海洋石油FPSO主机尾气余热回收装置的消防保护方案

■ 王占军 许伟成 褚丽丽

一、引言

FPSO是英文Floating Production Storage and Offloading的缩写，中文译为浮式生产、储油、卸油船。这种船并不是一种真正意义上用于运输的船，它兼有生产、储油、卸油的功能，一般与水下采油装置和穿梭油船组成一套完整的生产系统，是目前海洋工程船舶中的高技术产品。FPSO 的主要特点为机动性和运移性好，具有适应深水采油（与海底完井系统组合）的能力、在深水域中较大的抗风浪能力、大产量的油气水生产处理能力和大的原油储存能力。FPSO可以与导管架井口平台组合，也可以与自升式钻采平台组合成为完整的海上采油、油气处理和储油、卸油系统，但更主要的是用于深水采油，与海底采油系统（包括海底采油树、海底注水井、海底管汇等）和穿梭油轮组合成为完整的深水采油、油气处理、原油储存和卸油系统。浮式生产设施的应用已很普遍，在全世界已有100多艘FPSO正在操作运行，甚至有取代固定式平台的趋势。在中国海洋石油发展的能源产业板块中，FPSO产业有着举足轻重的地位，支持着海上油田近50 %的石油产能。目前在中国海域服务的FPSO共16艘，其中渤海海域7艘，南海西部海域2艘，南海东部海域7艘。

为了响应“十一五”节能减排工作计划，中国海油石油公司对现有FPSO的柴油发动机余热回收系统进行了升级改造，增加了主机尾气余热回收装置，对主机排气热量进行二次回收。利用这些回收的热量足以加热燃油以及供船员日常生活用气，并可避免冬季单靠废气锅炉供热，不能满足船舶正常需要的情况发生。主机尾气余热回收装置炉膛由气、水、油管及烟道箱组成，它是利用热管作为传热元件来回收船舶主机排气余热的。由于热管的传热效率高，热敏度高，又结构简单、运行可靠，使其具有重量轻、体积小、蒸发量大等特点，这是其它型式的废气锅炉无法比拟的。主机尾气余热回收装置内，用于燃油、气、水加热的柴油发动机尾气排放温度高达350℃，因设备故障引起火灾的危险性很高。

从专业技术角度分析，造成火灾的原因主要有：（1）鼓包、爆管引起火灾；（2）泄漏引起火灾；（3）停电时处理不当引起火灾。

人们将FPSO比喻为一枚“定时炸弹”，船上存在大量易燃易爆的物质，稍有不慎就会引发严重的后果，因此FPSO上所有设备的防火安全是重中之重。主机尾气余热回收装置是火灾危险性很高的设备，应配备合适的灭火装置，并有专人检查维护，确保灭火装置能正常使用。从主机尾气余热回收装置的结构特点及可燃介质的成分分析，固定式气体灭火系统是比较可靠的灭火设备。考虑到主机尾气余热回收装置炉膛上部是开放式的，而七氟丙烷、惰性气体等灭火系统对保护处所的密封性要求很高，因此选用固定式CO2灭火系统进行保护。以下结合工程的实例，对固定式CO2灭火系统的设计计算方法、系统结构和工作原理，进行详细的介绍。

二、固定式CO2灭火系统的设计计算

《国际消防安全系统规则》（以下简称FSS规则）中规定的固定式CO2灭火系统灭火剂量计算方法，是基于基本密闭空间的保护处所。主机尾气余热回收装置的炉膛，上部开口面积相对较大，按FSS规则的要求来计算CO2灭火剂淹没用量，是不科学的，在喷放过程中从开口泄漏的CO2，应考虑补偿量。NFPA12标准中CO2灭火剂用量的计算，对具有较大开口面积的保护处所，给出了明确的计算方法。因此炉膛固定式CO2灭火系统的设计计算，应参照NFPA12标准要求。下面结合某工程实例，进行设计计算的介绍。

（一）主机尾气余热回收装置炉膛设计计算参数。

工作环境温度——200℃

炉膛体积——13 m3

通风开口：

顶部开口面积——0.785 4 m2

底部开口面积——0.785 4 m2

设计喷放时间——1 min

设计浓度——37 %

淹没系数——1.07 kg／m3

物质变换系数——1.14

温度补偿系数——1.384

开口CO2泄漏速率——174kg／min·m2（根据NFPA12 图A-2-3（b）查得）

（二）固定式CO2淹没用量计算。

CO2灭火剂淹没用量：

Q1=13×1.07×1.14×1.384=21.95 kg

CO2灭火剂泄漏补偿量：

Q2=174×0.785 4=136.66 kg

（三）由于泄漏补偿量超过了基本淹没用量，因此，CO2灭火剂用量计算应按局部应用系统考虑，即采用体积喷射速率的方法计算。

固定式CO2局部应用系统设计计算参数如下：

炉膛体积——13 m3

通风开口：

顶部开口面积——0.785 4 m2

底部开口面积——0.785 4 m2

炉膛内腔表面积——40.715 m2

设计喷放时间——0.5 min

物质变换系数——1.14

裕度系数——1.4

（四）固定式CO2局部应用灭火剂用量计算。

喷射速率：

q=（16-4）×2×0.7854 ÷ 40.715 + 4

= 4.463 kg／min·m3

喷射流量：

q1=4.463×13=58.02 kg／min

CO2需要量：

Q=1.4×1.14×58.02×0.5=46.3 kg

（五）CO2灭火剂钢瓶数量。

根据计算结果，CO2灭火剂钢瓶数量：

N=46.3÷26=1.78≈2个

钢瓶规格选用40 L，每瓶充装CO2灭火剂26 kg。考虑到CO2灭火剂充装困难，实际配置4个钢瓶，2主2备。

（六）灭火剂喷放管路设计。

按照《船用CO2灭火装置》（CB/T 3294—1998）附录A的要求，选取CO2灭火剂喷放管路的主管径。附录A的喷放条件是2 min内85 %的CO2注入保护处所，而主机尾气余热回收装置炉膛固定式CO2灭火系统的喷放要求是0.5 min内100 %的CO2注入保护处所，因此需要对管道CO2最大流通量进行换算：

W=（46.3÷0.5）×2÷0.85=217.88 kg

因此，选用DN32的管径，其CO2灭火剂的最大流通量为275 kg，大于217.88 kg，能够满足喷放时间的要求。

（七）CO2喷嘴计算。

选用DN15接口的喷嘴，根据《船用CO2灭火装置》（CB/T 3294—1998）附录A的要求，DN15管径的CO2最大流通量为60 kg，因此，喷嘴数量n=217.88÷60=3.63，实取4只喷嘴，单个喷嘴的流量=46.3÷4÷30=0.386 kg／s，喷嘴的具体型号可通过管网水力计算结果获取。

三、固定式CO2灭火系统的结构及工作原理

（一）CO2灭火系统结构（见图1）

图1 固定式CO2灭火系统安装示意图

（二）工作原理

主机尾气余热回收装置炉膛固定式CO2灭火系统，可通过自动控制、电气手动控制和机械应急手动三种方式启动，具体如下：

1．自动控制

主机尾气余热回收装置，可设置火灾事故监测装置，当发生火灾后，由设在机舱集控室的火气系统控制盘向火灾现场和驾控台发出火灾声光报警信号，并切断燃油循环泵和非消防电源等设备，同时向固定式CO2灭火装置电磁阀发出联动指令，灭火钢瓶即可打开，喷放CO2灭火剂至保护处所，实施灭火。CO2灭火装置启动后，集流管上的压力开关动作，向机舱集控室的火气系统控制盘上传灭火系统释放信号。

2．电气手动控制

当人为发现主机尾气余热回收装置炉膛发生火灾，可按下机舱集控室火气系统控制盘上或着火现场的启动按钮，火气系统控制盘立即向火灾现场和驾控台发出火灾声光报警信号，并切断燃油循环泵和非消防电源等设备，同时向固定式CO2灭火装置电磁阀发出联动指令，灭火钢瓶即可打开，喷放CO2灭火剂至保护处所，实施灭火。CO2灭火装置启动后，集流管上的压力开关动作，向机舱集控室的火气系统控制盘上传灭火系统释放信号。

3．机械应急手动

当人为发现主机尾气余热回收装置炉膛发生火灾，且电气控制功能失灵时，应通知机舱集控室值班人员，紧急切断燃油循环泵和非消防电源等设备，确认联动设备动作后，打开CO2灭火装置箱体门，手动扳动灭火剂钢瓶瓶头阀手柄，即可打开灭火剂储瓶，喷放CO2灭火剂至保护处所，实施灭火。