FPSO泵舱消防系统性能评价与改进*

谢修龙 朱 渊 章祝云 杨 强 郑 伟

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司 广东深圳 518067；2.中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心 山东青岛 266580； 3.中国石油大学(北京) 北京 102249)

FPSO泵舱消防系统性能评价与改进*

谢修龙1,2朱 渊2章祝云2杨 强2郑 伟3

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司 广东深圳 518067；2.中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心 山东青岛 266580； 3.中国石油大学(北京) 北京 102249)

谢修龙，朱渊，章祝云，等.FPSO泵舱消防系统性能评价与改进[J].中国海上油气，2017,29(4)：175-181.

XIE Xiulong，ZHU Yuan，ZHANG Zhuyun,et al.Performance evaluation and improvement for fire protection systems of FPSO pump cabins[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):175-181.

浮式生产系统(FPSO)结构紧凑、系统复杂、作业负荷大，油气泄漏和火灾风险高。选取FPSO火灾爆炸风险高的泵舱为研究对象，开展FPSO泵舱火灾风险分析，同时从热辐射、温度、烟气层高度等3个方面模拟分析泵舱火灾，发现现有消防系统可有效控制火灾和烟气的蔓延，能够保证人员安全疏散，但却无法及时有效扑灭火灾。为此，设计了一套CO2灭火系统，并对其性能进行了模拟分析和评价，结果表明该系统可在人员全部撤出泵舱后迅速扑灭火灾，满足泵舱消防性能要求。本文研究成果可为提高FPSO火灾风险控制能力、火灾风险管理水平提供理论支撑和技术指导。

FPSO；火灾；消防系统；热辐射；温度；烟气层高度；CO2灭火系统；消防性能

浮式生产系统(FPSO)除进坞检修外，大部分时间系泊在固定海域，在服役期内存在各种安全隐患，尤其以火灾风险最为严重[1]。一旦消防系统存在不足而发生火灾，不仅火情无法控制，还可能给作业人员造成不可预知的伤害[2]。对于现有FPSO消防系统，设计人员通常按照规范要求进行设计，风险评估时也是依据规范进行评价，然而，海上设施或装置的生产条件不是一成不变的，消防系统评估指标和参数也是动态的，这种防火评价模式已经不能满足实际需求。因此，对海上设施消防系统进行性能化评估是必然趋势。目前，国内外学者已开展了大量有关性能化防火设计概念的研究。郭杰[3]对海洋平台油气处理系统原油泄漏的火灾进行了模拟分析，通过对不同脱险梯道热辐射强度、温度等的对比分析，确定最佳人员疏散路径；魏超南[4]以FPSO生产作业全周期为研究对象，对生产运行阶段的油气泄漏及连锁效应导致的火灾、爆炸进行了风险评估。Yoon等[5]在数值模拟的基础上，对火灾热源、风速和风向等因素对FPSO上部模块区域热扩散行为的影响进行了研究；Kim等[6]综合使用实验方法和CFD(CFX,KFX)软件模拟分析，对钢管件、混凝土管件等在喷射火作用下的温度分布和热通量载荷特性等进行了研究。

针对国内目前在油气消防领域缺少将性能化概念与消防系统评估相结合进行评价分析的现状，本文选取FPSO泵舱为研究对象，运用FDS(Fire Dynamics Simulator) 软件，对货油泵泄漏油池火灾和消防系统作用进行了模拟分析，通过舱内环境温度、火灾热辐射、烟气层高度等参数评价了消防系统的消防性能，分析了泵舱消防系统在面临实际火灾时的作用和不足，并根据分析结果提出了消防系统改进措施和建议，从而为提高FPSO火灾风险控制能力、火灾风险管理水平提供理论支撑和技术指导。

1 FPSO泵舱火灾风险模型与危险标准1.1 火灾模拟模型

采用火灾动力学大涡模拟模型进行FPSO泵舱火灾的模拟和分析研究，该模型是一组简化的低马赫数流动方程[7]。在模型中，目标对象可燃物主要成分为碳氢化合物，其燃烧化学反应速率定义为[7]

(1)

式(1)中，m为碳氢化合物物质的量浓度，mol/m3；t为时间，s；B为反应活化能指前因子，是与温度、浓度无关的常数，无量纲；n为氧气的物质的量浓度，mol/m3；E为反应活化能，kJ/mol；R为气体常数，值为8.314 J/(K·mol)；T为热力学温度，K；a、b为反应级数。

1.2 火灾风险性能评价模型

消防系统性能规范目标为“采取安全措施以便使人们能够得知火灾发生并疏散，所有疏散通道在疏散期间可保证人员安全”[8]，根据FPSO现场泵舱的实际条件，结合中国海洋石油总公司的相关规定，为满足消防系统性能要求，定义泵舱消防系统的评价指标为：①控制火灾和烟气的蔓延，降低烟气对人员的危害，保护人员安全疏散；②在人员全部撤出泵舱后，能够迅速扑灭火灾。

1.3 危险判断标准选取

为评价火灾造成的伤害情况，选择热辐射、火灾现场环境温度以及影响人员逃生的烟气层高度作为评价指标[9]：当温度超过200 ℃时，人员将受到严重伤害或者死亡；当热辐射超过25.0 kW/m2时，人员将会受到严重伤害或者死亡；热辐射超过37.5 kW/m2，结构将发生坍塌或严重损坏；当烟气层高度超过2.1 m时，烟气将影响人员的正常疏散[10]。

2 泵舱火灾仿真模型

2.1 泵舱网络模型建立及探头分布

以某12万吨级FPSO泵舱为研究对象，综合考虑泵舱空间尺寸、各层设备、通风系统、火气系统、消防系统以及各系统之间的火灾响应控制逻辑等，建立泵舱火灾仿真模型，以保证模型与实际工程对象之间的对应性，泵舱立体模型如图1所示。泵舱共分为底层甲板、C甲板、B甲板、A甲板等4层，各层高度分别为8、7、5、4 m。设备及管系主要分布在底层甲板，底层甲板是油气积聚的主要场所。泵舱底层主要设备有3台原油外输泵和3台生产水输送泵，分别位于泵舱底层中部和左边靠墙位置。本文以原油外输泵A泄露形成的油池火灾为研究对象，分析泵舱消防系统对火灾发展的影响。该油池坐标为X=4.0 m、Y=-6.0 m、Z=0.5 m，原油主要组分为饱和

图1 FPSO泵舱模型Fig .1 Model of FPSO pump room

烃，约占总质量的72.1%，芳香烃约占15.6%，水分、杂质等约占12.3%。为防止可燃性气体积聚，整个泵舱采取强制通风措施(强制抽风)，2个主要抽风口位于泵舱底层。在泵舱各层甲板上方4～5 m分布有感烟探头以及可燃气体探头；在泵舱底层设备上方布置有水喷淋头，探头布置如图2所示。

2.2 模拟条件假设

1) 泵舱在内的整个船体由钢构建组成；

2) 泵舱空间跨度不大，同时在强制通风的作用下，空气处于持续对流状态；

3) 泵舱温度常年维持在32 ℃左右，根据经验不考虑温度在空间上的变化，以此作为环境边界条件。

图2 泵舱底层主要设备及探头分布Fig .2 Main equipment and probe distribution of the FPSO pump room

3 泵舱火灾模拟分析

为研究泵舱火灾的规模和破坏程度，暂不考虑消防系统的作用，对货油泵泄漏形成的泵舱底部油池火灾进行模拟，分析火灾现场环境温度、火灾热辐射和烟气层高度的变化规律。

3.1 火灾现场环境温度场变化规律

选取位于逃生楼梯处Y=0.75 m的切面作为研究区域，该处火灾温度是影响人员逃生能否成功的关键因素之一。火灾发展各阶段该切面温度变化如图3所示，由图3a可知，在t=7.5 s时，逃生楼梯处的温度接近200 ℃，即未启动消防系统时，人员有效逃生时间为7.5 s；由图3b可知，当t=87.0 s时，舱内燃烧达到全盛阶段，底层甲板上部空间及楼梯处温度达500 ℃，部分区域可达580 ℃，此时人员已无逃生可能。

图3 FPSO泵舱Y=0.75 m切面处温度变化Fig .3 Y=0.75 m temperature changes of the FPSO pump room tangent plane

3.2 火灾热辐射变化规律

考虑到消防人员火灾防护的薄弱环节在头部，故选取高度为2 m处的热辐射强度为分析对象，分别在4个消防栓处以及消防人员所经路径上设置热辐射探测点，分别为THCP5-2.0、THCP2-2.0、THCP0-2.0、THCP3-2.0和THCP4-2.0、THCP1-2.0，各探测点空间坐标如表1所示。各探测点热辐射强度曲线如图4所示，可以看出，热辐射强度最高可达67.5 kW/m2，此值已远超过人员及泵舱钢结构可承受的热辐射强度。

表1 FPSO泵仓热辐射测点布置Table 1 Arrangement of the FPSO pump room thermal radiation test points

图4 FPSO泵舱底层各点热辐射强度曲线Fig .4 Thermal radiation intensity curve of each point at the bottom of the FPSO pump room

3.3 烟气层高度变化规律

分别在泵舱底层楼梯处以及4个消防栓处设置烟气层高度监测点，分别为LAYER0、LAYER1、LAYER2、LAYER3、LAYER4。各监测点烟气层高度变化如图5所示，可以看出，火灾发生后应急逃生梯道处烟气高度一直保持在1 m左右，给人员逃生及消防人员火灾救援造成不利影响。

图5 FPSO泵舱各监测点烟气层高度变化曲线Fig .5 Height change curve of flue gases of monitoring points in pump room

4 泵舱消防系统性能评价

泵舱现有消防配置主要为水喷淋系统和消防栓系统。泵舱底层布置有8个感烟探头，水喷淋系统的释放条件为8个感烟探头中的任意2个探头触发。消防栓需要消防人员手动释放，消防人员从集合到成功释放消防栓平均需要75.0 s，因此消防栓的释放时间设定为t=75.0 s。分别从火灾现场环境温度、火灾热辐射和烟气层高度等3个方面研究消防系统启动后对泵舱底层火灾的抑制作用。

4.1 消防系统对火灾现场环境温度的影响

消防系统投入使用与未投入使用情况下，发生火灾后现场环境温度对比如图6所示。选取应急逃生梯道Y=0.75 m处的温度切面，在t=11.4 s时进行分析。有消防系统时，消防系统对泵舱底层空间的降温效果非常明显，逃生梯道温度为安全临界温度200 ℃左右；无消防系统时，应急逃生梯道处的温度为350 ℃。这说明现有消防系统能够有效降低泵舱底层温度，延缓火焰及温度蔓延，同时也可使泵舱底层人员逃生时间从7.5 s延长至11.4 s。根据日常消防演练，所有人员在获知火情并撤离泵舱的所需时间大约为9 s，因此现有消防系统可有效保障人员安全撤离。

4.2 消防系统对热辐射的影响

消防系统对火灾热辐射影响对比如图7所示，可以看出：在消防系统启用后，对初期火灾的热辐射抑制作用较为明显；随着火灾的发展，其抑制作用逐渐增强[11]，在t=130.0 s左右，水喷淋与消防栓对火灾的联合作用最为明显。

图6 消防系统对FPSO泵舱温度影响对比图Fig .6 Temperature contrast figure of the FPSO pump room fire protection system

图7 FPSO泵舱喷淋系统热辐射影响对比图Fig .7 Heat release rate of the FPSO pump room spray system affecting contrast figure

4.3 消防系统对烟气层高度的影响

消防系统对烟气层高度影响情况对比如图8所示，可以看出：在火灾初期，消防系统对烟气的洗涤和包裹作用非常明显，烟气层高度急剧下降并维持在1.0 m左右；随后，原油燃烧速率加快，消防系统对烟气的洗涤和包裹作用逐渐降低，并且对烟气造成扰动效果[12]，扩大了烟气的影响范围和强度。 综上所述，泵舱消防系统在火灾初期能够有效降低泵舱底层温度、火源热辐射以及控制烟气高度和范围，并且给人员逃生创造更为有利的条件,但在火灾发展的后期，消防系统全部投入使用仍然不能使火灾扑灭。

图8 有无消防系统时FPSO泵舱烟气高度变化对比图Fig .8 Height change contrast figure of smoke in the PFSO pump room with/without fire extinguishing system

5 消防系统改进

5.1 CO2灭火系统设计

根据船舶CO2灭火系统设计标准[13]，泵舱底层所需CO2总量为

(2)

式(2)中:T为CO2所需量，kg；V为最大保护处所的容积，m3；U为容积系数，kg/m3。

该泵舱空间容积V为2 400 m3，容积系数U为0.45 kg/m3，代入式(2)求得泵舱底层所需CO2总量T为1 928.57 kg。根据CO2灭火系统设计的基本要求，发生火灾时保护区域所需CO2总量的85%应在2 min内全部释放,故当发生火灾时实际释放到保护区域的有效CO2总量为1 639.28 kg。

被保护区域的空间体积较大，因此选择CO2喷头释放速率较大的N13型喷头，总数为16个，各探头的空间坐标如表2所示。

表2 FPSO泵舱CO2喷头空间布置Table 2 Arrangement of CO2 sprays in the FPSO pump room

单个CO2喷头喷射速率为

(3)

式(3)中:v为单个CO2喷头喷射速率，kg/(m2·s)；S为喷嘴有效喷射面积，m2；N为泵舱底层喷头总个数；t为时间，s。将T=1 639.28 kg、S=1.4527×10-4m2、N=16、t=120 s代入式(3),可得喷头喷射速率为5 877.27 kg/(m2·s)。

采用手动释放CO2系统，考虑到CO2系统的释放必须满足以下2个条件：①所有人员必须全部撤出被保护区域；②在火灾处于稳定发展期时，使该套系统投入使用。综合以上因素，选取t=90.0 s时CO2投入使用较符合实际情况。

精选精矿与扫选精矿合并可得最终精矿，最终精矿品位64.15%，产率87.63%，回收率92.47%；尾矿品位37.01%，产率12.37%，回收率7.53%。

5.2 模拟结果分析

泵舱在水喷淋、消防栓以及CO2灭火系统联合作用下的火灾发展趋势如图9所示，CO2灭火系统在t=90.0 s时投入使用。由图9可以看出，t=84.0 s时，火灾处于稳定燃烧阶段；t=94.5 s时，由于CO2系统的介入，受CO2气体的冷却隔离作用，油池火灾的火焰逐渐减小；t=127.5 s时，火灾进一步减弱，油池中的原油燃烧已基本停止；t=132.0 s时，油池火灾熄灭。

图9 FPSO泵舱在水喷淋系统、消防栓以及CO2灭火系统联合作用下火灾发展趋势图Fig .9 Fire development trend figure of the FPSO pump room with the water spray system,fire hydrant and CO2 extinguishing system

由此可见，从CO2灭火系统投入使用到泵舱底层油池火灾完全熄灭，共用时42.0 s，说明CO2灭火系统具有良好的灭火效果，特别是对于密闭空间的火灾，灭火效率非常高。同时也表明，本文提出的消防系统的优化设计即在泵舱底层设计加装CO2灭火系统能够满足迅速扑灭泵舱火灾的消防系统性能化指标。

6 结论

1) 选取FPSO泵舱为研究对象，运用FDS软件对货油泵泄漏油池火灾和消防系统灭火作用进行了模拟分析，结果表明现有消防系统能够延缓火灾发展，有效延长人员逃生时间，但不能立即将火灾扑灭，不满足泵舱消防性能要求。

2) 针对现有消防系统，提出了在泵舱底层设计加装CO2灭火系统的改进建议，并对其性能进行了模拟评价，结果表明该系统可在人员全部撤出泵舱后迅速扑灭火灾，满足泵舱消防性能要求。

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(编辑：吕欢欢)

海上钻完井专家 范白涛

范白涛，男，高级工程师，1998年毕业于原大庆石油学院石油工程专业,曾任中国海洋石油渤海石油公司生产部完井工程师、完井监督、完井总监，中海石油(中国)有限公司天津分公司钻井部油田开发管理主管、南堡35-2油田钻完井项目经理、阿纳达克联管会钻井代表、天津分公司钻完井部设计经理、主任工程师、天津分公司钻完井专家,现任中海石油(中国)有限公司天津分公司工程技术部经理、中国海洋石油总公司标准化委员会钻完井专业标准化技术委员会委员、海上油田高效开发国家重点实验室油田钻完井室主任，2016年被聘为中国海洋石油总公司钻完井专家。近年来先后荣获“海上大庆油田”立功个人二等功、十佳青年技术能手、第二十四届“孙越崎青年科技奖”等荣誉称号，获得省部级科技进步奖17项、局级科技进步奖30余项，合作出版专著4部，发表科技论文45篇，起草总公司企业标准3部，获国家专利30项，其中发明专利5项。

长期从事渤海油田钻完井工程技术研究和管理工作。“十一五”以来，参与了渤海近30个油田1700余口井的优快钻完井科研、设计和作业实践，承担国家科技重大专项“渤海油田高效钻完井及配套技术示范”、总公司重大专项“海上稠油热采钻完井关键技术研究”、总公司及有限公司综合科研项目以及分公司生产科研项目等多项科研课题。在他的带领下，经过团队的努力，攻克了钻完井技术领域多个重大难题，在复杂压力系统油藏钻完井全过程储层保护、多枝导流复杂结构井钻完井、海上密集丛式井网加密钻采防碰、大负压返涌射孔工艺、一趟管柱多层防砂完井工艺和非常规稠油热采钻完井等方面形成了具有渤海特色的钻完井核心技术体系。随着油田勘探开发生产的推进，面对低油价形势，坚持问题导向，他正带领技术团队不懈努力、大胆创新，在中深层钻完井、在生产油田稳产挖潜、“低、边、稠”油田开发和钻完井废弃物处置等方面持续研究攻关，将为渤海油田的高效开发和可持续发展提供技术保障。

Performance evaluation and improvement for fire protection systems of FPSO pump cabins

XIE Xiulong1,2ZHU Yuan2ZHANG Zhuyun2YANG Qiang2ZHENG Wei3

(1.ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Shenzhen,Guangdong518067,China; 2.COESTofChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China; 3.ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

FPSO is characteristic of its compact structure, complicated system, and heavy operating load; the risk of fire disaster and oil & gas leakage is very high.In this paper the pump cabin was chosen as the research object because of its high risk of fire and explosion; and fire simulations for FPSO pump cabins were carried out for risk analysis in the following aspects: heat radiation, temperature and smoke layer height.It was found out that the existing fire control system can effectively control the spread of fire and smoke, ensuring the safety evacuation, but can’t effectively put out the fire in time.For this reason a CO2fire extinguishing system was designed and verified by the simulation, which can extinguish the fire quickly after personnel evacuation from the pump cabin, satisfying the performance criteria of FPSO fire risk control and management.The research results can provide theoretical support and technical guidance for improving the capacity of fire risk control and management for FPSOs.

FPSO; fire disaster; fire protection system; heat radiation; temperature; smoke layer height; CO2fire extinguishing system;performance criteria of fire

*中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“燃爆条件下深水油气开发工艺灾变机制与控制基础研究(编号：15CX05018A)”、国家自然科学基金项目“极端海洋环境下海洋固定平台生存能力及动力灾变应急对策研究(编号：51579246)”、工业和信息化部“第七代超深水钻井平台(船)”创新专项部分研究成果。

谢修龙，男，工程师，2016年毕业于中国石油大学(华东)，获硕士学位，主要从事FPSO现场安全工作。地址：深圳市南山区后海滨路(深圳湾段)3168号中海石油(中国)有限公司深圳分公司西江油田作业区(邮编:518067)。E-mail：xxl_1988@126.com。

朱渊，男，副教授，2010年毕业于中国石油大学(华东)，获博士学位，主要从事油气安全相关科研工作。地址：青岛市黄岛区长江西路66号机电学院安全科学与工程系(邮编：266580)。E-mail：zhy3323@163.com。

1673-1506(2017)04-0175-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.024

TE48

A

2017-03-24 改回日期：2017-05-27