內(nèi)轉(zhuǎn)塔式浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油平臺(tái)消防系統(tǒng)計(jì)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(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司 大連116005； 2.大連船舶重工集團(tuán)有限公司 大連116005）

0 引 言

隨著海洋石油開(kāi)采事業(yè)快速發(fā)展，海洋油氣資源勘探向更惡劣海況發(fā)展，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油平臺(tái)（簡(jiǎn)稱FPSO）作為集生產(chǎn)、儲(chǔ)油、外輸、生活和動(dòng)力于一體的多功能采油設(shè)施，在海洋石油開(kāi)發(fā)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，已成為世界海洋油氣開(kāi)發(fā)中極具應(yīng)用前景的浮式生產(chǎn)裝置［1］。FPSO具有適應(yīng)水深范圍廣、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)離海岸的海域及邊際油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)［2］。

FPSO是集船體的船舶系統(tǒng)、上部模塊油氣處理系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)和外輸系統(tǒng)于一體的海上油氣處理裝置。由于FPSO系統(tǒng)較為復(fù)雜，油氣泄漏極易引發(fā)嚴(yán)重火災(zāi)或爆炸事故［3］。消防系統(tǒng)作為FPSO船舶系統(tǒng)的一個(gè)重要子系統(tǒng)，是安全生產(chǎn)及人員的重要保障，在整個(gè)FPSO設(shè)計(jì)、建造及生產(chǎn)中起到至關(guān)重要的作用。FPSO消防系統(tǒng)一般是由消防水系統(tǒng)、低倍泡沫系統(tǒng)、水噴淋系統(tǒng)、高倍泡沫系統(tǒng)和惰氣滅火系統(tǒng)等多個(gè)滅火方式組成，而消防系統(tǒng)計(jì)算是整個(gè)消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)消防系統(tǒng)的安全可靠性起到重要作用，可以解決消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型的關(guān)鍵問(wèn)題，因此消防系統(tǒng)計(jì)算研究十分必要。

1 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO消防系統(tǒng)

文中研究的內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO消防系統(tǒng)主要包括消防水系統(tǒng)、水噴淋系統(tǒng)和低倍泡沫系統(tǒng)。消防水系統(tǒng)功能是提供水源至水噴淋系統(tǒng)和泡沫系統(tǒng)，主要由消防泵、消防增壓泵和若干消防栓組成。消防水系統(tǒng)在貨油甲板區(qū)上布置濕式環(huán)形管網(wǎng)，并從環(huán)形管網(wǎng)分若干支路到雨淋閥、消防栓和泡沫炮等設(shè)備。水噴淋系統(tǒng)主要是降低火焰熱輻射能量，來(lái)自濕式環(huán)形管網(wǎng)的消防水經(jīng)過(guò)雨淋閥，最后輸送至防火分區(qū)的噴頭，噴出的消防水用來(lái)降低被保護(hù)設(shè)備或結(jié)構(gòu)物等的溫度，從而達(dá)到控制火焰蔓延的目的。低倍泡沫系統(tǒng)將來(lái)自濕式環(huán)形管網(wǎng)的消防水和來(lái)自泡沫環(huán)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(xù)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(dá)到降溫效果［4］。

FPSO消防滅火區(qū)域分為上部模塊、內(nèi)轉(zhuǎn)塔、貨油甲板區(qū)、直升機(jī)甲板、生活區(qū)和船體機(jī)械處所6個(gè)獨(dú)立的防火區(qū)，通過(guò)安全距離或者防火結(jié)構(gòu)的隔離方式，阻止火災(zāi)擴(kuò)散到相鄰處所，詳見(jiàn)表1。

表1 FPSO防火區(qū)

內(nèi)轉(zhuǎn)塔、直升機(jī)甲板、生活區(qū)和船體機(jī)械處所各自成為獨(dú)立的防火分區(qū)，上部模塊的18個(gè)模塊均為單獨(dú)的防火分區(qū)，貨油甲板區(qū)按照貨油艙布置分隔成12個(gè)獨(dú)立的防火分區(qū)，因此FPSO共計(jì)34個(gè)獨(dú)立的防火分區(qū)。

文中的內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO按美國(guó)船級(jí)社（ABS）規(guī)范規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造，并受之檢驗(yàn)，同時(shí)需要滿足現(xiàn)行管理當(dāng)局規(guī)則、現(xiàn)行行業(yè)規(guī)則和其他規(guī)范規(guī)則。因此，消防系統(tǒng)須完全符合ABS和有關(guān)國(guó)際公約的所有要求，包括消防泵布置、管材選取、消防栓規(guī)格和水龍帶規(guī)格等諸多方面；消防系統(tǒng)計(jì)算須滿足ABS MVR、ABS FOI、IMO FSS、NFPA 13和NFPA 15，包括工藝設(shè)備最低供水率，泡沫/噴淋最低供給率等要求，詳見(jiàn)下頁(yè)表2。

表2 規(guī)范規(guī)則

內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO消防系統(tǒng)計(jì)算主要考慮上部模塊、內(nèi)轉(zhuǎn)塔和貨油甲板區(qū)對(duì)消防水及低倍泡沫液的需求量，消防系統(tǒng)計(jì)算分為消防水量計(jì)算和低倍泡沫液量計(jì)算，由于直升機(jī)甲板、船體機(jī)械處所和生活區(qū)對(duì)消防水的需求量較少，文中不予考慮。

2 消防系統(tǒng)計(jì)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(dú)有特性，每個(gè)FPSO的上部模塊設(shè)計(jì)不盡相同。文中的內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO上部模塊，根據(jù)服役油田特性設(shè)計(jì)成18個(gè)模塊，布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 FPSO上部模塊布置圖

上部模塊的每個(gè)防火分區(qū)根據(jù)油氣處理需求布置工藝設(shè)備，模塊2P1、3P和4P的工藝流程需要工藝設(shè)備處理大量烴類(lèi)液體，模塊2P2和5S的工藝流程導(dǎo)致設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量易燃液體，而模塊1S、3S和4S依據(jù)工藝流程需求配置燃油設(shè)備，此8個(gè)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(jì)算每個(gè)模

塊的消防水量Qw，并考慮25%冗余設(shè)計(jì)：

式中：Ai為需要消防水的工藝設(shè)備表面積，m2；ri為基于ABS FOI 3-8/5.1.4（c）和NFPA 13/15的設(shè)備最低供水率，見(jiàn)表3；n為每個(gè)模塊中需要提供消防水的設(shè)備數(shù)量；25%冗余設(shè)計(jì)可以提高上部模塊消防系統(tǒng)穩(wěn)定性，而由于上部模塊主要布置大量的工藝設(shè)備，基于工藝設(shè)備表面積確定消防水量，可以滿足各類(lèi)火災(zāi)情況。

表3 工藝設(shè)備最低供水率

IMO FSS Ch. 14/2.2.1.3要求低倍泡沫系統(tǒng)以最大流量工作時(shí)，至少可以連續(xù)提供20 min的泡沫，以此計(jì)算每個(gè)模塊低倍泡沫液量Vf，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表4。

表4 上部模塊每個(gè)防火分區(qū)消防水量和低倍泡沫液量

式中：Qw為每個(gè)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(yīng)考慮發(fā)生火災(zāi)的單一防火分區(qū)和與該防火分區(qū)相鄰的其他分區(qū)，圖2是上部模塊發(fā)生火災(zāi)的一種典型情況［6］。

圖2 上部模塊單一防火分區(qū)發(fā)生火災(zāi)典型情況

該火災(zāi)情況需要考慮3個(gè)防火分區(qū)，而右側(cè)相鄰的防火分區(qū)由于不存在烴類(lèi)液體，可以不提供水噴淋系統(tǒng)。因此，F(xiàn)PSO上部模塊按照此原則可以分為18個(gè)火災(zāi)情況，見(jiàn)表5，火災(zāi)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(fā)生火災(zāi)，啟動(dòng)該模塊的低倍泡沫系統(tǒng)進(jìn)行滅火，同時(shí)啟動(dòng)模塊1P、2P2和1S的水噴淋系統(tǒng)來(lái)降低各自模塊的溫度，控制火焰蔓延。

表5 上部模塊火災(zāi)情況

2.2 貨油甲板區(qū)

文中研究的內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO根據(jù)貨油艙的布置，將貨油甲板區(qū)劃分為12個(gè)防火分區(qū)，如圖3所示。

圖3 貨油甲板區(qū)防火分區(qū)

基于IMO FSS Ch. 14/2.2.1.1的供給率見(jiàn)表6，分別根據(jù)表中的泡沫/噴淋供給率進(jìn)行計(jì)算，25%冗余設(shè)計(jì)可以提高貨油甲板區(qū)消防系統(tǒng)穩(wěn)定性。貨油區(qū)甲板消防計(jì)算應(yīng)考慮整個(gè)貨油區(qū)甲板發(fā)生火災(zāi)、單艙發(fā)生火災(zāi)以及泡沫炮保護(hù)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)三種情況，進(jìn)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(jù)貨油甲板區(qū)泡沫/噴淋供給率計(jì)算消防水量Q1，并考慮25%冗余設(shè)計(jì)：

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

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

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(jì)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(jù)泡沫炮保護(hù)區(qū)泡沫/噴淋供給率計(jì)算消防水量Q3，并考慮25%冗余設(shè)計(jì)：

式中：S3為泡沫炮保護(hù)區(qū)面積205.32 m2，r2為泡沫/噴淋供水率6.0 L/min/m2。計(jì)算出泡沫炮保護(hù)區(qū)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(yīng)為75 m3/h。

綜上所述，貨油甲板區(qū)低倍泡沫系統(tǒng)泡沫/噴淋量 應(yīng)為Q1= 678 m3/h，而IMO FSS Ch. 14/2.2.1.3要求低倍泡沫系統(tǒng)以最大流量工作時(shí)，至少可以連續(xù)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(nèi)轉(zhuǎn)塔

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

2.4 結(jié)果分析

上部模塊2P1發(fā)生火災(zāi)對(duì)消防水和低倍泡沫液需求量最大，根據(jù)ABS FOI 3-8/5.1.2（b）.vi，上部模塊消防水量計(jì)算需要同時(shí)考慮貨油甲板區(qū)低倍泡沫系統(tǒng)的消防水量和兩個(gè)消防栓工作的消防水量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表7。

表7 上部模塊2P1發(fā)生火災(zāi)的計(jì)算結(jié)果

當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)塔發(fā)生火災(zāi)，安全距離可以保證不會(huì)擴(kuò)散到相鄰的模塊1P或者1S。但是考慮到內(nèi)轉(zhuǎn)塔火災(zāi)熱輻射對(duì)貨油甲板區(qū)的影響，內(nèi)轉(zhuǎn)塔消防水量需要同時(shí)考慮貨油甲板區(qū)低倍泡沫系統(tǒng)的消防水量和兩個(gè)消防栓工作的消防水量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 內(nèi)轉(zhuǎn)塔發(fā)生火災(zāi)的計(jì)算結(jié)果

當(dāng)貨油甲板區(qū)發(fā)生火災(zāi)，甲板耐火分隔保證不會(huì)擴(kuò)散到上部模塊，此時(shí)需要同時(shí)考慮兩個(gè)消防栓工作的消防水量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 貨油甲板區(qū)發(fā)生火災(zāi)的計(jì)算結(jié)果

對(duì)以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：內(nèi)轉(zhuǎn)塔發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防水量最大；而上部模塊2P1發(fā)生火災(zāi)時(shí)，低倍泡沫液量最大。因此，F(xiàn)PSO消防水量為3 660 m3/h，而低倍泡沫液量為9.789 m3，消防系統(tǒng)設(shè)備需要以此計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選型，配置3臺(tái)1 850 m3/h消防泵。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，2臺(tái)消防泵正常運(yùn)行，另外1臺(tái)消防泵作為備用，并且配置15 m3低倍泡沫液柜。

3 結(jié) 語(yǔ)

內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO消防系統(tǒng)計(jì)算方法可以計(jì)算出每種火災(zāi)情況對(duì)消防水及低倍泡沫液的需求量，由此可以發(fā)現(xiàn)，上部模塊和內(nèi)轉(zhuǎn)塔是消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的消防滅火區(qū)域。

消防系統(tǒng)計(jì)算方法未考慮FPSO船東的個(gè)性化要求，需要根據(jù)船東具體要求來(lái)細(xì)化。

消防系統(tǒng)計(jì)算方法對(duì)消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型起到了關(guān)鍵作用，對(duì)FPSO消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定借鑒意義。