頁巖氣壓裂井場火災智能預警及遠控消防系統

摘要：大型酸化壓裂是頁巖氣田勘探開發的關鍵施工工藝，受地理環境的限制，施工井場面積小，壓裂車組擺放緊湊，現場管線多、油路密集。壓裂施工中，由于長時間高負荷作業，壓裂車發動機渦輪增壓器殼體溫度超過600℃，多次因管線漏油和油漬過多發生火災事故，導致壓裂車組大面積著火甚至發生爆炸，造成了嚴重的經濟損失和社會影響。針對壓裂施工火災安全風險，中石化勝利石油工程有限公司研制了壓裂井場火災智能預警及遠控消防系統，集初期火災預警、遠程控制滅火于一體，實現了火災險情早發現、早處理、快處理，提升了頁巖氣壓裂施工的本質化安全水平。

關鍵詞：頁巖氣; 酸化壓裂; 壓裂車; 火災事故; 初期火災預警; 遠程控制滅火

1 ? 引言

大型酸化壓裂是頁巖氣田勘探開發的關鍵施工工藝，與常規壓裂相比，頁巖氣壓裂施工規模大、設備設施多。頁巖氣田壓裂施工主要設備設施有：壓裂車18-20臺、儀表車2臺、混砂車2臺、混配車2臺、儲液罐45個、立式砂罐3個、高低壓流程管匯1套、發電機組1套，現場設備設施總資產達到近3億元。

自頁巖氣田開發以來，已發生多起壓裂設備著火事故，因現場消防系統配備落后，無法實現火情初期預警，發生火災后控制不及時，致使災情擴大化，造成了嚴重的經濟損失和社會影響。2018年6月13日15時，國內某石油公司壓裂施工中一臺壓裂車發生火災，火勢兇猛，引燃周邊四臺壓裂車，現場采用滅火器、消防水槍撲救無效，直至17時30分消防車趕到后，火勢才得以控制，此時，距發生火情已2個多小時，五臺壓裂車被燒毀，直接經濟損失4000余萬元。

目前，壓裂井場普遍采用人工操作泡沫消防泵，搶險人員攜帶消防水帶和水槍靠近著火區域進行滅火，存在應急反應慢、控火、滅火效果差等缺點。同時，壓裂車發生火災后，存在油箱爆炸的風險，給搶險人員的生命安全帶來極大的威脅。受限于頁巖氣田的地理條件，發生火災后，即使及時報火警，因井場偏遠、山路通行條件差，消防車也無法及時救援，最終導致錯過火災撲救的最佳時期。

壓裂火災隱患已成為制約國內頁巖氣田大規模勘探開發的重要因素。針對壓裂施工的火災安全風險，中石化勝利石油工程有限公司開展了壓裂井場火災預警消防技術研究，研制了火災智能預警及遠控消防系統，實現了壓裂井場火災險情及時發現、快速處理，保障了現場施工人員生命和財產安全，從本質上提升了壓裂施工的消防安全水平。

2 ? 壓裂井場火災智能預警及遠控消防系統

火災智能預警及遠控消防系統是充分結合涪陵頁巖氣井場壓裂設備布局和火災風險特點對消防系統進行的全新設計。該系統包括智能火災預警系統和遠程控制消防系統兩部分，具有火災初期預警、遠程遙控滅火等功能，系統總體布局如圖1所示。

2.1 ?智能火災預警系統

智能火災預警系統主要應用于對壓裂作業現場車組及作業環境進行實時火情探測和聲光報警，如果現場出現火情，能第一時間探測并發出警報，現場施工人員及時發現、快速反應、有效處置，將火災險情消滅在萌芽狀態。智能火災預警系統主要由火焰探測器、火警集中信號采集計算機、組態圖形顯示裝置、火焰探測器及聲光報警器組成，如圖2所示。火焰探測器設置在每輛壓裂車的兩側位置，實時監測發動機等高溫部位，確保發現初期火災險情。火警集中信號采集計算機實時收集、分析火焰探測器數據，如遇火情自動啟動位于壓裂施工區域四角位置的聲光報警器，向現場人員發出聲光報警。同時，將火災險情發生的位置傳送至組態圖形顯示裝置，現場人員可以第一時間確定著火點位置。另外，在施工區域周邊設置高清攝像頭進行視頻監控，實現遠距離無死角監控。

2.2 ?遠程控制消防系統

遠程控制消防系統由撬裝集成泡沫消防泵組和遠控泡沫消防炮系統組成。撬裝集成泡沫消防泵組包括柴油機消防泵組、泡沫系統、泡沫罐，撬裝底座、報警警示系統等組成。遠控泡沫消防炮系統由消防管網、4組遠控消防炮塔組成，消防炮塔分別布置在壓裂機組的4個端角位置，消防炮噴射范圍覆蓋整個壓裂機組。消防泵組遠程控制系統設置在儀表車中，當施工現場壓裂機組發生火情時，遠程啟動柴油機消防泵組，遠程遙控調整泡沫消防炮噴射方向和噴射角度，使其對準著火位置進行噴射滅火，達到快速撲滅火災的目的。遠程控制消防系統現場布局如圖3所示。

3 ? 壓裂井場消防滅火關鍵參數計算

3.1 ?消防管路設計

井場消防主管路采用無縫碳鋼管，每根之間采用法蘭螺栓連接;消防主管路與消防站、消防炮及轉彎處采用不銹鋼絲編制軟管進行連接。

3.2 ?消防炮選型計算

根據施工現場壓裂機組的布局，壓裂機組占地面積為：30m×30m=900m2，所以消防炮的最大保護面積按900m2計算。壓裂現場易燃液體為柴油，屬于丙類液體。根據GB50151-2010《泡沫系統滅火設計規范》，丙類液體滅火用泡沫液種類選用6%型水成膜或成膜氟蛋白，滅火強度為6.0L/min.m2，滅火用混合液流量：900×6.0/60=90（L/S）。根據現場空間位置情況及消防炮流量系列，選用4門25（L/S）的消防炮布置在壓裂機組的四個端角位置對機組進行全覆蓋保護。

3.3 ?泡沫液儲存量計算

根據GB50151-2010《泡沫系統滅火設計規范》，丙類液體滅火時間取30min，混合比以6.5%計算，滅火用泡沫液用量：30×60×90×6.5%=10530（L）。壓裂現場需配備的泡沫罐容積≥10530（L）。

3.4 ?消防系統用水量計算

消防系統用水量：30×60×90×（1-6.5%）=151470（L）。壓裂現場需配備的消防水罐儲水量≥151470（L）。

4 ? 廠內試驗

4.1 ?各系統功能性試驗

該項試驗的目的是檢驗智能火災預警系統和遠程控制消防系統的功能，在試驗場地搭建試驗臺，如圖4所示，分別在不同位置放置火焰，進行火情探測、聲光預警、遠程控制滅火試驗，驗證了各設備是否能按設計要求實現功能要求，試驗結果表明各系統均能正常工作，迅速發現火情，并快速撲滅，滿足設計要求。

4.2 ?全系統聯合調試試驗

該項試驗目的是為模擬頁巖氣壓裂井場出現火情的全系統聯動試驗，在廠區按照壓裂現場設備擺放要求進行全景模擬試驗，主要測試項目為火情探測、聲光預警、遠程控制滅火等試驗，所有設備及子系統均參與了此項試驗，整個聯動試驗過程中各系統反應迅速、銜接可靠、快速撲滅了火情，達到了壓裂井場火災預警、遠程控制滅火的各項要求。

5 ? 結語

中石化勝利石油工程有限公司研發的壓裂井場火災智能預警及遠控消防系統，采用智能有效的監測技術及時預警火情，搶險人員通過遠程控制泡沫消防炮，在危險區域外實施快速滅火，有效增強了頁巖氣大型壓裂井場消防安全保障能力，提高了壓裂作業的本質安全性。

該系統完成了廠內的全部功能性試驗及聯調試驗。下一步將在壓裂施工現場進行整個系統的工業性試驗。根據工業性試驗的效果及時進行系統的優化改進，逐步達到規模化推廣應用要求。

該項目的實施對于國內頁巖氣田大規模勘探開發具有重要意義，具有良好的社會效益和廣闊的市場前景。

作者簡介：

魏學成，高級工程師，1993年畢業于中國石油大學（華東）鉆井工程專業，中石化勝利石油工程有限公司安全副總監兼安全環保處處長，主要從事HSSE管理工作。

參考文獻：

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