海上石油平台中压电动消防泵供电可行性分析

来 远,李艳华，窦培举

(1. 中海油研究总院，北京 100028； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300459)

海上石油平台中压电动消防泵供电可行性分析

来 远1,李艳华2，窦培举1

(1. 中海油研究总院，北京 100028； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300459)

海上石油平台电动消防泵采用中压供电可以解决消防泵启动电流过大对平台电网造成冲击的问题，避免将大功率的电动消防泵拆分为两台小功率的电动消防泵，减少消防泵的启动时间，提升消防系统的响应速度。针对规范要求消防泵供电电缆为耐火电缆，但国内尚未有满足规范要求的中压耐火电缆产品的情况，提出了采用防火涂料加绝热层保护电缆的方案。经过论证该方案可以保证非耐火电缆在火灾情况下保持正常工作，从而为海上石油平台消防泵采用中压供电提供了解决方案。

海上石油平台；电动消防泵；中压供电；耐火电缆

0 引 言

海上石油生产平台上使用的电动消防泵多使用异步电动机。电动消防泵启动时的电流是额定电流的4～7倍，启动转矩是额定转矩的1～2倍[1]，较大的启动电流会使发电机的输出电压下降。当电压下降大于额定电压的10%以后，对发电机和正在运行的用电设备以及整个电力系统的运行都是非常不利的，比如电压下降10%，电动机的转矩下降80%，照明灯的光通量下降70%。如果电压继续下降，电力系统的继电保护装置会动作，断开配电系统或者主发电机开关，造成供电中断。目前海上石油生产平台的电动消防泵多选择低压(380 V)供电，当消防泵的额定流量超过一定数值(如500 m3/h)时，由于电机功率过大，需要将一台电动消防泵拆分为两台小流量的电动消防泵并联运行，以此来解决启动电流过大的问题。但是这也带来了两台消防泵启动时间过长，导致消防系统响应时间长，消防泵布置空间增加，消防泵费用增加，操作维护工作量增加等问题。对一定功率的电动消防泵，如果采用中压供电(6.3 kV)，电机的额定电流降低，启动瞬间的电流增加不明显，对整个电网的影响不大。因此采用中压供电，对额定排量较大的电动消防泵可以不用两台泵并联运行，消防泵采用直接启动，启动时间短。本文即针对标准规范对中压消防泵供电的部分限制性要求提供了新的解决思路和方案，以推进中压消防泵在海上的进一步推广应用。

1 规范标准对电动消防泵供电的要求

《海上固定平台安全规则》[2]是海上石油生产平台设计应该遵循的首要规范。该规范对于电动消防泵的供电电压和电缆的耐火要求没有明确规定。

国家石油天然气行业标准《非分类区域和I级1类及2类区域的固定及浮式海上石油设施的电气系统设计与安装推荐做法》(SY/T 10010—2012)[3]对于电动消防泵的电缆有类似规定。该规范规定电动消防泵的供电电缆的布线系统应该能够耐受火焰直接燃烧30 min。

《国际海上人命安全公约》(SOLAS)[4]是海上石油生产平台设计的主要参考规范。该规范没有对电动消防泵的供电电压进行规定，但是对于连接消防泵与配电板的电缆，如果通过有高度失火危险的区域，要求电缆为耐火型。

总体而言，目前海上平台适用的各项规范对于电动消防泵的供电电压没有明确要求，选择中压6.3 kV的供电电压符合规范的要求；而对电缆系统来说，只要与中压供电系统配套的中压电缆能够满足各项规范规定的耐火要求即可。

2 耐火电缆的特性

目前，市场上的电缆根据其燃烧特性可以分为普通电缆、阻燃电缆和耐火电缆三种。由于海上平台危险性较高，广泛采用阻燃电缆。对于耐火电缆与阻燃电缆的选择，主要可以依据其燃烧特性决定。根据规范的规定，阻燃电缆要求在规定试验条件下，试样被燃烧，在撤去火源后，火焰在试样上的蔓延仅在限定范围内并且自行熄灭。耐火电缆要求在规定的火源和时间下燃烧时能持续保持指定状态下运行的能力，即保持线路完整性的能力[5]。换言之，阻燃电缆没有要求电缆被火烧之后保持供电线路的完整性，而耐火电缆则要求在燃烧一定时间之后能够继续供电，因此阻燃电缆无法满足各项规范中对中压消防泵供电电缆的耐火要求。

而对于耐火电缆，GB/T 19216从耐火温度和耐火时间两方面进行了规定：耐火温度分为750 ℃和830 ℃两类，耐火时间推荐采用90 min[6-7]。英国国家标准BS6387中将耐火电缆分为三类，分别是只耐火的电缆、耐火和耐水喷淋的电缆以及耐火和耐机械振动的电缆[8]。表1给出国标和英国标准对于耐火电缆的具体要求。

表1 规范标准对耐火电缆的要求

从上述耐火电缆的测试要求可知，如果海上平台中压消防泵电缆布置在安全区域，电缆布线系统只需要满足国内相关规范的要求，即消防泵供电电缆系统须满足耐火30 min仍保持供电能力的要求；而如果海上平台中压消防泵电缆需要布置在危险区域，则根据SOLAS的要求，处在危险区内的消防泵供电电缆至少应满足耐火90 min仍保持供电能力的要求，这对海上平台消防泵供电系统提出了很高的要求。

采用合格的耐火电缆可以满足海上平台消防泵的供电要求。目前国内的低压阻燃耐火电缆种类较多，品种丰富，可以满足平台使用要求，但是对于中压电动消防泵来说，国产中压阻燃耐火电缆仍然处于实验室样品研发阶段，市场上尚未有国产中压耐火电缆的产品；但如果直接套用低压耐火电缆的诸如缠绕云母绝缘带等防护方法对中压电缆进行保护，则面临着防护有效性的问题，根据迟先吉等[9]的研究，该方式并不适宜用于中压电缆的耐火防护；而如果采用进口中压阻燃耐火电缆，由于平台该类电缆使用量较小，故采办周期极长，单价极高，难以满足项目运行的要求。因此海上石油生产平台的电动消防泵采用中压供电，还需要解决中压耐火电缆的问题，以满足规范对消防泵供电电缆的要求。

3 中压耐火电缆的替代解决方案

要保证中压电缆在火灾情况下能够继续保持供电能力，可以从两方面考虑解决问题。一方面是在设计时保证中压电缆不穿越着火风险高的区域，将电缆着火的概率降低到可接受的概率水平之下。另一方面是对电缆采取相关的保护措施，保证其在火灾情况下不被破坏。

3.1 电缆不穿工艺设备区域

根据SOLAS的规定，电动消防泵的供电电缆通过有高度失火危险的区域时，要求采用耐火电缆。可以优先考虑设备布置和电缆布线避开有高度失火危险的区域，从而可以不使用中压耐火电缆。海上石油平台的工艺设备区域是高度失火的危险区域，总体布置会将工艺设备区域和公用设备区域用防火墙进行分隔，消防泵一般位于公用设备区域。平台上供电设备如变压器，电气开关等均位于公用设备区域，供电电缆在不同层甲板之间垂直布线，避开工艺设备区域是可行的。

3.2 采用防火涂料保护电缆

平台上常用的膨胀型环氧树脂防火涂料，喷涂厚度20 mm，在最长2 h的时间内，能够保证被保护对象表面温度不超过400 ℃。防火涂料不能直接涂敷在电缆表面，这主要是因为：一方面，防火涂料施工需要进行表面打磨抛光处理，防火涂料直接涂敷在电缆外表面施工困难；另一方面，防火油漆只能保证在一定时间内被保护对象的表面温度不超过400 ℃，如果防火涂料直接涂敷在电缆表面，在火焰中燃烧一定时间之后，电缆表面温度将会上升到几百摄氏度，破坏电缆的完整性。因此需要在防火油漆与电缆之间设置绝热层，对电缆提供绝热保护。具体保护方案示意图如图1所示。

图1 防火涂料与绝热层保护电缆示意图Fig.1 Diagram for fire-proof coating and heat insulating layer in cable structure

绝热层可以采用聚氨酯泡沫塑料、玻璃棉制品以及硅酸钙制品。根据平台上发电机烟囱绝热层设计经验[10]，当烟囱表面温度在400 ℃左右时，绝热层厚度采用75 mm可以保证绝热层外表面温度不超过60 ℃。在规范推荐的90 min时间内，防火涂料背面温度低于400 ℃，采用75 mm厚的绝热层，电缆表面温度将低于60 ℃，这一温度低于平台上常用的设计温度，可以保证普通电缆正常工作。

3.3 其他需要考虑的问题

采用防火涂料和绝热层对电缆进行保护，理论上是可行的，市场上常用防火涂料和绝热层能够满足要求。考虑到海上石油平台的特点，还需要考虑以下几个问题。

首先是采用中压供电方案是有其适用条件的。该方案只适用于电动消防泵只挂主电源，不挂应急电源的情况。在平台上的电源是由其他设施提供，本平台发生火灾不影响平台电源供应的情况下，平台上的电动消防泵可以只由主电网供电，不用应急电源供电。如果平台自身带电站，在平台发生火灾，触发火气关断的情况下，平台电站失去燃料源，主电失效，因此消防泵必须由应急电源供电，应急电源是低压电源，无法提供中压电，因此在这种情况下，消防泵无法采用中压供电。

第二点需要注意的是电缆的铺设问题。考虑绝热层厚度、防火涂料厚度、钢管直径以及电缆本身直径，整体直径大概在175～200 mm之间，相当于8英寸(1英寸≈25.4 mm)的管道直径。电缆在平台上是由电缆托架铺设，一般情况下，电缆托架上部空间不能满足该尺寸管道的空间要求。在实际工程中可以考虑该电缆单独走一路托架，避免与其他电缆共托架，也可以考虑直接走管道支架。

第三要考虑绝热材料对电缆和钢管的腐蚀问题。绝热材料中的氯化物、氟化物、硅酸根、钠离子等对奥氏体不锈钢有腐蚀作用，选择绝热层材料应符合国家相关标准要求。

第四要考虑电缆外增加保护层后的施工问题。由于电缆在施工过程中，在诸如缆线挠度、硬度等方面有一定的施工限制，因此该隔热结构需要首先在电缆外敷设绝热层，然后将绝热层和电缆一起置入保护钢管中，预制的保护钢管需要符合电缆挠度的要求。因此，在施工顺序上，需要先预制好后再铺设电缆。此外，由于电缆长度较长，不能分段，并且电缆受转弯半径的限制，电缆路径需要提前规划，顺序施工。对于阻燃铠装电缆来说，电缆在保护钢管中的穿行不会导致电缆的损坏。

第五要考虑船级社等第三方机构的接受程度。由于船级社对平台消防系统的第三方评估对于平台消防设计存在着举足轻重的影响，因此除了进行一定的理论设计与计算外，还应进行相应的现场实验，以保证第三方对该新防火方法的接受。

3.4 经济性比较

相比较于常规的2×50%的传统低压消防泵设置，1×100%的中压消防泵设置在平台占地、设备费用方面的比较如表2所示。

表22×50%的低压消防泵与1×100%的中压消防泵技术经济性比较

Table2Techno-economiccomparisonbetween2×50%lowvoltagefirepumpsand1×100%mediumvoltagefirepump

项 目2×50%的低压消防泵1×100%的中压消防泵设备费用(按800m3/h总消防水量计算)/万元280200占地面积/m284结构钢材费用/万元4028供电电缆费用/万元157电缆耐火结构费用/万元015消防支管费用/万元85总费用/万元343255比较结果经济性差经济性好

根据表2的经济性比较结果，同时考虑到两台电动消防泵给平台总体布置和防火带来的风险，消防系统设计中采用中压消防泵对整体项目来说是更为合理的选择。

4 结 语

对电动消防泵采用中压供电可以解决电动消防泵启动电流大对平台电网造成冲击的问题，从而可以避免将大功率的电动消防泵拆分为两台小功率的电动消防泵，减少消防泵的启动时间，提升消防系统的响应速度。虽然目前国内尚未有满足规范要求的中压耐火电缆，但是可以从电缆布线以及采用防火涂料和绝热层保护等方面对电缆进行保护，保证电缆在火灾情况下也能正常工作，从而满足规范对电缆耐火的要求。电动消防泵中压供电的方案在平台上应用前景比较广阔。

[1] 安维杰，蔡振东，汪沛全. 海洋石油工程设计指南(第三册)：海洋石油工程电气、仪控、通信设计[M]. 北京：石油工业出版社，2007：97.

[2] 国家经贸委. 海上固定平台安全规则[S]. 2000.

[3] 国家能源局. SY/T 10010—2012.非分类区域和I级1类及2类区域的固定及浮式海上石油设施的电气系统设计与安装推荐做法[S]. 2012.

[4] 中国船级社. 国际海上人命安全公约(2009综合本)[S].2010：103.

[5] 中华人民共和国质量监督检验检疫总局. GB/T 19666—2005. 阻燃和耐火电线电缆通则[S]. 2005.

[6] 中华人民共和国质量监督检验检疫总局. GB/T 19216.11—2003. 在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性实验第11部分实验装置——火焰温度不低于750 ℃单独供火[S].2003.

[7] 中华人民共和国质量监督检验检疫总局.GB/T 19216.12—2008.在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性实验第12部分实验装置——火焰温度不低于830 ℃[S].2009.

[8] The British Standards Institution. BS6387—2013. Test method for resistance to fire of cables required to maintain circuit integrity under fire conditions[S]. 2013.

[9] 迟先吉，韩盼.中压耐火电缆的优化设计[J].电线电缆, 2012(5):11.

[10] 中华人民共和国质量监督检验检疫总局. GB 50264—2013. 工业设备及管道绝热工程设计规范[S]. 2013.

FeasibilityAnalysisofMediumVoltagePowerSupplyforElectricallyDrivenFirePumponOffshoreOilPlatform

LAI Yuan1, LI Yan-hua2, DOU Pei-ju1

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China;2.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300459,China)

During starting stage, electrically driven fire pump produces 4～7 times electric current than the rated electric current, which will result in surge impact on the electric grid. Usually two small power pumps are used to replace one big power pump to solve the electric current surge problem, but this will increase the acceleration time of the fire pump and postpone the response of the fire water system. If the electrically driven fire pumps are supplied by medium voltage power source, the starting electric current will be reduced and the surge impact will be eliminated. An equivalent method is raised to replace the medium voltage fire resistance cable under the situation that there is no qualified product at the market. The proposed scheme can meet the related standards and design rules, and provide a solution to the medium voltage driven fire pump on offshore oil platform.

offshore oil platform; electrically driven fire pump; medium voltage power supply; fire-resistance cable

2016-09-02

来远(1983—)，男，工程师，主要从事海上及陆上油田采出水处理工艺研究及油田给排水工程设计工作。

U223.5

A

2095-7297(2016)06-0381-04