旅大10-1油田综合调整消防水系统可靠性分析

王 蓉， 蒋 涛， 徐 闽

(1. 中海油能源发展装备技术有限公司工程设计研发中心， 天津 300452；2. 中海油能源发展股份有限公司销售服务分公司， 天津 300452；3. 中海石油(中国)有限公司天津分公司工程建设中心， 天津 300461)

旅大10-1油田综合调整消防水系统可靠性分析

王 蓉1， 蒋 涛2， 徐 闽3

(1. 中海油能源发展装备技术有限公司工程设计研发中心， 天津 300452；2. 中海油能源发展股份有限公司销售服务分公司， 天津 300452；3. 中海石油(中国)有限公司天津分公司工程建设中心， 天津 300461)

依托旅大10-1油田现有设施，以降低工程投资为原则，确定了调整后油田消防水系统的工程方案。同时对调整后系统响应时间进行估算及模拟，进行系统可靠性分析，得出该消防水系统的依托方案。该文还提出对项目在后续设计及建造阶段的优化建议，并为日后此类项目提供借鉴。

消防水系统；可靠性分析；响应时间；优化建议

0 引言

根据最新的油藏研究成果，通过增加调整井，旅大10-1油田可以进一步提高油田采收率。因此，为能满足油田产量需求，启动了旅大10-1油田综合调整项目。充分依托旅大10-1油田现有设施，统一部署，以降低投资开发为原则，工程方在满足调整开发方案的前提下，同时保证油田的安全措施满足了调整后的要求。在该项目详细设计开展之前，有必要对调整后的油田消防水系统进行可靠性校核分析，确保消防水系统能快速有效地应用于调整后的油田安全保护。

旅大4-2油田位于渤海辽东湾海域辽西低凸起的中南端，旅大10-1油田位于绥中36-1油田CEP平台的西南方向。绥中36-1油田CEP平台与旅大5-2油田、旅大4-2油田及旅大10-1油田依次近于直线排列，旅大4-2油田距旅大5-2油田约8 km，旅大10-1油田距旅大4-2油田约13.6 km。旅大10-1油田CEP平台距SZ36-1油田陆上终端约57.3 km。

经过多次方案甄选，该项目工程开发方案最终确定为“外挂四腿井口平台+注水海管”方式，即在旅大10-1WHPA平台南侧外挂一四腿井口平台WHPC，生产及公用系统依托旅大10-1CEP平台。由于旅大10-1油田无法回注所有生产水，须将旅大10-1CEP平台处理合格后的一部分生产污水，通过一条新建旅大10-1CEP平台至旅大4-2WHPB平台的海管输送至旅大4-2WHPB平台注水，降低旅大4-2WHPB平台水源井的采出，调整后油田总图如图1所示。

旅大10-1油田井口(WHPA)平台是一座集计量、修井、注水为一体的四腿井口平台，该井口平台通过栈桥与旅大10-1油田中心平台CEP相连。2009年到2010年先后分三期对旅大10-1WHPA平台和CEP平台进行了较大规模的改造: 一期工程在WHPA井口平台南侧外挂4个井槽；二期工程在一期基础上再在WHPA井口平台南侧新增两根桩腿，增加2排(8个)井槽，同时新增电气房间和设备；三期工程在旅大10-1 CEP平台西侧增加两根桩腿，对旅大工艺系统进行扩容升级，增加设备满足调整产量要求。旅大10-1 WHPA平台消防水系统依托旅大10-1CEP平台，目前旅大10-1CEP平台消防水系统可满足上述三次改造后油田消防要求。

图1 调整后油田总图

1 调整前消防水系统可靠性分析

旅大10-1CEP平台与WHPA平台共用一套消防水系统。旅大10-1CEP平台上消防水系统为湿式系统，平时管网由淡水稳压系统保压，设有一台电动消防泵CEP-P-6010及一台柴油消防泵CEP-P-6020，其中：CEP-P-6010为主消防泵，挂主电源；CEP-P-6020为备用消防泵；淡水稳压系统挂应急电源。

调整前，旅大10-1CEP平台的消防水系统主要用户有平台的水喷淋系统、软管站及直升机甲板泡沫灭火系统，消防水控制逻辑系统如图2所示。

图2 旅大10-1油田消防水系统控制逻辑图

目前，旅大10-1 CEP平台上两台消防泵设置由不同的独立动力源驱动，且每台消防泵均能满足目前最大火区消防用量。在火灾状态下，消防泵可立即投入使用。

2 调整后消防水系统校核分析

2.1 消防水系统方案及水量压力校核

根据工程方案，在旅大10-1WHPA平台南侧新建一座四腿井口平台，与旅大10-1WHPA平台相距2 m，顶层甲板搭接相连，下层甲板设置两座9 m长栈桥与旅大10-1WHPA平台连接。若在旅大10-1WHPC平台上单独设置消防泵，其工程设备、电力消耗均带来较大投入，也使得日后的现场建造、安全管理及维护复杂化。因此，将新建的WHPC平台消防用水作为旅大10-1 CEP平台消防水系统用户之一，继续依托CEP消防水系统。鉴于油藏及钻完井等专业对新建WHPC平台位置的限定，消防水依托方案确定从旅大10-1WHPA平台消防环网引管线为旅大10-1WHPC平台提供消防水源。

经核算，旅大10-1 WHPC平台最大火区用水量为下层甲板与工作甲板设备喷淋量总和，用水量为350 m3/h，所需压力为900 kPaG，考虑在旅大10-1 WHPC平台下层甲板新增一雨淋阀控制该火区喷淋。平台所需水量及压力并未超出旅大10-1 CEP平台消防水系统能力及旅大10-1 WHPA平台消防环网的供给能力。

调整后各平台消防水系统最大火区用水量、操作压力及主环网尺寸见表1。

表1 调整后油田各平台消防水系统主要参数表

2.2 调整后消防水系统响应时间校核

旅大10-1 WHPC平台新建位置距旅大10-1CEP平台较远，虽然旅大10-1CEP平台消防水系统可以满足调整后各用户所需水量及压力，但有必要对调整后整个油田消防水系统响应时间进行校核。

海上石油平台油气处理设施高度集中，发生火情时，火灾蔓延速度快，对平台消防水系统响应时间要求较高。目前国际上设计规范及标准对响应时间没有统一规定，如NFPA 15定义响应时间为消防水系统从自动检测系统检测到火灾至消防水系统的控制阀打开的时间，推荐响应时间是30 s[1]；而DNV海上防火标准(DNV-OS-D301)要求消防水系统响应时间应在20 s内[2]，但这一规定未明确时间计算起点。该文响应时间校核依照目前海洋石油消防水设计常采用的NFPA 15标准。

2.2.1 估算系统响应时间

消防水系统响应时间可按照式(1)进行计算：

式中：T为消防水系统达到稳定运行状态的总响应时间；T1为探头探测火灾，火气盘判断火灾并发出指令启停各设备的时间，一般按照1s考虑；T2为主消防泵失效后启动备用消防泵的延时时间或者应急发电机启动到外输功率的时间；T3为管网充水时间。

调整后消防水系统的响应时间估算主要考虑分析空管实际充水时间，并比较系统主环网的余水排放时间与WHPC平台新增雨淋阀后空管的充水时间，根据总体方案，估算雨淋阀后空管管长约为30m。

表2 管网充水时间计算

由式(1)可知，主环网中余水排放未完成，管网充水完毕，系统响应时间T为44s。但该时间是考虑了主用消防泵失效后启动备用消防泵后系统的最大响应时间，正常工况下，系统响应时间为29s，满足NFPA15中30s响应时间要求。

2.2.2 模拟系统响应时间

利用国际通用水力计算软件PIPENET模拟调整后油田系统响应时间。在PIPENET软件TransientModule模块中，Two-node元件工具主要用来模拟空管中水位变化规律，同时用于模拟消防泵和雨淋阀动作之后，雨淋阀的空管充水情况，计算从雨淋阀开启到最远端喷头喷水所需要的时间。Two-node元件主要参数包括管径、管长、管内初始液位及内置的空气呼吸阀，因此在模拟时须先进行如下设置：

(1)Two-node元件的尺寸应与雨淋阀尺寸一致。由于海上平台常用开式喷头与大气相连，因此，呼吸阀的排放效率为1，设置为常开，管道内的初始液位为0。

(2) 消防泵的启动时间设置为10s(NFPA20规定电动消防泵的启动时间不超过10s，模拟时按照保守工况考虑)，在模拟中定义消防泵从1s开始启动，在11s时达到全速(模拟时按照系统正常响应，不考虑主消防泵失效工况)。

建立简化后消防环网模型如图3所示，该消防水系统主要由消防泵、稳压泵、主环网、雨淋阀组成。主环网管径及系统稳压压力分别依照旅大10-1CEP平台系统实际参数模拟，环网模型中的雨淋阀2用于模拟WHPC平台新建雨淋阀，且该雨淋阀开启时间设为5s。用Two-node元件模拟雨淋阀2阀后管线，该阀后管线尺寸设定为154.3mm，分别模拟阀后30m管线及70m管线时系统响应时间，模拟结果如图4、图5所示。

图3 消防环网模型

图4 阀后30 m管线时系统响应时间 图5 阀后70 m管线时系统响应时间

由以上模拟可知，阀后管线长度对系统的响应时间影响较大。阀后管线为30m时，系统响应时间约20s，可满足规范要求；但当管线增加至70m时，系统响应时间已超出30s。

上述响应时间估算与软件模拟的计算基本一致，主要计算了雨淋阀后的空管体积。系统响应时间估算从实际工况出发，分析主用消防泵失效后启动备用消防泵系统最大响应时间。但实际上，主用消防泵失效概率很小，即使失效，启动备用泵的延时时间往往小于15s，估算结果实际为最差工况时系统响应时间。PIPENET软件与实际泵特性曲线、管线参数、阀门操作等实际参数联系紧密，模拟实际运行工况，因此软件主要从正常工况运行时空管液位变化来模拟响应时间。但从两者计算及模拟结果来看，在不考虑主消防泵失效的情况下，调整后油田消防水系统响应时间可以满足规范要求。倘若实际旅大10-1WHPC平台新增雨淋阀位置变动造成阀后空管体积增大，则系统的响应时间会增加，甚至超过30s。因此，在后续设计中应考虑实际建造误差，详细分析新增雨淋阀的实际位置并计算空管体积，确保系统响应时间满足规范要求。

2.3 稳压系统失效分析

旅大10-1 CEP平台消防水系统稳压泵CEP-P-6030A/B挂应急电源，该泵的启停依靠稳压罐压力控制。当系统压力降到520 kPaG时，稳压罐上的低压开关启动稳压泵，对系统进行补压；当系统压力升到800 kPaG时，稳压泵停止补压。稳压系统的失效，应考虑非火灾工况及火灾工况。

(1) 非火灾工况

非火灾工况主要考虑管网泄露情形。假设管网发生小泄露，当管网压力降至520 kPaG时，稳压泵接收启泵指令。由于该泵为触电脉冲信号启动，应急发电机无法短时间输出功率，因此，该泵启动失效，消防管网压力继续下降，导致消防泵误启动。

(2) 火灾工况

当发生火灾，失火区域的雨淋阀及软管站投入工作，消防管网压力持续下降，当压力降至520 kPaG时，稳压泵接收启泵指令。同样，应急发电机无法短时间输出功率，该泵启动失效，消防管网压力继续下降，主消防泵启动。

由以上分析可以看出，只要主电失效，稳压泵虽然挂应急电源，不论非火灾工况还是火灾工况，稳压系统都是失效的。在火灾工况下，稳压系统虽对消防系统响应时间有一定的缓冲作用，但由于其流量小，对整个系统的灭火功能影响较小，可以不考虑该系统失效。但在非火灾工况下，稳压系统的失效则将导致消防泵的误启动。

3 结论

以往海上石油平台消防水设计过程中，对消防水系统响应时间考虑较少，随着海上石油平台安全要求日益严格，设计人员应注重消防水系统的快速响应及系统可靠性。近些年，老油田不断挖潜增效，调整项目及扩容工程增加，因此，更应对调整及扩容后的油田进行全面校核，分析消防水系统，确保油田设备及人员的安全保护。

通过对旅大10-1油田调整后消防水系统可靠性校核分析，旅大10-1WHPC平台消防水系统依托旅大10-1CEP平台的方案是可行的。为确保日后实际生产中系统的快速响应，该文对后期设计及建造阶段有如下优化建议，也为日后此类项目提供借鉴：

(1) 系统响应时间估算更适用于工程方案校核。考虑到阀后管线对响应时间的影响，在后期设计计算中，安全专业应与配管专业结合，按照实际系统操作及实际管线布局要求，使用PIPENET软件详细模拟才能更进一步精确系统响应时间值。

(2) 优化实际消防系统管线，减少空管体积，进而减少管线充水时间，保证系统响应时间满足规范要求。

(3) 在对调整后油田消防水系统整体调试前，应先对旅大10-1CEP平台及WHPA平台消防水系统进行整体检查及实际功能测试，排除系统潜在隐患。在消防水系统整体调试期间，应使旅大10-1CEP平台及WHPA平台消防水主环网尽量充满水，必要时需对稳压系统的启停压力进行调整，保证日后管线出水及时，进一步提高响应速度。

(4) 稳压系统在非火灾工况下可采用主电源，避免由于稳压系统失效导致消防泵误启动，但这需现场调研后进一步确定是否可以改进。

[1] NFPA 15. Water Spray Fixed System for Fire Protection[S]. 2007.

[2] DNV-OS-D301. Fire Protection[S]. 2007.

[3] NFPA 20. Standard for the Installation of Stationary Pump for Fire Protection[S]. 2007.

[4] 华斌，陈国梅，陈艳艳，等.BZ13-1平台消防水系统动力源可靠性分析[J]. 中国造船，2009，50(A1)：853-855.

Reliability Analysis of Fire Water System for LD10-1 Oilfield Regulation Projection

WANG Rong1， JIANG Tao2， XU Min3

(1.CNOOC EnerTech Equipment Technology Research & Design Center，Tianjin 300452，China；2.CNOOC Energy Technology & Services-Marketing Services Co.， Ltd, Tianjin 300452，China；3.Engineering Construction Center of Tianjin Branch of CNOOC (China) Ltd，Tianjin 300461，China)

In this development plan, designer confirmed the fire water system after LD10-1 Oilfield Regulation relys on existing fire water system. So, it is necessary to study the reliability analysis of new fire water system for timely response in future. And the optimized design suggestions are afforded for next design stage.

fire water system； reliability analysis；timely response； optimization suggestion

2014-11-06

王 蓉(1982-)，女，高级工程师。

1001-4500(2015)02-0042-06

TE35

A