海洋油氣平臺總體布置與火區劃分優化

龍 海

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

海上石油工程中人員和設備經常處于或接近易燃易爆的危險場所，受海洋平臺面積所限，人員、設備高度集中。為了有效地保護人員、設備的安全，必須進行針對性的安全設計［1］。海洋平臺發生火災或危險氣體泄漏時，為了避免助燃火災、引爆可燃氣體或危險氣體彌散，火氣探測系統按照預設邏輯，將發生火氣報警的區域和可能遭受影響的區域的報警信號發給應急切斷系統，然后應急切斷系統會切斷與這些區域相關的通風、電氣以及油泵等設備［2］。為此，合理進行總體布置和劃分火區對平臺安全運行非常重要。本研究以南海某海洋平臺底層甲板公用區的總體布置和火區劃分為例，發現總體布置和火區劃分的不足之處，給出優化方案。

1 海洋油氣平臺總體布置與火區劃分原則

1.1 總體布置原則

在海洋油氣生產中，海上平臺造價昂貴，為減少設備占用面積和空間，要求工藝流程力求簡化，油氣處理設備尺寸盡量緊湊。同時，由于海上平臺遠離陸地，生產作業及維護成本高，要求處理設備具有較高的可靠性和耐用度，且便于維修。因此，為降低工程投資及操作成本，在設計中宜考慮通過使用新技術、新方法，簡化處理流程，減少設備數量，減小設備尺寸。根據中海油《海上固定平臺總體設計規范》總體布置應遵循以下8 點原則。①不同設備應按照工藝流程布置在不同層高的甲板上，盡量減少配管長度，并充分利用位能。②設備布置應考慮充分利用層高，盡可能將高度相近的設備集中布置，并在條件允許的情況下設置局部夾層。③成橇設備應結合甲板層高要求，在層高允許的情況下，適當增大橇塊的高度，減少設備長、寬尺寸，進而減少設備的占地面積。④主發電機、應急發電機、海水提升泵、電動消防泵等大型設備應根據設備維護要求確定合理的操作維修空間。⑤大型泵組兩側及上方應考慮更換電機和泵頭的操作維修空間，泵組上方應設置手動或電動軌道。海水提升泵、電動消防泵等潛沒泵，應考慮提泵作業的空間。⑥應急發電機應在主電源供電失效的情況下，確保在45 s之內自動啟動和供電。⑦應急發電機的安裝處所，應盡量遠離主發電機所在的機器處所，并應用A-60級耐火隔壁及甲板將與其相鄰的有火災危險的處所隔開。⑧主逃生通道寬度不應大于1.2 m，非主逃生通道寬度不應大于1.0 m，梯道凈寬不應大于1.0 m。

1.2 火區劃分原則

火區劃分的目的在于火氣探測，安全消防的安裝和設計。火區的劃分與消防規模的大小密切相關。目前平臺火區的劃分并沒有國家規定或相關規范要求，以下原則是根據經驗得出的。第一，按距離和防火隔斷為邊緣劃分；第二，需要同時考慮危險區域的劃分；第三，應考慮平臺關斷等級的設定；第四，兩個相鄰的火區在消防狀態無法隔離開來，應考慮設為一個火區；第五，甲板上下兩層應考慮為兩個不同的火區；第六，火區應為一個立體的空間；第七，應考慮逃生路線，火區不應阻擋逃生路線。

2 南海某平臺相關狀況與初始布局

南海某海洋平臺設主發電機，為獨立供電模式。主發電機系統包括燃油系統、滑油系統、控制保護系統、海水冷卻系統、排氣系統等。當任意一個系統發生故障時，主發電機均需停止運行。

2.1 配電形式

該平臺電力系統由發電機、配電裝置、配電電網和負載4 部分組成。發電機分為主發電機和應急發電機。配電裝置實現對電源的統一分配并具有監測、保護、測量、控制功能，主要由主配電盤、應急配電盤和分電箱組成。配電電網是配電網絡的總稱，分為主配電網、應急配電網、照明電網等。負載包括平臺所有的用電設備。正常狀態時由主發電機提供電源輸送到主配電盤，主配電盤經過變壓輸送到應急配電盤。電動消防泵由應急配電盤供電，應急發電機應在主電源供電失效的情況下，確保在45 s 之內自動啟動和供電。應急發電機的容量應滿足由其供電的應急負載要求。

2.2 消防形式

該平臺包含水消防系統、泡沫滅火系統、氣體滅火系統、干粉滅火系統等。為了達到冷卻保護的目的，應對油、氣處理系統中的容器和設備以及管匯進行水噴淋保護，其供水率應根據有關規范、標準的規定選取。該研究涉及的區域采取的雨噴淋也屬于水消防系統形式，由消防泵、消防管網、雨淋閥和噴頭組成［3］。海水經過消防泵進入主消防管網環路，然后連接消防雨淋閥，出現火災時啟動消防泵打開所在區域的雨淋閥，消防水經過噴頭進行滅火。消防泵包括柴油消防泵和電動消防泵，電動消防泵作為主消防泵，柴油消防泵作為備用消防泵。

2.3 消防泵啟用邏輯

如果主消防管網環路壓力下降到500 kPaG，主消防泵自動啟動。如果主消防泵啟動失敗應立即啟動備用消防泵，主消防泵啟動后，如果30 s 內壓力不能上升到900 kPaG，備用消防泵需立即啟動。中控室的應急操作臺也設置消防泵氣動按鈕和選擇開關，以便人工啟動消防泵。

底層甲板公用區，由4 個房間和室外部分組成，原方案分為5 個火區，四個房間各自為一個火區，整個室外部分為一個火區（FZ-1302），每個房間各自為一個火區。本研究主要分析火區FZ-1302，主要包括應急發電機、應急發電機柴油艙、海水提升泵、注水泵、陶瓷膜過濾撬、柴油消防泵以及室外過道等。具體如圖1（圖中的FZ-1307 將在下文中描述）所示。

圖1 某平臺底層甲板公用區總體布置圖

3 火氣關斷功能分析以及問題描述

3.1 火氣關斷功能分析

設置火氣關斷功能的目的是當火焰或可燃氣探頭探測到火區的火災或者可燃氣泄漏時，通過火氣控制系統采取一系列的安全措施，如報警、關斷、消防來保證平臺人員和設施的安全。本平臺分為開放區域和房間區域。開放區域通常屬于危險區，用于布置各種生產處理設施；房間區域通常屬于安全區，用于布置各種控制盤柜和消防設施等。開放區域確認火災或可燃氣體泄漏時，切斷相應層的照明和維修插座電源、電伴熱電源及相關設備電源。房間區域確認火災或可燃氣體泄漏時，總體斷電原則與開放區域一致，同時需要延時5 s 切斷UPS 控制電源［4］。該平臺開放區域單個探測器報警僅觸發操作站和應急操作盤報警，開放區域確認火災或可燃氣體泄漏觸發操作站、應急操作盤、PAGA 和平臺狀態燈報警，并切斷相應區域電源，啟動消防泵和開啟雨淋閥，向緊急關斷系統和鉆修機發出報警信號。主發電機區域確認火災或可燃氣體泄漏時，應關停主發電機。其他區域確認火災或可燃氣體泄漏時，不關停主發電機。空壓機區域確認火災或可燃氣體泄漏時，關停空壓機。其他區域確認火災或者可燃氣體泄漏時，不關停空壓機。

圖1 中室外火區火氣關斷邏輯分析如下。根據火區的火氣系統關斷原則，FZ-1302 中任意一處著火或可燃氣體泄漏，則要對整個FZ-1302 的用電設備進行電隔離（停止電力供應），同時啟動消防泵，打開此區域的雨淋閥。應急發電機布置在此火區，在著火情況下應急發電機應處于抑制啟動狀態。

3.2 問題描述

FZ-1302 出現火災時，海水提升泵被電隔離而停止工作，主發電機運行時由于需要海水冷卻，所以主發電機也被迫停止工作，導致平臺主電網失去電力，主電網失去電力之后應立即啟用應急發電機。但是應急發電機也在火區FZ-1302 內，火災時不能啟動。此刻主發電機和應急發電機均不能工作，所以主配電配和應急配電盤均不能提電力，電動消防泵作為負載掛在應急配電盤之下，導致電動消防泵無法啟動。然而在極端情況下，如果柴油消防泵起火，而無法工作。電動消防泵和柴油消防泵都不能啟動，導致整個平臺無法進行滅火，不滿足安全消防要求。

4 問題解決方案以及對比分析

為了達到安全消防要求，根據《海上固定平臺安全規則》，消防泵及其動力源和吸水源的布置應保證當任何一個處所失火時不能使兩臺消防泵同時失去效用。

4.1 方案1：增加火區

將原火區FZ-1302 分割為兩個火區：FZ-1302和FZ-1307。如圖1 所示，在應急發電機區域增加一個防火分隔墻，形成FZ-1307 火區，包括應急發電機和應急發電機柴油艙。如果火區FZ-1302 著火，主發電機停止工作，應急發電機在此火區無法啟動，應急配電盤正常工作，從而保證電動消防泵啟動，滿足安全消防要求。如果FZ-1307 著火，且極端情況下柴油消防泵著火，柴油消防泵和應急發電機雖然不能啟動，但是主發電機正常工作，應急配電盤由主配電盤供電，整個電網正常運行，也能保證電動消防泵正常啟動。

4.2 方案2：更改總體布置圖

問題的主要矛盾在于海水提升泵、應急發電機和柴油消防泵處于同一火區，火區著火導致安全消防失效，所以考慮將應三者中的任意一個設備移出火區FZ-1302。由于海水提升泵應盡量靠近海面以方便利用海水，所以移出海水提升泵不太合理。如果將應急發電機移出火區FZ-1302，火區FZ-1302 著火后，海水提升泵斷電，主發電機停止工作后，應急發電機立即啟動，滿足安全消防要求。但是應急發電機緊靠應急發電機艙，移出應急發電機也要將應急發電機艙一并移出，所以改動工程量也比較大。故而將柴油消防泵移出火區FZ-1302。火區FZ-1302 著火后，電動消防泵不能啟動，但是柴油消防泵能夠保證啟動，也滿足要求。所以綜合考慮，本方案選擇將柴油消防泵移出火區。

4.3 方案對比

將方案1、方案2 與原方案做了一個因果矩陣圖，對比結果見表1。

表1 因果邏輯矩陣

5 結語

該研究論述了海洋油氣平臺的總體布置原則和火區劃分原則，并通過實例分析了總體布置和火區劃分中出現的問題。從功能上看，增加火區和移出柴油消防泵都是合理方案。如果考慮到經濟因素，增加火區需增加防火分隔墻，那么方案2 移出柴油消防泵是比較合理的；考慮減少總體布置的改動，那么方案1 增加火區是比較合理的。由于海洋油氣平臺離大陸較遠，本身危險性極高，平臺安全顯得尤為重要。在平臺設計初期，要對平臺設備進行合理地總體布局和火區劃分。該研究對海洋油氣平臺的總體布置和火區的優化措施是基于實際工程實踐得出的，希望對相關工程設計人員具有一定的借鑒和參考價值。