海上油氣生產(chǎn)設(shè)施消防水噴淋系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝金洪，李 津，李艷華，祝皎琳

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海上油氣生產(chǎn)設(shè)施消防水噴淋系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝金洪，李 津，李艷華，祝皎琳

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

消防水噴淋系統(tǒng)是海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的重要組成部分，其設(shè)計(jì)與海上油氣生產(chǎn)設(shè)施上的供電系統(tǒng)和總體布置等相互影響。海上油氣生產(chǎn)設(shè)施噴淋系統(tǒng)的噴頭選型和管網(wǎng)布置對(duì)整個(gè)消防水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校核影響較大。從理論和實(shí)際工程設(shè)計(jì)角度出發(fā)，提出了優(yōu)化噴頭選型和管網(wǎng)布置的方法，以求在滿足安全和規(guī)范要求的前提下，盡量降低消防水量，減小消防水噴淋系統(tǒng)的規(guī)模，節(jié)約工程投資。

海上油氣生產(chǎn)設(shè)施；噴淋系統(tǒng)；噴頭選型；管網(wǎng)優(yōu)化

0 引 言

海上油氣生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備高度集中，處理的介質(zhì)是高溫、高壓的原油或者天然氣，因此海上油氣生產(chǎn)設(shè)施上存在較高的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)蔓延速度快，后果非常嚴(yán)重[1]。消防水噴淋系統(tǒng)是海上油氣生產(chǎn)設(shè)施上的重要安全系統(tǒng)。利用海水的冷卻、稀釋作用，消防水噴淋系統(tǒng)能夠有效地控制火災(zāi)影響范圍，將危險(xiǎn)消滅在初期階段[2]。消防水噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一是消防水流量的計(jì)算。消防水量計(jì)算是否合理，在很大程度上影響著整個(gè)海上油氣生產(chǎn)設(shè)施消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。消防水量的大小決定了消防主管網(wǎng)的尺寸，對(duì)消防泵的功率大小也有著決定性的影響。如果消防泵采用電動(dòng)消防泵，由于電動(dòng)消防泵的啟動(dòng)電流是額定工作電流的3～7倍，消防泵的功率大小對(duì)生產(chǎn)設(shè)施上電網(wǎng)的影響也是不可忽視的。由此可見(jiàn)消防水量的大小對(duì)工程投資和海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計(jì)有著重要的影響。海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的消防水量主要取決于消防水噴淋系統(tǒng)的水量，噴淋系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)消防水量影響重大。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)海上油氣生產(chǎn)設(shè)施噴淋系統(tǒng)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)設(shè)施的工程投資有著重大的經(jīng)濟(jì)意義和實(shí)踐意義。本文從噴頭選型和管網(wǎng)布置兩方面提出優(yōu)化方法，以期降低消防水量，并減小消防水噴淋系統(tǒng)的規(guī)模。

1 消防水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

如圖1所示，海上油氣生產(chǎn)設(shè)施上的消防水系統(tǒng)由消防泵、濾器、主環(huán)路、噴淋閥、軟管站、消防栓等組成。如果生產(chǎn)設(shè)施上有直升機(jī)甲板，一般還有泡沫罐和泡沫炮。

圖1 海上油氣生產(chǎn)設(shè)施消防水系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of the fire water system on offshore oil and gas production facility

生產(chǎn)設(shè)施上消防水量主要由兩部分組成。一部分是消防水軟管站的水量，這部分水量是一個(gè)固定值(每個(gè)軟管站的額定流量是固定值)，對(duì)整個(gè)消防水系統(tǒng)的影響較??；另一部分是噴淋系統(tǒng)的水量，這部分水量是消防水量的主要組成部分，對(duì)消防水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著決定性的影響。

噴淋系統(tǒng)的水量有理論水量和實(shí)際水量。理論水量是規(guī)范規(guī)定的最低噴淋水量，由噴淋強(qiáng)度[L/(min·m)2]與噴淋面積(m2)的乘積確定。實(shí)際的噴淋水量是由噴頭的個(gè)數(shù)和噴頭的流量來(lái)決定的，計(jì)算公式為

式中：QA為實(shí)際噴淋水量；N為第i個(gè)設(shè)備需要的噴頭個(gè)數(shù)；K為保護(hù)第i個(gè)設(shè)備的噴頭流量系數(shù)；p為噴頭的額定工作壓力。在設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要在實(shí)際噴淋水量的基礎(chǔ)上考慮一定的安全系數(shù)作為最后的設(shè)計(jì)水量。這是因?yàn)槌钸h(yuǎn)點(diǎn)的噴頭外，其他噴頭的實(shí)際工作壓力值均會(huì)超過(guò)額定壓力，導(dǎo)致噴淋水量增加。如果噴淋管網(wǎng)布置較為均衡，其他各噴頭與最遠(yuǎn)點(diǎn)噴頭間的工作壓力相差不大，則該系數(shù)可取小一些。

由上述討論可知，影響噴淋水量的主要因素有被保護(hù)設(shè)備面積、噴淋強(qiáng)度、噴頭選型和噴淋管網(wǎng)布置。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，保護(hù)設(shè)備的面積和噴淋強(qiáng)度根據(jù)相應(yīng)規(guī)范確定即可[3-4]，優(yōu)化的空間較小。本文主要關(guān)注噴頭選型和噴淋管網(wǎng)布置這兩個(gè)因素。

2 噴頭選型的原則和優(yōu)化方法

2.1 噴頭選型原則

噴頭的選型一般要遵循以下三個(gè)原則：(1)保證設(shè)備完全覆蓋。規(guī)范規(guī)定[3]噴頭噴灑范圍應(yīng)該相互重疊，即被保護(hù)設(shè)備表面要全部被覆蓋。(2)噴頭的實(shí)際噴淋水量要盡量接近理論水量，從而在滿足規(guī)范要求的條件下減少消防水量。當(dāng)然，實(shí)際噴淋水量和理論水量之間的差距還與設(shè)備大小有關(guān)。由于單個(gè)噴頭的流量是固定值，設(shè)備被保護(hù)的面積越小，噴頭個(gè)數(shù)越少，實(shí)際噴淋水量和理論水量的偏離也就越大。(3)在同一個(gè)噴淋系統(tǒng)中，噴頭型號(hào)盡可能少，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝和維護(hù)。

2.2 噴頭優(yōu)化方法

噴頭的布置主要是根據(jù)噴頭的保護(hù)半徑與設(shè)備的噴淋面積確定噴頭的個(gè)數(shù)。噴頭的保護(hù)半徑與噴頭的型號(hào)以及噴頭安裝高度有關(guān)。以海洋工程中使用較多的BETE N系列噴頭為例。圖2是平臺(tái)上比較常用的三個(gè)系列噴頭的噴灑曲線。圖3是同一型號(hào)的噴頭在不同工作壓力下的噴灑曲線。在海上油氣生產(chǎn)設(shè)施上，空間位置是一個(gè)重要的制約因素，噴頭的安裝高度一般為0.6～0.8 m，最大距離不超過(guò)1 m。由圖2可知，在1 m的安裝高度內(nèi)，不同噴頭的保護(hù)半徑相差不大。圖3表明，在不超過(guò)1 m的安裝高度內(nèi)，不同工作壓力下的保護(hù)半徑幾乎相同。所以，在海上油氣生產(chǎn)設(shè)施上，噴頭的保護(hù)半徑與噴頭的型號(hào)、噴頭的工作壓力關(guān)系不大。在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，可以先假定一個(gè)保護(hù)半徑，計(jì)算出噴頭的個(gè)數(shù)和每個(gè)噴頭的理論噴淋流量，根據(jù)式(1)就能夠計(jì)算出噴頭的流量系數(shù)K，從而進(jìn)行噴頭的選型。根據(jù)噴頭選型的第三原則，同一個(gè)噴淋系統(tǒng)的噴頭型號(hào)要盡量少。若某種型號(hào)的噴頭數(shù)量較少，考慮安裝和維護(hù)方便，可以選擇其他型號(hào)的噴頭進(jìn)行替代。

圖2 平臺(tái)上常見(jiàn)噴頭的噴灑曲線Fig.2 Performance curves of the spray nozzles used on offshore oil and gas production facility

圖3 不同工作壓力下N2W型噴頭的噴灑曲線Fig.3 Performance curves under different work pressures of the N2W spray nozzle

噴頭工作壓力的選擇對(duì)噴淋水量的影響較大。對(duì)固定水噴淋系統(tǒng)噴頭的工作壓力，不同的規(guī)范推薦值不同。NFPA 15[3]推薦值是1.4×105Pa，API RP 2030[4]推薦值是2.1×105Pa。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50219—2014要求，對(duì)于以滅火為目的的噴淋消防系統(tǒng)，噴頭設(shè)計(jì)壓力采用3.5×105Pa，對(duì)于以防護(hù)冷卻為目的的噴淋系統(tǒng)，噴頭設(shè)計(jì)壓力采用2×105Pa。目前海上油氣生產(chǎn)設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)均以滅火為設(shè)計(jì)目的，所以采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦的3.5×105Pa。如前所述,噴頭布置的重要原則是覆蓋設(shè)備表面，因覆蓋直徑與安裝高度關(guān)系最大，與壓力關(guān)系不大，對(duì)于同一個(gè)設(shè)備，不會(huì)因?yàn)閲婎^的工作壓力增加而減少噴頭的個(gè)數(shù)。但采用較大的工作壓力時(shí)，實(shí)際噴淋水量較理論水量偏離較大，導(dǎo)致消防水系統(tǒng)水量增加，投資增加。

2.3 工程實(shí)例

下面以CFD WHPD井口平臺(tái)上的一個(gè)防火區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行消防水量的計(jì)算，比較噴頭在不同工作壓力下實(shí)際噴淋水量偏離理論水量的大小。該防火區(qū)域內(nèi)的設(shè)備以及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某防火區(qū)域內(nèi)需要水噴淋保護(hù)的設(shè)備及相關(guān)參數(shù)Table 1 Information about the equipment to be protected by fire water system on CFD WHPD platform

表1給出了各設(shè)備所需要的理論流量。實(shí)際噴淋流量必須不小于理論流量才能滿足規(guī)范的要求。但是實(shí)際噴淋水量偏離理論水量太大不僅造成水量的浪費(fèi)，同時(shí)還使投資變大，增加了成本。優(yōu)化噴頭工作條件，合理布置噴頭，使實(shí)際噴淋流量接近理論流量，在滿足規(guī)范要求的前提下減少投資、節(jié)約成本是在進(jìn)行消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問(wèn)題。下面就噴頭在兩種不同工作壓力下的實(shí)際流量相對(duì)理論水量的偏離情況進(jìn)行比較說(shuō)明。

表2給出了分別在1.4×105Pa和3.5×105Pa工作壓力下實(shí)際噴淋水量的比較。由表2可知，在滿足規(guī)范要求的最低噴淋流量的條件下，選擇較小的噴頭工作壓力時(shí)實(shí)際噴淋流量和理論流量比較接近，能夠降低消防系統(tǒng)的水量。所以噴頭的優(yōu)化布置和工作參數(shù)的合理選擇有利于降低噴淋水量，減少工程投資。

表2 不同工作壓力時(shí)的實(shí)際噴淋水量Table 2 Relationship between the fire water demand and work pressure of the spray nozzle

3 噴淋管網(wǎng)布置的原則和優(yōu)化方法

噴淋管網(wǎng)的布置要考慮管網(wǎng)的均衡性，以保證最遠(yuǎn)點(diǎn)與最近點(diǎn)噴頭之間的壓力損失最小，從而可以降低噴淋水量。管網(wǎng)的均衡性可以從以下幾個(gè)方面考慮。

首先是管道的空間布置。如果管道的空間布置對(duì)稱性較好，則各噴頭之間的壓力差較小，管網(wǎng)均衡性強(qiáng)。但是在海上油氣生產(chǎn)設(shè)施上空間有限，管道的布置受諸多因素限制，要布置成對(duì)稱性的管網(wǎng)，難度較大。

其次是管網(wǎng)管徑的選擇。管徑的選擇在實(shí)際工程中有兩種常用的方法：第一種是對(duì)一個(gè)噴淋區(qū)域采用一個(gè)管徑較大的主管，各個(gè)設(shè)備的噴淋管線從主管上直接引出；第二種方法是主管的管徑是變化的，隨著管道內(nèi)流量的減少，管徑是逐漸縮小的。圖4示出了兩種不同的管徑選擇方式。第一種方法由于去各個(gè)設(shè)備的小管徑管道較長(zhǎng)，壓力損失增加，從而導(dǎo)致了管網(wǎng)的非均衡性。第二種方法則由于到各個(gè)設(shè)備的小管徑管道較短，壓力損失較小，有利于增加管網(wǎng)的均衡性。

管網(wǎng)的均衡性還需要考慮噴淋閥相對(duì)設(shè)備的空間位置。噴頭多的設(shè)備盡量放在噴淋管網(wǎng)距離噴淋閥較遠(yuǎn)的地方。這是因?yàn)榫嚯x噴淋閥較近的地方，壓力偏差更大，如果噴頭數(shù)量多，則水量偏差更多，從而導(dǎo)致消防水量的增加。

圖4 兩種不同的管徑選擇方法Fig.4 Diagram for two different ways to design fire water pipe diameter

4 結(jié) 語(yǔ)

從理論上分析，海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的消防水流量計(jì)算可以從噴頭選型、噴頭工作壓力選擇、消防水噴淋管網(wǎng)的均衡性等方面進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)渤海CFD WHPD固定生產(chǎn)平臺(tái)上的消防水噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)噴頭型號(hào)的選擇和噴頭工作壓力的選擇對(duì)消防水流量的影響非常明顯，合理的噴頭選型和工作壓力選擇能夠在滿足規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，減少消防水流量。

噴淋管網(wǎng)均衡優(yōu)化布置對(duì)消防水量也有一定的影響。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的總體布局，合理規(guī)劃消防水噴淋系統(tǒng)的管道走向；根據(jù)消防水流量從上游到下游逐漸遞減的規(guī)律，合理設(shè)計(jì)管道直徑，可以減少由于管道摩擦阻力損失帶來(lái)的壓力下降，從而提高管網(wǎng)的均衡性，降低噴頭偏離設(shè)計(jì)工作壓力的幅度，減少噴淋水量的浪費(fèi)。

[1] 王少平.海上油氣田平臺(tái)安全定量分析[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2004(10)：20.

[2] 溫哲華.BZ25-1油田安全風(fēng)險(xiǎn)及其保障措施研究[D].成都：西南石油學(xué)院，2005.

[3] National Fire Protection Association. NFPA 15. Standard for water spray fixed systems for fire protection[S]. 2007.

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[5] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50219—2014.水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].2014.

DelugeSystemOptimizationDesignforOffshoreOilandGasProductionFacility

XIE Jin-hong, LI Jin, LI Yan-hua, ZHU Jiao-lin

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Deluge system is an important system on offshore oil and gas production facility. The design of deluge system is related with other offshore system design such as electric system and general layout design. Nozzle type selection and deluge distribution piping routing have much more impact on the fire water system design. We put forward an optimization method from the theoretical to the actual engineering design aspects. This method can decrease the water demand as much as possible and save the engineering cost on the premise of meeting the requirements of safety and standards.

offshore oil and gas production facility; deluge system; nozzle type selection; deluge distribution piping optimization

U664.88

A

2095-7297(2015)02-0128-05

2015-04-21

謝金洪(1979—)，男，工程師，主要從事海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)方面的研究。