無人平臺井口區智能化消防系統方案設計研究

劉 銳，邱 爽，邵士發，曾一勇，曾祥紅

中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津 300450

0 引 言

無人平臺是指正常生產過程中不設人員值守，依靠遠程監控手段來控制生產，人員僅在檢修、維修或鉆修井期間進行訪問作業［1］。參考既往海上平臺火災事件發生情況，無人平臺發生惡性火災事件的概率很低［2］。以往無人平臺消防設計多遵循工藝簡單、設備數量少、性能可靠原則，通常不設置消防泵［3］。

近年來，隨著海上平臺無人化的推進，無人平臺井口區消防可靠性的要求大大提高，為了更好地對無人平臺井口區域進行監控及防護，考慮設計一套無人平臺智能消防系統，在第一時間精準研判火情，確定火情后，立刻發出相關報警和關停信號，同時啟動相關滅火設施，滿足火災撲救要求，實現無人平臺消防系統智能化。

智能化消防系統具備較強的適應性和安全可靠性，能根據現有平臺結構特點進行適應性改造，具備遠程控制、運行狀態檢測、數據可視化功能。

1 海上采油平臺開放區域常用消防系統

海上平臺對外救援有局限性，發生火災后，主要依靠自救。海上平臺消防多以海水為滅火介質，開放區域主要采用水消防系統和泡沫滅火系統［4］。

1.1 自動噴水滅火系統

對于海上固定平臺，最有效、使用最廣泛的就是自動噴水滅火系統，其主要分類如圖1 所示。考慮到海上生產平臺的特殊性，一般采用開式自動噴水滅火系統，可分為雨淋系統、水幕系統、水噴霧系統，目前常用的為雨淋系統。

圖1 自動噴水滅火系統分類Fig.1 Classification of automatic sprinkler systems

海上平臺消防系統典型流程如圖2 所示。一般而言，海上采油平臺雨淋系統通常由消防泵、消防環網、雨淋閥和噴頭組成，由消防泵向消防環網供水，雨淋閥控制水到達待滅火區域，水通過噴頭形成雨淋，最終達到滅火目的。

1.2 泡沫滅火系統

泡沫滅火系統常見分類如圖3 所示。按泡沫滅火劑的發泡性能不同，可分為低倍數泡沫滅火系統（發泡倍數≤20）、中倍數泡沫滅火系統（發泡倍數20~200）和高倍數泡沫滅火系統（發泡倍數大于200）［5］。

圖3 泡沫滅火系統分類Fig.3 Classification of foam fire extinguishing systems

泡沫滅火系統對可燃液體的撲救效果非常明顯，但對氣體或氣液混相的滅火對象的撲救效果并不明顯。在海洋石油生產過程中，除合格原油儲存外，絕大部分為氣液混相，通常使用低倍數發泡，為移動型局部應用式。

泡沫滅火系統主要由泡沫泵、泡沫液儲罐、泡沫比例混合器、泡沫產生裝置、控制閥門及管道等組成。運行時，由泡沫泵從泡沫液儲罐將泡沫原液泵送至比例混合器，在此與消防水進行一定比例的混合，然后經管道和控制閥到達釋放區域，在泡沫產生裝置作用下，對滅火區域進行泡沫覆蓋，最終實現滅火。

2 滅火系統選擇

本次研究主要用于某無人平臺井口區，如圖4 所示，8 m×5.8 m×4 m的空間內設置生產井12 口。井口區域發生原油泄漏后，極易形成流淌火災，因此，考慮采用滅火高效、響應較快速的水噴淋系統或泡沫滅火系統。

圖4 被保護區域Fig.4 Protected area

2.1 目標平臺消防設施現狀

目標平臺現設有干式消防環網；設有2 個國際通岸接頭，用于連接外界船舶，并為其提供水源；設有水龍帶、噴淋管線及噴頭，用于保護井口及工藝設備，噴淋管線上的閥門為常開狀態。

2.2 消防系統選擇

結合目標平臺井口區結構和其他邊界條件現狀，依據現行規范提出適用于無人平臺井口區的泡沫水噴霧滅火方案和泡沫渦扇炮滅火方案。

2.2.1 增設消防泵對雨淋系統供水方案

根據目標平臺井口區域面積及井口數，計算井口區所需消防水量約為86 m3/h，2 個消防軟管站為50 m3/h，按10%余量考慮，可選擇2 臺排量150 m3/h、出口壓力800 kPa（G）的消防泵。

根據《海上固定平臺安全規則》［6］，消防泵應由應急配電系統供電。考慮到平臺不具備應急發電機組，所配置的UPS電源容量較小（10 kVA），不能滿足消防泵的使用要求，在綜合考慮電氣系統設計難度、改造工作量、研究成果推廣難度等因素下，認為增加消防泵對雨淋系統供水的方案不可行。

2.2.2 泡沫水噴霧滅火方案

環保型3% AFFF水成膜泡沫滅火劑附著力強，可有效覆蓋油井口管束區域流淌火災，能夠防止火災蔓延，同時結合水噴霧和泡沫的雙重滅火機理，既可通過泡沫在燃料表面的覆蓋隔斷氧氣窒息滅火，又可通過水霧冷卻及水汽蒸發窒息滅火，且用水量只有水噴霧用量的1/5。

泡沫水噴霧系統配備一體化泵房，選用泡沫噴霧噴頭流量為2.0 L/s，噴頭射程不小于5 m，噴頭安裝間距不大于4 m，在噴頭雙側布置即可滿足現場需求，如圖5 所示。

圖5 泡沫水噴霧噴頭布置Fig.5 Arrangement of foam water spray nozzles

系統按4只噴頭流量之和計算，水流量為8.148 L/s，泡沫原液流量為0.252 L/s。管道內的水流速度宜采用經濟流速，確定供水管道管徑為DN80，泡沫管道管徑為DN25。

供水系統工作壓力按照最不利點的阻力損失計算，需選用泵組（一用一備）參數為流量10 L/s、揚程50 m、功率10 kW。

泡沫供應系統工作壓力按照最不利點最低工作壓力計算，需選用泵組（一用一備），參數為流量1 L/s、揚程60 m、功率1.5 kW，泡沫儲存罐按照現場持續消防10 min用量計算，有效容積需求為0.5 m3。

2.2.3 泡沫渦扇炮滅火方案

泡沫渦扇炮可用于撲滅大規模火災，具備廣泛適用特性，有霧炮、泡沫炮、水炮3種模式，集各滅火技術優點于一身，能使滅火效能最大化、水消耗最小化。

泡沫渦扇炮系統配備一體化泵房，選用渦扇炮頭流量為500 L/min，射程不小于22 m，布置如圖6所示。

圖6 泡沫渦扇炮布置Fig.6 Layout of Foam monitor

系統按1 只渦扇炮頭流量計算，水流量為8.49 L/s，泡沫流量為0.263 L/s。管道內的水流速度宜采用經濟流速，確定供水管道管徑為DN80，泡沫管道管徑為DN25。

供水系統工作壓力按照最不利點的阻力損失計算，需選用泵組（一用一備），參數為流量10 L/s、揚程140 m、功率30 kW。

泡沫供應系統工作壓力按照最不利點最低工作壓力進行計算，需選用泵組（一用一備），參數為流量1 L/s、揚程140 m、功率2.2 kW，泡沫儲存罐按照10 min儲量計算，有效容積需求為0.5 m3。

3 水源方案研究

目標平臺無海水系統，注水來自另一集輸平臺，通過注水海管輸送，與最近的有人平臺相距5.2 km，現有消防系統由支持船提供水源，無法保證水源的及時性。目標平臺受供電系統限制，不具備增設消防泵條件。為保障供水及時性，重點分析增加消防水儲罐和引用注水方案。

3.1 增加消防水罐

按照消防系統連續運行10 min計算需水量，泡沫噴霧系統用水量為4.9 m3，泡沫渦扇炮系統用水量為5.1 m3。選取淡水為消防用水，在平臺上設置集裝箱一體化泵房，以更大程度地保證供水的有效性。

消防水罐流程如圖7 所示，從消防水儲罐引出DN100 的消防供水總管連接至一體化泵房向泡沫渦扇炮系統或泡沫噴霧系統供水。

圖7 消防水罐流程圖Fig.7 Flow diagram of fire water tank

3.2 引用注水

目標平臺注水海管的壓力為11 400 kPa（G），最大量為199 m3/h，進入污水回注井完成回注，回注壓力為4 000 kPa（G）。從污水回注井前4 000 kPa（G）壓力的管線上引一路支管，降壓至800 kPa（G），并連接至現有消防管網，采用噴淋滅火方式，滿足消防用量。

在目標平臺中長期規劃中，注水井可能調整改為生產井使用，屆時將不再有注水到達目標平臺，難以保障長期穩定。同時，由于該平臺實施生產污水回注，所以注水中含微量油，不滿足消防水源要求。

4 配電方案研究

目標平臺的10.5 kV母線分為兩段，每段母線均配有1 250 A的VCB母聯開關。平臺400 V正常配電系統分為LA和LB兩段，分別由對應的10.5 kV中壓開關通過2.5 MVA的降壓變壓器供電。平臺正常配電系統的10.5 kV 中壓盤和400、230 V 低壓盤均布置在下層甲板的主配電間內。

平臺未配置應急發電機組，應急配電系統由交流不間斷電源（UPS）組成，容量為10 kVA。應急配電系統的UPS電池布置在平臺電池間內，UPS配電盤布置在主配電間內，平臺未設置應急配電間。

泡沫水噴霧系統的主要用電設備為噴霧泵組模塊（10 kW）和泡沫泵組模塊（1.5 kW），泡沫渦扇炮系統的主要用電設備為噴霧泵組模塊（30 kW）和泡沫泵組模塊（2.2 kW）。按照持續實施滅火10 min計算，新增設備功率不大，持續工作時間不長，可新增交流不間斷電源為設備供電，其參數如表1 所示。

表1 新增交流不間斷電源參數Tab.1 Parameters for new UPS

新增UPS系統采用撬裝房一體設計，不占用原平臺電池間空間（原平臺電池間空間較小，不滿足新增UPS系統電池布置要求），新增UPS系統和撬裝房（空調、風機、加熱器等），由UPS配電間內的負載柜提供電源。

泡沫水噴霧系統匹配UPS撬裝房分為UPS配電間和電池間，UPS配電間尺寸為3.6 m×2.5 m×3.2 m，電池間尺寸為2.9 m×2.5 m×3.2 m，如圖8 所示。

圖8 泡沫水噴霧系統一體化UPS撬裝房布置圖Fig.8 UPS room for foam water spray system

泡沫渦扇炮系統匹配UPS撬裝房同樣分為UPS配電間和電池間，UPS配電間尺寸為4.2 m×2.5 m×3.2 m，電池間尺寸為5.3 m×2.5 m×3.2 m，如圖9所示。

圖9 泡沫渦扇炮系統一體化UPS撬裝房布置圖Fig.9 UPS room for foam turbofan gun system

考慮到UPS系統的過載能力較低，為避免電機啟動過程中造成逆變器過載，在集裝箱一體化泵房內壁安裝變頻器，用于啟動30 kW的噴霧泵組。

5 設備布置與結構改造

泡沫水噴霧滅火方案和泡沫渦扇炮滅火方案均需要在目標平臺增加集裝箱一體化泵房和UPS撬裝房。經核實，可以在夾層甲板南側布置新增集裝箱一體化泵房，但需外擴1.3 m×4 m + 4.81 m×1.15 m甲板作為檢修通道。目標平臺已無空間放置新增UPS撬裝房，只能布置在外擴甲板上，若采用泡沫水噴霧滅火方案，則可在平臺西側外擴4 m×9.5 m甲板；若采用泡沫渦扇炮滅火方案，則可在平臺西側外擴4 m×13 m甲板。

按照泡沫水噴霧滅火方案布置后，新增設備荷載約50.27 t，外擴甲板面積70 m2。按照泡沫渦扇炮滅火方案布置后，新增設備荷載約25.55 t，外擴甲板面積90 m2。新增結構采用H700 型鋼、H440 型鋼、H300 型鋼、直徑273 mm管及厚8 mm鋼板，以詳設圖紙及計算報告為基礎。基于詳設模型，對比改造前后的結構強度、樁基變化情況。

為保證計算結果更真實，對詳設圖紙與詳設模型進行對比，其中組塊軸線間距、主梁、主立柱、頂層放設備區域小梁規格與詳設基本一致，樁徑、入泥深度、導管架主腿尺寸均與詳設一致。經計算，改造后的組塊主結構強度、導管架結構強度及改造區域結構強度均滿足設計要求，樁腿余量較大，基本滿足設計要求。

6 儀控設計

根據改造規模，設置一套現場控制盤，以實現現場設備的控制、探測報警及關斷。盤內控制系統有獨立的處理器，可以進行數據處理和邏輯運算，預留國際標準的Modbus RTU將系統數據傳輸到平臺現有的控制系統。

為了確保裝置安全可靠并穩定運行，現場控制盤采用UPS供電，供電時間不小于30 min。控制盤連接UPS撬裝房和井口區火氣防護信號、工藝設備信號、配電信號、消防信號及現場儀控設備信號，由現場控制盤統一處理，以實現高度自動化。

6.1 自動化控制管理功能

6.1.1 控制功能

①具備自動啟動功能，能利用火焰探測器、紅外熱成像攝像頭辨識井口區火情，同時向平臺中控發出確認火災信號；②具備一鍵啟停功能，只需要操作人員遠程單擊“一鍵啟動”按鈕，系統即可按預設程序運行，系統出現故障時，能自動進入故障處理流程并報警；③具備遠程調控能力，操作人員可遠程調整系統運行設置，如自動啟動抑制、報警信息確認等。

6.1.2 管理功能

①具備參數監控和記錄、診斷功能，可以實時顯示系統各運行參數并形成歷史趨勢，利用監測到的參數進行故障自診斷；②具備網絡對接和系統擴展能力，系統預留網絡數據接口，可與其他系統對接形成互聯，用于集中管理、統一調度和事件統計等。

6.2 現場儀控設備要求

在新增設備區域布置2 臺三頻紅外火焰探測器和2 臺紅外熱成像攝像頭，并接入本次新增現場控制盤，用于實現多種熱成像測溫應用功能和現場火情探測。新增的現場儀表、閥門和火氣探測設備遵循原平臺規格書要求，與原平臺儀控設備類型保持一致，便于平臺統一維護和管理。

7 結 語

本文以渤海某無人平臺為研究對象，綜合考慮無人平臺井口區水源獲取、電力匹配、結構布置等因素，對無人平臺消防系統進行改造設計分析，得到的結論如下。

一是消防系統方面，泡沫水噴霧系統和泡沫渦扇炮系統方案均滿足目標平臺消防要求，可考慮在目標平臺落實。綜合考量改造量和經濟方面的影響后，認為泡沫水噴霧系統更切合實際。

二是水源選取方面，增加電動水罐方案改造量大，且電氣改造無法實現；引用注水方案由于利用的生產水含有微量油，且難以保證水源長期穩定供應，所以不滿足水源要求。綜合考量后，增加消防水罐更加合理。