FPSO水消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳國剛

0 引言

PETROBRAS 70是一條排水量為35.35萬噸的新建FPSO，總長307.5 m，型寬54 m，型深31.5 m，最大操作吃水23.146 m，搭載16個(gè)上部模塊（不包括火炬塔和管廊），入籍ABS船級社，用于巴西桑托斯盆地鹽下油田開采。

FPSO是集人員居住、生產(chǎn)指揮、石油裝載、油氣水分離、油氣外輸?shù)葹橐惑w的海上石油生產(chǎn)基地，設(shè)計(jì)壽命25年，長期在各種工況的海上油田作業(yè)，火災(zāi)和爆炸隱患多，所以消防系統(tǒng)為保護(hù)人員安全和設(shè)備的正常運(yùn)行顯得尤為重要。本船配備的消防系統(tǒng)主要由消防水系統(tǒng)、低倍泡沫系統(tǒng)、固定式二氧化碳滅火系統(tǒng)及便攜式滅火設(shè)備等組成。本文詳細(xì)介紹本船水消防系統(tǒng)的設(shè)備組成、管網(wǎng)布置及設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)等，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 消防水系統(tǒng)

消防水系統(tǒng)是FPSO普遍應(yīng)用的滅火系統(tǒng)之一，系統(tǒng)的主要目的是向主船體、上部模塊、生活區(qū)、機(jī)艙、主甲板等區(qū)域的消防栓和消防炮提供水源，以及為低倍泡沫滅火系統(tǒng)、水噴淋系統(tǒng)等供給海水。系統(tǒng)通過消防炮和消防栓噴射一定壓力的水柱對著火源進(jìn)行降溫、冷卻，達(dá)到滅火的目的。

1.1 主要設(shè)備

1）主消防水泵

PETROBRAS 70 FPSO水消防系統(tǒng)主要配備了2套柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓消防泵組，分別位于生活區(qū)外部左右舷處，每套消防泵組由浸沒式液壓驅(qū)動(dòng)海水提升泵、及位于集裝箱單元內(nèi)的柴油機(jī)、柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓動(dòng)力單元和海水增壓泵、燃油柜、獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，并在外部配備獨(dú)立的固定式二氧化碳滅火設(shè)備。

工作原理是柴油機(jī)啟動(dòng)后一邊驅(qū)動(dòng)液壓動(dòng)力單元，從而提供海水提升泵的能量，一邊驅(qū)動(dòng)海水增壓泵工作，確保系統(tǒng)提供所需壓力。其他輔助設(shè)備為柴油機(jī)的運(yùn)行、操作、安全等方面提供保障。主消防水泵的自動(dòng)啟動(dòng)是通過主消防環(huán)路上的壓力傳感器控制，壓力低到設(shè)定值時(shí)，主消防水泵自動(dòng)啟動(dòng)，消防水泵停止要通過手動(dòng)關(guān)閉實(shí)現(xiàn)。

柴油機(jī)型號為卡特皮勒3512C-HD，最大持續(xù)功率為1 895 kW，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。

2）消防水保壓泵

配備2臺(tái)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏，保壓罐液位降低到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)，維持管道系統(tǒng)壓力。

3）消防水保壓罐

配備1個(gè)。存儲(chǔ)部分海水，避免保壓泵頻繁啟動(dòng)，同時(shí)控制保壓泵的啟動(dòng)和停止。

4）設(shè)備參數(shù)表（表1）

表1 設(shè)備參數(shù)表

1.2 消防水系統(tǒng)管路布置

20″銅鎳材料的消防水環(huán)路布置在主甲板左右舷的管廊上，確保消防水可以從兩個(gè)方向供給。銅鎳材料有很好的耐腐蝕性，滿足了船舶服務(wù)年限的要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用濕式管道系統(tǒng)，上部模塊的消防水供給通過主消防環(huán)路上的18個(gè)銜接點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)根據(jù) ABS規(guī)范要求，主甲板左右舷各配備 1個(gè)國際通岸接頭[1-2]。

1.3 水消防系統(tǒng)計(jì)算

水消防系統(tǒng)計(jì)算從四個(gè)方面進(jìn)行分析：1）主消防水泵參數(shù)計(jì)算；2）消防水保壓泵參數(shù)計(jì)算；3）消防水保壓柜參數(shù)計(jì)算；4）消防系統(tǒng)管徑校核。

1.3.1 海水參數(shù)

1）海水操作溫度：25℃；

2）含鹽度：37 g/kg；

3）密度：1 025 kg/m3；

4）汽化壓力：3.22 kPa；

5）黏度：0.941×10-3Pa·s。

1.3.2 主消防水泵參數(shù)計(jì)算

消防水量計(jì)算要考慮全船各個(gè)區(qū)域，包括各個(gè)上部模塊滅火的最大需水量和兩股消防栓水量的總和（考慮40 m3/h）。根據(jù)巴西石油和ABS船級社要求，一個(gè)上部模塊著火所需要水量要考慮該模塊本身加臨近模塊及模塊下部所在主甲板圍欄滅火所需要水量的總和，可以不考慮對角模塊滅火需要水量。全船最大滅火區(qū)域?yàn)槟KM5/M6區(qū)域及其臨近的模塊M08/M09，及其下部所在主甲板圍欄外加兩股消防栓水量的總和（考慮40 m3/h），需要水量為2 278 m3/h，壓力為0.63 MPa。

消防水壓力計(jì)算考慮全船壓力最高點(diǎn)，即直升機(jī)甲板區(qū)域消防炮壓力。管道壓降計(jì)算參照 NFPA 15 8.5.1.1 要求[3]，通過Hazen-Williams方程求得[4]：

式中，Pm為管道壓降，MPa/m；Qm為體積流量，L/min；C為壓降系數(shù)（Hazen-Williams model），取150；dm為管道內(nèi)徑，mm。

整個(gè)管網(wǎng)采用 PIPENET軟件進(jìn)行分析，結(jié)合NFPA 15 8.5.2.1等效管長表（見表1），對管路附件和閥門的壓降進(jìn)行考慮[4]。

表1 閥門和管附件當(dāng)量管道長度

直升機(jī)甲板泡沫滅火系統(tǒng)流量計(jì)算公式：

式中，W為消防水流量，l/min；A為直升機(jī)甲板有效面積，m2；Q為消防水釋放量，取6 L/min·m2；M為泡沫含量，取3。

最終求得所需流量為136 m3/h?？紤]泵出口和消防炮之間高度方向壓降及管道沿程損失，最終泵出口壓力為1.23 MPa。

結(jié)合泵的性能曲線（見圖1），對如上兩種特殊工況的評估都在泵的工況范圍之內(nèi)，消防泵的選擇滿足系統(tǒng)要求。

圖1 泵的性能曲線

1.3.3 消防水保壓泵參數(shù)計(jì)算

濕式消防系統(tǒng)法蘭和消防栓等連接處有泄露的風(fēng)險(xiǎn)，消防主環(huán)路的壓力通過消防水保壓泵來維持，2臺(tái)消防水保壓泵（2×100%）位于機(jī)艙與海底總管相連處，保壓泵通過供給海水給保壓柜來維持消防環(huán)路壓力，消防水保壓泵排量計(jì)算公式：

式中，Qps為泵排量，L/min；N為消防栓數(shù)量。

全船消防栓數(shù)量為 126個(gè)，單處泄漏量為0.15 l/min。同時(shí)考慮到最遠(yuǎn)處消防栓即直升機(jī)甲板消防栓保持靜態(tài)0.1 MPa的壓力。

選擇保壓泵參數(shù)為20 m3/h，壓力為0.78 MPa。

1.3.4 消防保壓柜參數(shù)計(jì)算

消防保壓柜總?cè)莘e計(jì)算公式：

式中，V為消防保壓柜總?cè)莘e，L；Qps為消防保壓泵流量，L/min；N1為消防保壓泵每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù)，取8；Pa為消防保壓泵啟動(dòng)壓力，取0.77 MPa；Pb為消防保壓泵停止壓力，取0.7 MPa。

消防保壓柜有效容積計(jì)算公式：

最終，A= 1 129 L，選型消防保壓柜容積為1 200 L。

同時(shí)消防保壓柜的設(shè)計(jì)和建造參照 ASME VIII-1進(jìn)行，同時(shí)滿足巴西NR-13和ABS船級社規(guī)范要求。

1.3.5 消防水管網(wǎng)的尺寸分析

消防水管網(wǎng)采用 PIPENET軟件進(jìn)行分析，確認(rèn)各個(gè)支路的尺寸、壓力及流量等信息，這里不具體闡述。

2 結(jié)論

FPSO水消防系統(tǒng)的是一個(gè)綜合性的復(fù)雜系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員要結(jié)合船級社規(guī)范、國際公約及業(yè)主要求，發(fā)揮自身的智慧和創(chuàng)造性，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除潛在危險(xiǎn)，為后續(xù)船舶安全運(yùn)行提供保障。

[1]ABS.Steel Vessel Rules[S].2016.

[2]IMO.International Convention for the Safety of Life at Sea (SOLAS)[S].2004.

[3]National Fire Protection Association.Standard for Water Spray Fixed Systems for Fire Protection: NFPA 15[S].2007.

[4]National Fire Protection Association.Installation of Stationary Pumps for Fire Protection: NFPA 20[S].2010.