浮式生产储油船(FPSO)消防系统设计

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(中海油能源发展采油服务公司,天津 300457)

系泊在井口平台周围，用来进行原油处理、存储及外输工作的浮式生产储存卸货装置(floating production storage & offloading unit，FPSO)越来越多地应用于海洋石油能源开发中。由于海上石油开采的环境相对恶劣，所以海上生产设施都要求配置安全可靠、反应迅速准确的自动消防报警系统，以保障海上石油的正常生产和工作人员的安全。FPSO距岸较远，以FPSO全船消防安全保护为目的，消防系统应立足于自救，必须按照独立的消防系统进行设计[1-2]。

1 FPSO消防系统的基本要求

1)监测报警要及时准确、减少误报漏报；灭火工作要迅速、有效;

2)对生产流程区域、设备区域、安全区域、住房区域等要划分为不同的安全等级;

3)根据不同的地点、不同的安全等级，设计相应的监测、报警、处理控制方式，并选择相应的设备;

4)消防系统应与其它系统相配合，如与应急关断系统、通风系统等的配合，实现综合监控;

5)构建FPSO整体的自动消防探测联动系统。引入所有的监测信号，并根据需要编制全局的控制逻辑，然后输出相应的处理信号，实现全船自动消防报警处理;

6)在满足相应规范要求的基础上，提高系统的经济性。

2 消防区域的划分

FPSO设备密集，不同的设备区域有不同的危险源，报警灭火区域如果过大，将会包含众多设备，其消防隐患也会多种多样，会对消防设备的选择和布置带来一定的困难。如何有效地发现火源隐患并及时处理险情，需要对报警灭火的区域有一个合理的规划。

考虑油气生产工艺区、公用区、生活区等各区域危险程度的不同，在FPSO做总布置设计时，应将FPSO按照不同功能模块及设备布置情况划分成若干个消防区域，以方便地对各区域进行单独监控和管理。

划分安全区域时主要考虑以下几点因素：①介质种类；②设备的布置和间距；③防火分隔；④隔板和排放管系；⑤探测与消防联系；⑥同类探测器的布置数量；⑦探测器故障时，易于发现、测试和维修；⑧易于布置通风系统；⑨最大消防区的消防水量在消防泵合理的覆盖范围内。

一般FPSO会被划分为70个左右的消防区。

3 探测部分的设计

3.1 探测器选择的原则

在不同消防区域划分的基础上，应根据不同区域危险源的特性对探测器进行选择性安装，探测器的选择应该考虑以下几点。

1)火灾初期的阴燃阶段，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射的场所，选择感烟探测器。

2)一旦着火，火灾发展迅速，产生大量热和火焰辐射的场所，选择感温探测器、火焰探测器或其组合。

3)一旦着火，火灾发展迅速，产生强烈的火焰辐射和少量的烟、热的场所，选择火焰探测器。

4)使用、生产或聚集可燃气体或可燃液体的场所，选择可燃气体探测器。

5)为防备现场探测器自身故障或由于天气等原因失灵的情况，在FPSO相应的逃生通道上还需要安装手动报警站。

3.2 探测器的安装数量

一个探测区域内所需设置的探测器数量N不应小于下式的计算值。

N=S/(K×A)

(1)

式中：S——需探测区域面积，m2；

A——探测器的保护面积,m2；

K——修正系数，特级保护对象宜取0.7～0.8，一级保护对象宜取0.8～0.9，二级保护对象宜取0.9～1.0。

探测器探测范围见表1。

表1 探测器保护面积A及保护半径R

如一个应急机房的室内面积约为60 m2，属于一级保护，所以修正系数取0.8，感烟探头在房屋面积小于80 m2，房高小于12 m的情况下，探测器保护面积为80 m2。所以，根据式(1)，感烟探头的数量为60/(0.8×80)=0.94≈1。

当然，具体安装的数量还要根据现场情况进行具体的设计，比如设备高度、管线分布等因素都会造成探头探测范围的变化，处理不好就会造成探测死角，因此，需要根据具体情况确定。

4 消防灭火部分的设计

4.1 选择灭火设备的原则

灭火设备的选择，不但要考虑必须在有效的时间内能控制并扑灭火源，还要考虑对消防区域内的设备进行保护，并且不能因为消防的实施而使设备遭受损害。

1)FPSO位于海上，海水丰富，可以就地取材，以海水作为主要的灭火介质，在灭火的同时还能达到冷却设备的目的，防止因设备过热造成进一步的伤害。

2)对于起火后人员不易进入或靠近的场所，采用水喷淋系统进行灭火。

3)对于可能有原油、柴油等流淌性火灾的区域，且该区域有较重要设备，应使用泡沫消防系统甚至高倍泡沫系统。

4)对于电气设备较多，比较密闭的工作间，采用CO2系统。该区域发生火灾时，为保证CO2释放后达到有效浓度，并防止火情蔓延，还要考虑在通风风道处设置挡火风闸系统。

4.2 消防水系统的设计

由于火灾消防使用的喷淋系统、泡沫消防系统以及高倍泡沫系统都是以海水作为主要工作介质的，因此消防水及时稳定地供给显得尤为重要[3]。为了保证火灾时消防水的有效供给，需要对消防泵的选用进行合理的设计。

4.2.1 消防泵的设计要求

1)消防水泵。消防水泵的流量应能满足系统范围内最大消防水量的要求。消防水泵扬程的计算，应按消防环网中一条主干管发生故障时，其余的主干管仍能通过全部消防水量的前提下，计算最不利点所需要的水泵扬程。最不利点的确定应充分考虑最大的消防水量、系统中距消防泵房的最远点、系统中地势最高等综合因素，分别进行计算比较确定[4]。

2)稳压泵。稳压水泵设计应尽量选用流量-扬程曲线陡落的泵型。稳压泵的扬程根据消防系统的要求确定，稳压范围不宜过高，压力过高对管网材质和施工要求高，整个系统也易发生泄露，可适当低于消防水泵的扬程，但最小扬程不得低于最不利点设备所需的静压头的要求。对石油化工企业而言，稳压泵流量一般选择10～50 m3/h，扬程70～80 m。

3)消防泵联动要求。有关规范仅要求消防水泵自动控制，但未作详细的规定。但是本着能实现消防水泵自启动、故障状态下自保和及时报警的基本要求，仪表、电气的联锁宜从简设置。一方面可节约投资，另一方面可避免因联锁过于复杂而导致故障率高，反而会影响系统的正常使用，增加了维护量。

稳高压消防最基本的要求就是消防水泵能自启动。当管网压力(可设定在稳压水泵的出水母管上)降至设定值(一般为0.65～0.70 MPa)时，压力报警并输出信号启动消防水泵。如第1台消防水泵故障不能启动，则自动启动第2台消防水泵。当水泵出水管阀前压力达到设定值时自动开启出水管上的控制阀门，完成向消防管网送水的过程(整个过程在1～2 min内完成)。

消防水泵启动后应联锁停止稳压泵工作并自动关闭其出水阀。

4.2.2 消防水系统的设计理念

以海洋石油112 FPSO为例。

机舱内设有两台电动消防泵,从与海底门相连接的海水总管提取海水并向机泵舱、主甲板、艉楼甲板、直升机甲板、生活楼居住舱室、及机泵舱高倍泡沫系统、主甲板泡沫消防系统和直升机甲板泡沫消防系统提供消防海水。平常消防海水管路内充满海水，并由机舱内的消防海水压力柜来保持1.20 MPa的压力,当压力降到1.05 MPa时，消防海水增压泵自动启动；当压力进一步降至1.00 MPa时，则自动启动机舱内的1号电动消防泵；当压力进一步降至0.90 MPa时，则自动启动机舱内的2号电动消防泵，投入消防灭火作业。电动消防泵的启动还可在中控室，消防控制室、机舱泵旁控制箱、艉楼甲板泡沫间、直升飞机甲板泡沫间按下启动铵钮启动。

消防海水增加泵的作用是将消防总管的压力保持在1.20 MPa。正常情况下，消防总管内充满海水。压力柜有4个压力开关与消防海水增压泵连接。当消防总管内的压力降至1.05 MPa时，压力开关动作使消防增压泵自动启动，抽吸海水总管中的海水，向消防总管补充海水，使其压力增至1.20 MPa；当消防总管内压力达到1.20 MPa 时，压力开关动作使得消防海水增压泵自动停止，当消防总管内压力降至1.00 MPa时，启动一台电动消防泵向消防总管供海水。当消防总管内压力降至0.90 MPa时，另一台电动消防泵自动启动，两台电动消防泵同时向消防总管供海水，执行消防作业。

消防淡水增压泵的作用是将水喷琳管路的压力保持在1.40 MPa。正常情况下，水喷琳管内充满淡水。消防淡水增压泵和消防淡水压力柜与淡水管线联连一起，压力柜有4个压力开关与消防淡水增压泵连接。当水喷琳管内的压力降至1.25 MPa时，压力开关动作使消防增压泵自动启动，抽吸淡水舱中的淡水，向水喷琳管补充淡水，执行舱室消防作业。当水喷琳管的内压力达到1.40 MPa时，压力开关动作，消防淡水泵停止。

如果机舱内出现火情或电站等处出现火情，则要启动应急柴油消防泵。应急柴油消防泵布置在远离机舱和电站的艏部主甲板下平台处，设有独立的圆筒形海底门，通过柴油机前端驱动的液压单元提供液压动力所驱动的深井泵提升海水，并由此柴油机的后端输出轴驱动增压泵为消防海水增压，向全船消防管系供给消防水。应急消防设施由一台柴油机和机带液压泵、液压油驱动深井泵、圆筒形海底门、消防海水管线、消防阀等组成。

5 消防控制部分的设计

探测部分和灭火部分承担着探测和灭火工作。二者的作用应有效地结合，使探测到的火情能及时准确地发送给灭火部分，启动相应的灭火设备，完成对火灾扑灭的实施。探测与消防两部分之间不能是简单的信号传递，还要对输入的火情进行判断、报警、显示，这就需要一套能及时处理火情信息、进行正确的逻辑判断、及时发出灭火命令的消防控制部分。

5.1 对消防控制部分的基本要求

消防控制部分是整个消防系统的大脑，它与现场探测设备、消防灭火设备之间相连，与应急关断系统、PA系统有相应接口，具有自动探测火灾和可燃气体泄漏、按表决逻辑自动启动和手动启动报警、CO2消防系统、自动/手动执行火气状态应急关断逻辑、故障容错，以及对网络、现场探测设备和系统进行诊断的功能。

消防系统的控制部分主要作用是及时、准确地根据探测器探测到可能或已经发生的可燃气体泄漏事故和火情做出判断，并对意外危险火源进行报警。在危险情况下，通过手动和自动两种方式启动FPSO上的消防系统，以保护人员和设施的安全。

消防系统的控制逻辑及操作、显示功能由安装于中控室的控制系统完成。

5.2 控制部分主要结构的搭建

海上FPSO消防系统的控制结构示见图1。

图1 控制结构

消防控制系统是独立的PLC控制系统，它运行着全FPSO的消防控制逻辑，实时监测现场的所有探测设备的状态，并根据设定好的控制逻辑进行判断，自动做出相应的消防灭火动作。为了更直观地对消防系统进行管理和操作，一般还需要设计安装集中控制矩阵板。同时消防控制系统同中控室的DCS、ESD系统进行通讯，在DCS上直观显示，并在火灾发生时对ESD系统发出相应级别的关断信号。

5.3 系统表决功能的设定

FPSO火气探测系统具有火灾探测及气体泄漏报警的功能，但是在报警的时候要考虑到探头存在故障、失效、误报的可能；误报容易造成生产上不必要的关断，影响产量；故障或失效容易贻误报警的最佳时机，从而造成不必要的损失。所以为了减少因探测器问题而影响系统整体的可靠性，在进行系统设计时考虑了逻辑表决功能。即在某个需要报警并需要产生相应关断的区域里，当M个同种探测器中有N个同时报警并达到系统设定的火灾确认时(N

表2逻辑形式对比

通过上述对比不难发现，M选2的逻辑形式是较为可靠和安全的。海上FPSO的火气系统逻辑设计采用该逻辑形式进行表决。系统对不同的探测器需要报警及触发相应应急关断的要求各不相同。

1)可燃气探头。每一个可燃气体探头在20%和50%浓度时均会在操作站上单独进行低报警和高报警。当某一个区域内有两个可燃气体探头同时达到50%浓度报警时，将产生可燃气体泄漏关断报警，并触发相应级别的应急关断。例如：风机室内装置了3个可燃气体探头，当每一个可燃气体探头在20%和50%浓度时均会在操作站上单独报警；当3个可燃气体探头中有两个可燃气体探头同时达到50%浓度报警时，系统将发出可燃气体泄露报警，并往应急关断系统发送信号，应急关断系统将触发关断。

2)火焰探头。每一个火焰探头会在操作站上单独报警并显示，当某一个区域内有两个火焰探头同时报警时，则触发相应级别的应急关断。例如：如果某个区域装置了3个火焰探头，每个火焰探头会在操作站上单独报警并显示。当3个火焰探头中有两个火焰探头同时报警时，系统将发出火灾关断信号给应急关断系统，应急关断系统将触发这个级别的关断。每个感烟探头和热探头的工作原理同火焰探头一样。

3)手动报警站。因为手动报警站一般都是人为触发报警，人触发它是在目测确定有可燃气泄露或火灾发生的情况下，所以它的报警在程序设计时没有考虑逻辑表决功能。单个的触发就能报警并产生相应的关断。

5.4 集中控制矩阵板的设计

因为FPSO所分消防区域较多，为了能更直观地了解消防系统的各种信息，方便系统的管理，还需设计安装火/气报警及消防集中控制矩阵板(FGS MATRIX PANEL)。

火/气报警及消防集中控制矩阵板(FGS MATRIX PANEL)可以采用马赛克的型式，配有冗余的电源模块，每一格马赛克上可以刻字、装铵钮、转换开关及指示灯等附件，并且这些附件都是同一尺寸的标准模块。

在板上能显示火气报警分区情况及每一个火区内单个火气报警信号(未表决过)、表决过的火气报警信号、火警手动铵钮的状态、防火风闸的开闭指示等，并能用钥匙开关根据需要对各个火区进行分别的屏蔽和复位，且能对消防设备(消防泵、CO2、喷淋阀等)进行手动操作以及状态检测。

矩阵板的各个点直接与消防控制系统连接，它的最大好处在于集中控制、安全可靠、维修简单。

[1] 高金庆.滩海地区海上固定平台消防设计的特点.工业用水与废水，2002(6)：62-63.

[2] 邓 波.埕岛中心二号平台消防系统设计[J].给水排水，2005(2)：73-75.

[3] 蔡 涛.海上平台消防水系统设计[C]∥中国国际救捞论坛组委会.第五届中国国际救捞论坛论文集.北京：海洋出版社，2008：282-285.

[4] 孟凡昌.海洋固定平台消防泵参数设计[J].石油和化工设备,2010(12)：44-46.