的趨勢。在中國海洋石油發展的能源產業板塊中，FPSO產業有著舉足輕重的地位，支持著海上油田近50 %的石油產能。目前在中國海域服務的FPSO共16艘，其中渤海海域7艘，南海西部海域2艘，南海東部海域7艘。

為了響應“十一五”節能減排工作計劃，中國海油石油公司對現有FPSO的柴油發動機余熱回收系統進行了升級改造，增加了主機尾氣余熱回收裝置，對主機排氣熱量進行二次回收。利用這些回收的熱量足以加熱燃油以及供船員日常生活用氣，并可避免冬季單靠廢氣鍋爐供熱，不能滿足船舶正常需要的情況發生。主機尾氣余熱回收裝置爐膛由氣、水、油管及煙道箱組成，它是利用熱管作為傳熱元件來回收船舶主機排氣余熱的。由于熱管的傳熱效率高，熱敏度高，又結構簡單、運行可靠，使其具有重量輕、體積小、蒸發量大等特點，這是其它型式的廢氣鍋爐無法比擬的。主機尾氣余熱回收裝置內，用于燃油、氣、水加熱的柴油發動機尾氣排放溫度高達350℃，因設備故障引起火災的危險性很高。

從專業技術角度分析，造成火災的原因主要有：（1）鼓包、爆管引起火災；（2）泄漏引起火災；（3）停電時處理不當引起火災。

人們將FPSO比喻為一枚“定時炸彈”，船上存在大量易燃易爆的物質，稍有不慎就會引發嚴重的后果，因此FPSO上所有設備的防火安全是重中之重。主機尾氣余熱回收裝置是火災危險性很高的設備，應配備合適的滅火裝置，并有專人檢查維護，確保滅火裝置能正常使用。從主機尾氣余熱回收裝置的結構特點及可燃介質的成分分析，固定式氣體滅火系統是比較可靠的滅火設備。考慮到主機尾氣余熱回收裝置爐膛上部是開放式的，而七氟丙烷、惰性氣體等滅火系統對保護處所的密封性要求很高，因此選用固定式CO2滅火系統進行保護。以下結合工程的實例，對固定式CO2滅火系統的設計計算方法、系統結構和工作原理，進行詳細的介紹。

二、固定式CO2滅火系統的設計計算

《國際消防安全系統規則》（以下簡稱FSS規則）中規定的固定式CO2滅火系統滅火劑量計算方法，是基于基本密閉空間的保護處所。主機尾氣余熱回收裝置的爐膛，上部開口面積相對較大，按FSS規則的要求來計算CO2滅火劑淹沒用量，是不科學的，在噴放過程中從開口泄漏的CO2，應考慮補償量。NFPA12標準中CO2滅火劑用量的計算，對具有較大開口面積的保護處所，給出了明確的計算方法。因此爐膛固定式CO2滅火系統的設計計算，應參照NFPA12標準要求。下面結合某工程實例，進行設計計算的介紹。

（一）主機尾氣余熱回收裝置爐膛設計計算參數。

工作環境溫度——200℃

爐膛體積——13 m3

通風開口：

頂部開口面積——0.785 4 m2

底部開口面積——0.785 4 m2

設計噴放時間——1 min

設計濃度——37 %

淹沒系數——1.07 kg／m3

物質變換系數——1.14

溫度補償系數——1.384

開口CO2泄漏速率——174kg／min·m2（根據NFPA12 圖A-2-3（b）查得）

（二）固定式CO2淹沒用量計算。

CO2滅火劑淹沒用量：

Q1=13×1.07×1.14×1.384=21.95 kg

CO2滅火劑泄漏補償量：

Q2=174×0.785 4=136.66 kg

（三）由于泄漏補償量超過了基本淹沒用量，因此，CO2滅火劑用量計算應按局部應用系統考慮，即采用體積噴射速率的方法計算。

固定式CO2局部應用系統設計計算參數如下：

爐膛體積——13 m3

通風開口：

頂部開口面積——0.785 4 m2

底部開口面積——0.785 4 m2

爐膛內腔表面積——40.715 m2

設計噴放時間——0.5 min

物質變換系數——1.14

裕度系數——1.4

（四）固定式CO2局部應用滅火劑用量計算。

噴射速率：

q=（16-4）×2×0.7854 ÷ 40.715 + 4

= 4.463 kg／min·m3

噴射流量：

q1=4.463×13=58.02 kg／min

CO2需要量：

Q=1.4×1.14×58.02×0.5=46.3 kg

（五）CO2滅火劑鋼瓶數量。

根據計算結果，CO2滅火劑鋼瓶數量：

N=46.3÷26=1.78≈2個

鋼瓶規格選用40 L，每瓶充裝CO2滅火劑26 kg。考慮到CO2滅火劑充裝困難，實際配置4個鋼瓶，2主2備。

（六）滅火劑噴放管路設計。

按照《船用CO2滅火裝置》（CB/T 3294—1998）附錄A的要求，選取CO2滅火劑噴放管路的主管徑。附錄A的噴放條件是2 min內85 %的CO2注入保護處所，而主機尾氣余熱回收裝置爐膛固定式CO2滅火系統的噴放要求是0.5 min內100 %的CO2注入保護處所，因此需要對管道CO2最大流通量進行換算：

W=（46.3÷0.5）×2÷0.85=217.88 kg

因此，選用DN32的管徑，其CO2滅火劑的最大流通量為275 kg，大于217.88 kg，能夠滿足噴放時間的要求。

（七）CO2噴嘴計算。

選用DN15接口的噴嘴，根據《船用CO2滅火裝置》（CB/T 3294—1998）附錄A的要求，DN15管徑的CO2最大流通量為60 kg，因此，噴嘴數量n=217.88÷60=3.63，實取4只噴嘴，單個噴嘴的流量=46.3÷4÷30=0.386 kg／s，噴嘴的具體型號可通過管網水力計算結果獲取。

三、固定式CO2滅火系統的結構及工作原理

（一）CO2滅火系統結構（見圖1）

圖1 固定式CO2滅火系統安裝示意圖

（二）工作原理

主機尾氣余熱回收裝置爐膛固定式CO2滅火系統，可通過自動控制、電氣手動控制和機械應急手動三種方式啟動，具體如下：

1．自動控制

主機尾氣余熱回收裝置，可設置火災事故監測裝置，當發生火災后，由設在機艙集控室的火氣系統控制盤向火災現場和駕控臺發出火災聲光報警信號，并切斷燃油循環泵和非消防電源等設備，同時向固定式CO2滅火裝置電磁閥發出聯動指令，滅火鋼瓶即可打開，噴放CO2滅火劑至保護處所，實施滅火。CO2滅火裝置啟動后，集流管上的壓力開關動作，向機艙集控室的火氣系統控制盤上傳滅火系統釋放信號。

2．電氣手動控制

當人為發現主機尾氣余熱回收裝置爐膛發生火災，可按下機艙集控室火氣系統控制盤上或著火現場的啟動按鈕，火氣系統控制盤立即向火災現場和駕控臺發出火災聲光報警信號，并切斷燃油循環泵和非消防電源等設備，同時向固定式CO2滅火裝置電磁閥發出聯動指令，滅火鋼瓶即可打開，噴放CO2滅火劑至保護處所，實施滅火。CO2滅火裝置啟動后，集流管上的壓力開關動作，向機艙集控室的火氣系統控制盤上傳滅火系統釋放信號。

3．機械應急手動

當人為發現主機尾氣余熱回收裝置爐膛發生火災，且電氣控制功能失靈時，應通知機艙集控室值班人員，緊急切斷燃油循環泵和非消防電源等設備，確認聯動設備動作后，打開CO2滅火裝置箱體門，手動扳動滅火劑鋼瓶瓶頭閥手柄，即可打開滅火劑儲瓶，噴放CO2滅火劑至保護處所，實施滅火。