海上石油平臺(tái)中壓電動(dòng)消防泵供電可行性分析

來(lái) 遠(yuǎn),李艷華，竇培舉

(1. 中海油研究總院，北京 100028； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300459)

海上石油平臺(tái)中壓電動(dòng)消防泵供電可行性分析

來(lái) 遠(yuǎn)1,李艷華2，竇培舉1

(1. 中海油研究總院，北京 100028； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300459)

海上石油平臺(tái)電動(dòng)消防泵采用中壓供電可以解決消防泵啟動(dòng)電流過(guò)大對(duì)平臺(tái)電網(wǎng)造成沖擊的問(wèn)題，避免將大功率的電動(dòng)消防泵拆分為兩臺(tái)小功率的電動(dòng)消防泵，減少消防泵的啟動(dòng)時(shí)間，提升消防系統(tǒng)的響應(yīng)速度。針對(duì)規(guī)范要求消防泵供電電纜為耐火電纜，但國(guó)內(nèi)尚未有滿足規(guī)范要求的中壓耐火電纜產(chǎn)品的情況，提出了采用防火涂料加絕熱層保護(hù)電纜的方案。經(jīng)過(guò)論證該方案可以保證非耐火電纜在火災(zāi)情況下保持正常工作，從而為海上石油平臺(tái)消防泵采用中壓供電提供了解決方案。

海上石油平臺(tái)；電動(dòng)消防泵；中壓供電；耐火電纜

0 引 言

海上石油生產(chǎn)平臺(tái)上使用的電動(dòng)消防泵多使用異步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)消防泵啟動(dòng)時(shí)的電流是額定電流的4～7倍，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的1～2倍[1]，較大的啟動(dòng)電流會(huì)使發(fā)電機(jī)的輸出電壓下降。當(dāng)電壓下降大于額定電壓的10%以后，對(duì)發(fā)電機(jī)和正在運(yùn)行的用電設(shè)備以及整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行都是非常不利的，比如電壓下降10%，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降80%，照明燈的光通量下降70%。如果電壓繼續(xù)下降，電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置會(huì)動(dòng)作，斷開配電系統(tǒng)或者主發(fā)電機(jī)開關(guān)，造成供電中斷。目前海上石油生產(chǎn)平臺(tái)的電動(dòng)消防泵多選擇低壓(380 V)供電，當(dāng)消防泵的額定流量超過(guò)一定數(shù)值(如500 m3/h)時(shí)，由于電機(jī)功率過(guò)大，需要將一臺(tái)電動(dòng)消防泵拆分為兩臺(tái)小流量的電動(dòng)消防泵并聯(lián)運(yùn)行，以此來(lái)解決啟動(dòng)電流過(guò)大的問(wèn)題。但是這也帶來(lái)了兩臺(tái)消防泵啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致消防系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，消防泵布置空間增加，消防泵費(fèi)用增加，操作維護(hù)工作量增加等問(wèn)題。對(duì)一定功率的電動(dòng)消防泵，如果采用中壓供電(6.3 kV)，電機(jī)的額定電流降低，啟動(dòng)瞬間的電流增加不明顯，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響不大。因此采用中壓供電，對(duì)額定排量較大的電動(dòng)消防泵可以不用兩臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行，消防泵采用直接啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間短。本文即針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)中壓消防泵供電的部分限制性要求提供了新的解決思路和方案，以推進(jìn)中壓消防泵在海上的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電動(dòng)消防泵供電的要求

《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》[2]是海上石油生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循的首要規(guī)范。該規(guī)范對(duì)于電動(dòng)消防泵的供電電壓和電纜的耐火要求沒(méi)有明確規(guī)定。

國(guó)家石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《非分類區(qū)域和I級(jí)1類及2類區(qū)域的固定及浮式海上石油設(shè)施的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝推薦做法》(SY/T 10010—2012)[3]對(duì)于電動(dòng)消防泵的電纜有類似規(guī)定。該規(guī)范規(guī)定電動(dòng)消防泵的供電電纜的布線系統(tǒng)應(yīng)該能夠耐受火焰直接燃燒30 min。

《國(guó)際海上人命安全公約》(SOLAS)[4]是海上石油生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的主要參考規(guī)范。該規(guī)范沒(méi)有對(duì)電動(dòng)消防泵的供電電壓進(jìn)行規(guī)定，但是對(duì)于連接消防泵與配電板的電纜，如果通過(guò)有高度失火危險(xiǎn)的區(qū)域，要求電纜為耐火型。

總體而言，目前海上平臺(tái)適用的各項(xiàng)規(guī)范對(duì)于電動(dòng)消防泵的供電電壓沒(méi)有明確要求，選擇中壓6.3 kV的供電電壓符合規(guī)范的要求；而對(duì)電纜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只要與中壓供電系統(tǒng)配套的中壓電纜能夠滿足各項(xiàng)規(guī)范規(guī)定的耐火要求即可。

2 耐火電纜的特性

目前，市場(chǎng)上的電纜根據(jù)其燃燒特性可以分為普通電纜、阻燃電纜和耐火電纜三種。由于海上平臺(tái)危險(xiǎn)性較高，廣泛采用阻燃電纜。對(duì)于耐火電纜與阻燃電纜的選擇，主要可以依據(jù)其燃燒特性決定。根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，阻燃電纜要求在規(guī)定試驗(yàn)條件下，試樣被燃燒，在撤去火源后，火焰在試樣上的蔓延僅在限定范圍內(nèi)并且自行熄滅。耐火電纜要求在規(guī)定的火源和時(shí)間下燃燒時(shí)能持續(xù)保持指定狀態(tài)下運(yùn)行的能力，即保持線路完整性的能力[5]。換言之，阻燃電纜沒(méi)有要求電纜被火燒之后保持供電線路的完整性，而耐火電纜則要求在燃燒一定時(shí)間之后能夠繼續(xù)供電，因此阻燃電纜無(wú)法滿足各項(xiàng)規(guī)范中對(duì)中壓消防泵供電電纜的耐火要求。

而對(duì)于耐火電纜，GB/T 19216從耐火溫度和耐火時(shí)間兩方面進(jìn)行了規(guī)定：耐火溫度分為750 ℃和830 ℃兩類，耐火時(shí)間推薦采用90 min[6-7]。英國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)BS6387中將耐火電纜分為三類，分別是只耐火的電纜、耐火和耐水噴淋的電纜以及耐火和耐機(jī)械振動(dòng)的電纜[8]。表1給出國(guó)標(biāo)和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于耐火電纜的具體要求。

表1 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)耐火電纜的要求

從上述耐火電纜的測(cè)試要求可知，如果海上平臺(tái)中壓消防泵電纜布置在安全區(qū)域，電纜布線系統(tǒng)只需要滿足國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范的要求，即消防泵供電電纜系統(tǒng)須滿足耐火30 min仍保持供電能力的要求；而如果海上平臺(tái)中壓消防泵電纜需要布置在危險(xiǎn)區(qū)域，則根據(jù)SOLAS的要求，處在危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的消防泵供電電纜至少應(yīng)滿足耐火90 min仍保持供電能力的要求，這對(duì)海上平臺(tái)消防泵供電系統(tǒng)提出了很高的要求。

采用合格的耐火電纜可以滿足海上平臺(tái)消防泵的供電要求。目前國(guó)內(nèi)的低壓阻燃耐火電纜種類較多，品種豐富，可以滿足平臺(tái)使用要求，但是對(duì)于中壓電動(dòng)消防泵來(lái)說(shuō)，國(guó)產(chǎn)中壓阻燃耐火電纜仍然處于實(shí)驗(yàn)室樣品研發(fā)階段，市場(chǎng)上尚未有國(guó)產(chǎn)中壓耐火電纜的產(chǎn)品；但如果直接套用低壓耐火電纜的諸如纏繞云母絕緣帶等防護(hù)方法對(duì)中壓電纜進(jìn)行保護(hù)，則面臨著防護(hù)有效性的問(wèn)題，根據(jù)遲先吉等[9]的研究，該方式并不適宜用于中壓電纜的耐火防護(hù)；而如果采用進(jìn)口中壓阻燃耐火電纜，由于平臺(tái)該類電纜使用量較小，故采辦周期極長(zhǎng)，單價(jià)極高，難以滿足項(xiàng)目運(yùn)行的要求。因此海上石油生產(chǎn)平臺(tái)的電動(dòng)消防泵采用中壓供電，還需要解決中壓耐火電纜的問(wèn)題，以滿足規(guī)范對(duì)消防泵供電電纜的要求。

3 中壓耐火電纜的替代解決方案

要保證中壓電纜在火災(zāi)情況下能夠繼續(xù)保持供電能力，可以從兩方面考慮解決問(wèn)題。一方面是在設(shè)計(jì)時(shí)保證中壓電纜不穿越著火風(fēng)險(xiǎn)高的區(qū)域，將電纜著火的概率降低到可接受的概率水平之下。另一方面是對(duì)電纜采取相關(guān)的保護(hù)措施，保證其在火災(zāi)情況下不被破壞。

3.1 電纜不穿工藝設(shè)備區(qū)域

根據(jù)SOLAS的規(guī)定，電動(dòng)消防泵的供電電纜通過(guò)有高度失火危險(xiǎn)的區(qū)域時(shí)，要求采用耐火電纜。可以優(yōu)先考慮設(shè)備布置和電纜布線避開有高度失火危險(xiǎn)的區(qū)域，從而可以不使用中壓耐火電纜。海上石油平臺(tái)的工藝設(shè)備區(qū)域是高度失火的危險(xiǎn)區(qū)域，總體布置會(huì)將工藝設(shè)備區(qū)域和公用設(shè)備區(qū)域用防火墻進(jìn)行分隔，消防泵一般位于公用設(shè)備區(qū)域。平臺(tái)上供電設(shè)備如變壓器，電氣開關(guān)等均位于公用設(shè)備區(qū)域，供電電纜在不同層甲板之間垂直布線，避開工藝設(shè)備區(qū)域是可行的。

3.2 采用防火涂料保護(hù)電纜

平臺(tái)上常用的膨脹型環(huán)氧樹脂防火涂料，噴涂厚度20 mm，在最長(zhǎng)2 h的時(shí)間內(nèi)，能夠保證被保護(hù)對(duì)象表面溫度不超過(guò)400 ℃。防火涂料不能直接涂敷在電纜表面，這主要是因?yàn)椋阂环矫妫阑鹜苛鲜┕ば枰M(jìn)行表面打磨拋光處理，防火涂料直接涂敷在電纜外表面施工困難；另一方面，防火油漆只能保證在一定時(shí)間內(nèi)被保護(hù)對(duì)象的表面溫度不超過(guò)400 ℃，如果防火涂料直接涂敷在電纜表面，在火焰中燃燒一定時(shí)間之后，電纜表面溫度將會(huì)上升到幾百攝氏度，破壞電纜的完整性。因此需要在防火油漆與電纜之間設(shè)置絕熱層，對(duì)電纜提供絕熱保護(hù)。具體保護(hù)方案示意圖如圖1所示。

圖1 防火涂料與絕熱層保護(hù)電纜示意圖Fig.1 Diagram for fire-proof coating and heat insulating layer in cable structure

絕熱層可以采用聚氨酯泡沫塑料、玻璃棉制品以及硅酸鈣制品。根據(jù)平臺(tái)上發(fā)電機(jī)煙囪絕熱層設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[10]，當(dāng)煙囪表面溫度在400 ℃左右時(shí)，絕熱層厚度采用75 mm可以保證絕熱層外表面溫度不超過(guò)60 ℃。在規(guī)范推薦的90 min時(shí)間內(nèi)，防火涂料背面溫度低于400 ℃，采用75 mm厚的絕熱層，電纜表面溫度將低于60 ℃，這一溫度低于平臺(tái)上常用的設(shè)計(jì)溫度，可以保證普通電纜正常工作。

3.3 其他需要考慮的問(wèn)題

采用防火涂料和絕熱層對(duì)電纜進(jìn)行保護(hù)，理論上是可行的，市場(chǎng)上常用防火涂料和絕熱層能夠滿足要求。考慮到海上石油平臺(tái)的特點(diǎn)，還需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題。

首先是采用中壓供電方案是有其適用條件的。該方案只適用于電動(dòng)消防泵只掛主電源，不掛應(yīng)急電源的情況。在平臺(tái)上的電源是由其他設(shè)施提供，本平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)不影響平臺(tái)電源供應(yīng)的情況下，平臺(tái)上的電動(dòng)消防泵可以只由主電網(wǎng)供電，不用應(yīng)急電源供電。如果平臺(tái)自身帶電站，在平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)，觸發(fā)火氣關(guān)斷的情況下，平臺(tái)電站失去燃料源，主電失效，因此消防泵必須由應(yīng)急電源供電，應(yīng)急電源是低壓電源，無(wú)法提供中壓電，因此在這種情況下，消防泵無(wú)法采用中壓供電。

第二點(diǎn)需要注意的是電纜的鋪設(shè)問(wèn)題。考慮絕熱層厚度、防火涂料厚度、鋼管直徑以及電纜本身直徑，整體直徑大概在175～200 mm之間，相當(dāng)于8英寸(1英寸≈25.4 mm)的管道直徑。電纜在平臺(tái)上是由電纜托架鋪設(shè)，一般情況下，電纜托架上部空間不能滿足該尺寸管道的空間要求。在實(shí)際工程中可以考慮該電纜單獨(dú)走一路托架，避免與其他電纜共托架，也可以考慮直接走管道支架。

第三要考慮絕熱材料對(duì)電纜和鋼管的腐蝕問(wèn)題。絕熱材料中的氯化物、氟化物、硅酸根、鈉離子等對(duì)奧氏體不銹鋼有腐蝕作用，選擇絕熱層材料應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

第四要考慮電纜外增加保護(hù)層后的施工問(wèn)題。由于電纜在施工過(guò)程中，在諸如纜線撓度、硬度等方面有一定的施工限制，因此該隔熱結(jié)構(gòu)需要首先在電纜外敷設(shè)絕熱層，然后將絕熱層和電纜一起置入保護(hù)鋼管中，預(yù)制的保護(hù)鋼管需要符合電纜撓度的要求。因此，在施工順序上，需要先預(yù)制好后再鋪設(shè)電纜。此外，由于電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)，不能分段，并且電纜受轉(zhuǎn)彎半徑的限制，電纜路徑需要提前規(guī)劃，順序施工。對(duì)于阻燃鎧裝電纜來(lái)說(shuō)，電纜在保護(hù)鋼管中的穿行不會(huì)導(dǎo)致電纜的損壞。

第五要考慮船級(jí)社等第三方機(jī)構(gòu)的接受程度。由于船級(jí)社對(duì)平臺(tái)消防系統(tǒng)的第三方評(píng)估對(duì)于平臺(tái)消防設(shè)計(jì)存在著舉足輕重的影響，因此除了進(jìn)行一定的理論設(shè)計(jì)與計(jì)算外，還應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以保證第三方對(duì)該新防火方法的接受。

3.4 經(jīng)濟(jì)性比較

相比較于常規(guī)的2×50%的傳統(tǒng)低壓消防泵設(shè)置，1×100%的中壓消防泵設(shè)置在平臺(tái)占地、設(shè)備費(fèi)用方面的比較如表2所示。

表22×50%的低壓消防泵與1×100%的中壓消防泵技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

Table2Techno-economiccomparisonbetween2×50%lowvoltagefirepumpsand1×100%mediumvoltagefirepump

項(xiàng) 目2×50%的低壓消防泵1×100%的中壓消防泵設(shè)備費(fèi)用(按800m3/h總消防水量計(jì)算)/萬(wàn)元280200占地面積/m284結(jié)構(gòu)鋼材費(fèi)用/萬(wàn)元4028供電電纜費(fèi)用/萬(wàn)元157電纜耐火結(jié)構(gòu)費(fèi)用/萬(wàn)元015消防支管費(fèi)用/萬(wàn)元85總費(fèi)用/萬(wàn)元343255比較結(jié)果經(jīng)濟(jì)性差經(jīng)濟(jì)性好

根據(jù)表2的經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)果，同時(shí)考慮到兩臺(tái)電動(dòng)消防泵給平臺(tái)總體布置和防火帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用中壓消防泵對(duì)整體項(xiàng)目來(lái)說(shuō)是更為合理的選擇。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)電動(dòng)消防泵采用中壓供電可以解決電動(dòng)消防泵啟動(dòng)電流大對(duì)平臺(tái)電網(wǎng)造成沖擊的問(wèn)題，從而可以避免將大功率的電動(dòng)消防泵拆分為兩臺(tái)小功率的電動(dòng)消防泵，減少消防泵的啟動(dòng)時(shí)間，提升消防系統(tǒng)的響應(yīng)速度。雖然目前國(guó)內(nèi)尚未有滿足規(guī)范要求的中壓耐火電纜，但是可以從電纜布線以及采用防火涂料和絕熱層保護(hù)等方面對(duì)電纜進(jìn)行保護(hù)，保證電纜在火災(zāi)情況下也能正常工作，從而滿足規(guī)范對(duì)電纜耐火的要求。電動(dòng)消防泵中壓供電的方案在平臺(tái)上應(yīng)用前景比較廣闊。

[1] 安維杰，蔡振東，汪沛全. 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南(第三冊(cè))：海洋石油工程電氣、儀控、通信設(shè)計(jì)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2007：97.

[2] 國(guó)家經(jīng)貿(mào)委. 海上固定平臺(tái)安全規(guī)則[S]. 2000.

[3] 國(guó)家能源局. SY/T 10010—2012.非分類區(qū)域和I級(jí)1類及2類區(qū)域的固定及浮式海上石油設(shè)施的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝推薦做法[S]. 2012.

[4] 中國(guó)船級(jí)社. 國(guó)際海上人命安全公約(2009綜合本)[S].2010：103.

[5] 中華人民共和國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 19666—2005. 阻燃和耐火電線電纜通則[S]. 2005.

[6] 中華人民共和國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 19216.11—2003. 在火焰條件下電纜或光纜的線路完整性實(shí)驗(yàn)第11部分實(shí)驗(yàn)裝置——火焰溫度不低于750 ℃單獨(dú)供火[S].2003.

[7] 中華人民共和國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 19216.12—2008.在火焰條件下電纜或光纜的線路完整性實(shí)驗(yàn)第12部分實(shí)驗(yàn)裝置——火焰溫度不低于830 ℃[S].2009.

[8] The British Standards Institution. BS6387—2013. Test method for resistance to fire of cables required to maintain circuit integrity under fire conditions[S]. 2013.

[9] 遲先吉，韓盼.中壓耐火電纜的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電線電纜, 2012(5):11.

[10] 中華人民共和國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB 50264—2013. 工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 2013.

FeasibilityAnalysisofMediumVoltagePowerSupplyforElectricallyDrivenFirePumponOffshoreOilPlatform

LAI Yuan1, LI Yan-hua2, DOU Pei-ju1

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China;2.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300459,China)

During starting stage, electrically driven fire pump produces 4～7 times electric current than the rated electric current, which will result in surge impact on the electric grid. Usually two small power pumps are used to replace one big power pump to solve the electric current surge problem, but this will increase the acceleration time of the fire pump and postpone the response of the fire water system. If the electrically driven fire pumps are supplied by medium voltage power source, the starting electric current will be reduced and the surge impact will be eliminated. An equivalent method is raised to replace the medium voltage fire resistance cable under the situation that there is no qualified product at the market. The proposed scheme can meet the related standards and design rules, and provide a solution to the medium voltage driven fire pump on offshore oil platform.

offshore oil platform; electrically driven fire pump; medium voltage power supply; fire-resistance cable

2016-09-02

來(lái)遠(yuǎn)(1983—)，男，工程師，主要從事海上及陸上油田采出水處理工藝研究及油田給排水工程設(shè)計(jì)工作。

U223.5

A

2095-7297(2016)06-0381-04