內轉塔式浮式生產儲卸油平臺消防系統計算研究

李科文 季寶軍 臧大偉 楊曉玲 冷阿偉 齊 亮

（1.大連船舶重工集團設計研究院有限公司 大連116005； 2.大連船舶重工集團有限公司 大連116005）

0 引 言

隨著海洋石油開采事業快速發展，海洋油氣資源勘探向更惡劣海況發展，浮式生產儲卸油平臺（簡稱FPSO）作為集生產、儲油、外輸、生活和動力于一體的多功能采油設施，在海洋石油開發中發揮越來越重要的作用，已成為世界海洋油氣開發中極具應用前景的浮式生產裝置［1］。FPSO具有適應水深范圍廣、抗風浪能力強、可重復使用等特點，可廣泛應用于遠離海岸的海域及邊際油田開發生產［2］。

FPSO是集船體的船舶系統、上部模塊油氣處理系統、系泊系統和外輸系統于一體的海上油氣處理裝置。由于FPSO系統較為復雜，油氣泄漏極易引發嚴重火災或爆炸事故［3］。消防系統作為FPSO船舶系統的一個重要子系統，是安全生產及人員的重要保障，在整個FPSO設計、建造及生產中起到至關重要的作用。FPSO消防系統一般是由消防水系統、低倍泡沫系統、水噴淋系統、高倍泡沫系統和惰氣滅火系統等多個滅火方式組成，而消防系統計算是整個消防系統設計的基礎，對消防系統的安全可靠性起到重要作用，可以解決消防系統設計及設備選型的關鍵問題，因此消防系統計算研究十分必要。

1 內轉塔式FPSO消防系統

文中研究的內轉塔式FPSO消防系統主要包括消防水系統、水噴淋系統和低倍泡沫系統。消防水系統功能是提供水源至水噴淋系統和泡沫系統，主要由消防泵、消防增壓泵和若干消防栓組成。消防水系統在貨油甲板區上布置濕式環形管網，并從環形管網分若干支路到雨淋閥、消防栓和泡沫炮等設備。水噴淋系統主要是降低火焰熱輻射能量，來自濕式環形管網的消防水經過雨淋閥，最后輸送至防火分區的噴頭，噴出的消防水用來降低被保護設備或結構物等的溫度，從而達到控制火焰蔓延的目的。低倍泡沫系統將來自濕式環形管網的消防水和來自泡沫環管的泡沫液，在比例混合器中混合成一定濃度的泡沫，在燃燒物表面形成連續的空氣隔離層，從而隔絕空氣，潮濕泡沫中帶有的水分可以達到降溫效果［4］。

FPSO消防滅火區域分為上部模塊、內轉塔、貨油甲板區、直升機甲板、生活區和船體機械處所6個獨立的防火區，通過安全距離或者防火結構的隔離方式，阻止火災擴散到相鄰處所，詳見表1。

表1 FPSO防火區

內轉塔、直升機甲板、生活區和船體機械處所各自成為獨立的防火分區，上部模塊的18個模塊均為單獨的防火分區，貨油甲板區按照貨油艙布置分隔成12個獨立的防火分區，因此FPSO共計34個獨立的防火分區。

文中的內轉塔式FPSO按美國船級社（ABS）規范規則進行設計、建造，并受之檢驗，同時需要滿足現行管理當局規則、現行行業規則和其他規范規則。因此，消防系統須完全符合ABS和有關國際公約的所有要求，包括消防泵布置、管材選取、消防栓規格和水龍帶規格等諸多方面；消防系統計算須滿足ABS MVR、ABS FOI、IMO FSS、NFPA 13和NFPA 15，包括工藝設備最低供水率，泡沫/噴淋最低供給率等要求，詳見下頁表2。

表2 規范規則

內轉塔式FPSO消防系統計算主要考慮上部模塊、內轉塔和貨油甲板區對消防水及低倍泡沫液的需求量，消防系統計算分為消防水量計算和低倍泡沫液量計算，由于直升機甲板、船體機械處所和生活區對消防水的需求量較少，文中不予考慮。

2 消防系統計算

2.1 上部模塊

上部模塊主要包括原油處理工藝、水處理工藝和氣處理工藝等油氣處理流程，基于油田的獨有特性，每個FPSO的上部模塊設計不盡相同。文中的內轉塔式FPSO上部模塊，根據服役油田特性設計成18個模塊，布置圖見圖1。

圖1 FPSO上部模塊布置圖

上部模塊的每個防火分區根據油氣處理需求布置工藝設備，模塊2P1、3P和4P的工藝流程需要工藝設備處理大量烴類液體，模塊2P2和5S的工藝流程導致設備會產生大量易燃液體，而模塊1S、3S和4S依據工藝流程需求配置燃油設備，此8個模塊需要泡沫液和消防水，在比例混合器中形成3%濃度的低倍泡沫，計算每個模

塊的消防水量Qw，并考慮25%冗余設計：

式中：Ai為需要消防水的工藝設備表面積，m2；ri為基于ABS FOI 3-8/5.1.4（c）和NFPA 13/15的設備最低供水率，見表3；n為每個模塊中需要提供消防水的設備數量；25%冗余設計可以提高上部模塊消防系統穩定性，而由于上部模塊主要布置大量的工藝設備，基于工藝設備表面積確定消防水量，可以滿足各類火災情況。

表3 工藝設備最低供水率

IMO FSS Ch. 14/2.2.1.3要求低倍泡沫系統以最大流量工作時，至少可以連續提供20 min的泡沫，以此計算每個模塊低倍泡沫液量Vf，計算結果見下頁表4。

表4 上部模塊每個防火分區消防水量和低倍泡沫液量

式中：Qw為每個模塊的消防水量，m3/h；3%為比例混合器中形成低倍泡沫的濃度。

上部模塊消防水量應考慮發生火災的單一防火分區和與該防火分區相鄰的其他分區，圖2是上部模塊發生火災的一種典型情況［6］。

圖2 上部模塊單一防火分區發生火災典型情況

該火災情況需要考慮3個防火分區，而右側相鄰的防火分區由于不存在烴類液體，可以不提供水噴淋系統。因此，FPSO上部模塊按照此原則可以分為18個火災情況，見表5，火災情況2所需的消防水量和低倍泡沫液量為最大值，即模塊2P1發生火災，啟動該模塊的低倍泡沫系統進行滅火，同時啟動模塊1P、2P2和1S的水噴淋系統來降低各自模塊的溫度，控制火焰蔓延。

表5 上部模塊火災情況

2.2 貨油甲板區

文中研究的內轉塔式FPSO根據貨油艙的布置，將貨油甲板區劃分為12個防火分區，如圖3所示。

圖3 貨油甲板區防火分區

基于IMO FSS Ch. 14/2.2.1.1的供給率見表6，分別根據表中的泡沫/噴淋供給率進行計算，25%冗余設計可以提高貨油甲板區消防系統穩定性。貨油區甲板消防計算應考慮整個貨油區甲板發生火災、單艙發生火災以及泡沫炮保護區域發生火災三種情況，進而選取最大消防水量和低倍泡沫液量。

表6 泡沫/噴淋最低供給率L/（min·m-2）

（1）根據貨油甲板區泡沫/噴淋供給率計算消防水量Q1，并考慮25%冗余設計：

式 中：W為 型 寬64 m，L為 貨 油 甲 板 區 長 度235.52 m，r1為 泡 沫/噴 淋 供 水 率0.036 m3/h/m2。計算出貨油甲板區消防水量為678 m3/h。

（2）根據單艙最大水平橫截面積泡沫/噴淋供給率計算消防水量Q2，并考慮25%冗余設計：

式中：S2為貨油艙的最大水平橫截面積S2=958.5 m2，r2為泡沫/噴淋供水率6.0 L/min/m2。

計算出最大水平橫截面積的貨油艙消防水量為432 m3/h。

（3）根據泡沫炮保護區泡沫/噴淋供給率計算消防水量Q3，并考慮25%冗余設計：

式中：S3為泡沫炮保護區面積205.32 m2，r2為泡沫/噴淋供水率6.0 L/min/m2。計算出泡沫炮保護區消防水量為37 m3/h，由于低于最小值1 250 L/min（75 m3/h），因此消防水量應為75 m3/h。

綜上所述，貨油甲板區低倍泡沫系統泡沫/噴淋量 應為Q1= 678 m3/h，而IMO FSS Ch. 14/2.2.1.3要求低倍泡沫系統以最大流量工作時，至少可以連續提供20 min的泡沫，因此低倍泡沫液量為678 m3/h×20 min/60 min×3%=6.78 m3。

2.3 內轉塔

內轉塔單點系泊是FPSO的一種重要系泊方式，主要包括轉塔、流體傳輸系統、轉塔傳遞系統和接口系統。內轉塔消防水量計算方法與上部模塊保持一致，使用表3中內轉塔最低供水率，結合工藝設備表面積計算出內轉塔消防水量為2 934 m3/h，而內轉塔不需要提供低倍泡沫液。

2.4 結果分析

上部模塊2P1發生火災對消防水和低倍泡沫液需求量最大，根據ABS FOI 3-8/5.1.2（b）.vi，上部模塊消防水量計算需要同時考慮貨油甲板區低倍泡沫系統的消防水量和兩個消防栓工作的消防水量，計算結果見下頁表7。

表7 上部模塊2P1發生火災的計算結果

當內轉塔發生火災，安全距離可以保證不會擴散到相鄰的模塊1P或者1S。但是考慮到內轉塔火災熱輻射對貨油甲板區的影響，內轉塔消防水量需要同時考慮貨油甲板區低倍泡沫系統的消防水量和兩個消防栓工作的消防水量，計算結果見表8。

表8 內轉塔發生火災的計算結果

當貨油甲板區發生火災，甲板耐火分隔保證不會擴散到上部模塊，此時需要同時考慮兩個消防栓工作的消防水量，計算結果見表9。

表9 貨油甲板區發生火災的計算結果

對以上計算結果進行分析發現：內轉塔發生火災時，消防水量最大；而上部模塊2P1發生火災時，低倍泡沫液量最大。因此，FPSO消防水量為3 660 m3/h，而低倍泡沫液量為9.789 m3，消防系統設備需要以此計算結果進行選型，配置3臺1 850 m3/h消防泵。發生火災時，2臺消防泵正常運行，另外1臺消防泵作為備用，并且配置15 m3低倍泡沫液柜。

3 結 語

內轉塔式FPSO消防系統計算方法可以計算出每種火災情況對消防水及低倍泡沫液的需求量，由此可以發現，上部模塊和內轉塔是消防系統設計重點考慮的消防滅火區域。

消防系統計算方法未考慮FPSO船東的個性化要求，需要根據船東具體要求來細化。

消防系統計算方法對消防系統設計及設備選型起到了關鍵作用，對FPSO消防系統設計有一定借鑒意義。