洁净气体灭火在FPSO上的应用

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(1.中船邮轮科技发展有限公司，上海 200137；2.上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

FPSO储存和处理着大量的可燃液体和气体，很多区域属于高失火危险处所。所选用的最佳灭火方式应为气体灭火方式[1]，为此主要分析新型洁净气体NOVEC 1230消防灭火系统在FPSO上的应用。

1 气体灭火介质简介

传统气体灭火介质主要分为两大类。

1)不燃气体灭火剂。这类灭火剂是燃烧呈惰性的气体，通过大量释放隔绝氧气以达到灭火的目的。以现在较为常用的二氧化碳灭火剂为代表。

2)哈龙(卤代烷)灭火剂[2-3]。哈龙灭火剂以卤代烷1211及1301为代表，此类灭火剂通过消除维持燃烧所必须的自由基，从而达到灭火的目的，属于化学抑制灭火。其本身就具有一定毒性，并且灭火过程中产生的物质对环境有伤害，早已退出市场。

由于卤代烷灭火剂环境亲和性差，而传统的不燃气体灭火具有一定的局限性；且人类对环境保护的越来越重视，新一代的洁净气体灭火剂应运而生。

洁净气体灭火介质成为一种主流的气体灭火介质用以替代传统的气体灭火剂。相较于传统灭火气体有两大优点：对环境无污染；在一定灭火浓度范围内对人体无损害。现在市场上常用的洁净气体主要分为两大类。

1)惰性气体 ,以IG-541(烟烙尽)为代表。

2)卤化烃洁净气体，以HFC-227ea(七氟丙烷)和 FK-5-1-12(NOVEC 1230)为代表。

经过搜集调研船舶领域气体灭火介质的使用情况，发现目前市场上主流的气体灭火介质选择还是二氧化碳气体灭火；而自2001年3M公司推出Novec1230至今，随着海洋和大气环境保护的意识逐步提高，二氧化碳的使用情况相对于市场的对比并没有看出增长的趋势，而Novec1230的市场使用率却在逐步增加，见图1。七氟丙烷和烟烙尽的使用则相对较少。

1.1 常用气体灭火介质特性对比

目前常用的固定式气体灭火介质主要有4种：CO2、IG-541、HFC-227ea和 FK-5-1-12[4]。在同等体积(100 m3)的房间内进行4种介质灭火试验得出的结论见表1。

Novec1230广泛适用于全淹没保护系统、局部应用保护系统、定向喷射灭火系统以及便携式灭火器系统中。除了应用于常规的氮气加压的气体灭火系统中，Novec1230也适用于泵组式的液态消防喷淋系统。

表1 4种介质特性对比

*NOAEL:无可见有害作用水平值(即浓度超过该数值后可能会对人体造成损害)

1.2 FPSO上的气体灭火介质选择

常规的FPSO上装备了大量油气处理系统，其中的设备和处理装置大都是做成模块化的，以便多艘FPSO可以共用这些模块，降低使用成本。模块后期的安装都是在甲板面上的，所以甲板面上不能够设置太多房间或大型设备。这就导致大部设备都需要放置在机舱内，机舱空间就相对比较拥挤。另外，此类FPSO的推进器也是采用通用模块的形式，需要航行时将推进器模块安装上即可，但是除却推进器以外，推进器所需要的发电机等动力源设备都需要在机舱内配置好，机舱空间非常有限。另外基于对安全的重视，FPSO上的灭火系统在系统设计上基本都会采用冗余设计的方式，即系统需要备用，所以系统中气瓶的数量是实际需求数量的2倍。除却气体灭火系统以外，还配有消防泵，高倍泡沫系统，甲板泡沫系统等。具体为消防泵共4台(3用4备)；高倍泡沫泵2台(1用1备)；甲板泡沫泵2台(1用1备)，甲板泡沫罐2个(1用1备)。

此类设备都需要设有独立的储存空间。

根据规范要求，集中存储的气体灭火介质只能放置在甲板面及以上或以下一层的独立房间内，并且房间需要有一个逃生通道直达室外。在机舱空间较为紧凑的情况下不占用太多空间。

根据以上对比，首先二氧化碳气体灭火要求达到一定浓度才能具备灭火效果，而到达这一浓度后会对人体有害，形成窒息；其次二氧化碳属于大量需求，压力存储，存储所需空间较大且尽可能独立，对所存放瓶组的区域也有严格的设计要求。

在同等条件下，CO2和IG-541由于其本身特性的原因，气瓶充注率较低，因此，所需气瓶数量要比HFC-227ea和 FK-5-1-12多，占用的空间较大，不适用于常规FPSO上使用。

HFC-227ea和 FK-5-1-12两者特性比较相似，但是FK-5-1-12优于HFC-227ea的最主要的一点在于FK-5-1-12的设计灭火浓度(%)范围大于HFC-227ea。HFC-227ea的设计灭火浓度为8%～9%，低于8%浓度时可能无法达到灭火效果，高于9%是，对人体会造成一定伤害，因此，对房间体积等数值的精确度要求较高。而FK-5-1-12的设计灭火浓度为6%～10%，只要确保被保护区域的浓度在该范围内就可以保证灭火效果，也可确保对人体无害。

因此，FK-5-1-12是一种无毒害，易存储，高效安全的气体灭火介质，非常适合FPSO上的应用场合。

2 NOVEC 1230气体灭火系统的设计

2.1 应用对比

NOVEC 1230新型灭火剂经过多年的发展和应用，已经逐步成熟并应用于船舶固定式气体消防系统。在不同船舶项目上，结合项目船型本身的特点，NOVEC 1230固定式气体灭火系统的主要有以下几种对比选择。

1)集中式(有独立的气体储存室)或模块式(气瓶放置在被保护区域内)。

2)外储压式(配有独立的氮气驱动瓶，可输送较远距离)或内储压式(氮气与药剂混合存储，输送距离相对较短)。

在LNG船和FPSO船上，电气设备间由于经常有人，切电气设备较精密，一般都采用了NOVEC1230气体灭火系统。对于部分较为集中的处所，一般选用内储压集中式(管路长度不超过20 m,高差不超过5 m)，如果有个别房间距离较远或高差较大，可结合实际情况选择模块式或外储压式来解决传输距离过长的问题。

在LNG船上，个别距离较远的房间选用的是模块式，主要原因有以下两点：距离太远，已经超出了外储压式的极限输送距离；房间较大，即便外储压式的能够到达，但是时间上也不能满足规范10 s内完全释放的要求。

而在FPSO上则选用外储压系统来解决个别房间距离气瓶储存间较远的问题，因为这些房间体积并不大，而且距离也在外储压式可接受的范围内。

相比较而言，能够使用外储压式来解决距离问题的话，一般就不采用模块式，因为模块式对被保护区域的通风、温度要求较高(因为药剂瓶存储在房间内)，而且药剂不能与其他处所共用。

2.2 气瓶种类选型(内储压与外储压)

结合实际被保护处所的位置分布情况，考虑被保护处所至气瓶储存间的空间距离，结合流体压降计算，选择内储压式或外储压式的气瓶。内储压气瓶即靠自身气瓶内所蕴含的压力，推动气体进入灭火管道后，释放至保护区域，适合被保护区域较小的情况；外储压气瓶需要在压力储气瓶外部增加一个压力瓶，通常为氮气瓶，来增加气体输送能力，适合被保护区域较大的场合。

由于FPSO上应发间、左舷推进器间和右舷推进器间距离气瓶储存间较远，如果使用内储压式系统，会因为管路过长、气压不足导致气体无法被送至被保护处所，无法达到灭火效果。因此，选择外储压式气瓶，即每瓶NOVEC1230药剂瓶都配备一个氮气驱动瓶。氮气瓶瓶头会安装一个减压装置，压力减至3 MPa后,氮气将先进入NOVEC1230药剂瓶内，然后推动NOVEC1230药剂至保护区域释放。

2.3 介质用量计算

首先要确定各个被保护区域的容积，以某型FPSO船上被保护处所为例，各空间容积见表2。

表2 被保护处所的体积

之后使用下式进行所需气体量的计算。

W=(V/S)×C/(100-C)

式中：C为5.8%，0 ℃时所需要的灭火浓度；S为0.066 4+0.0002 741t，t为温度，℃；W为灭火所需的气体量，kg；V为被保护区域的净容积， m3(为总容积的90%)。

规范要求，同一气体灭火系统内的钢瓶容积一致。Noeco1230最大充装密度为1 419 kg/m3(2.5 MPa) 和1 397 kg/m3(2.5 MPa)，在灭火系统的设计过程中应考虑器充装密度不大于该上线值。

根据公式(1)和规范要求，依次计算出被保护区域所需的气体量，详见表3。

表3 计算结果(每瓶内气体量为130 kg)

同一个系统内不考虑多个处所同时灭火的情况，因此，根据以上计算结果选择一个最大被保护处所的容量作为该系统的设计容量，根据以上对比，系统容量最终选择的气瓶数量为7瓶。

2.4 系统控制及组成

NOVEC 1230系统的主要组成部分为：气瓶、总管、分配管路、区域阀、遥控释放装置、报警器、喷嘴及若干附件、铭牌等。

当系统药剂瓶使用完或出现泄漏需要重新充注时，为防止该系统处于无法使用的情况，FPSO的NOVEC1230采用100%药剂瓶备用的系统设计，分为主系统和备用系统[8]。在系统的控制板上配有一个选择开关，用于选择哪个系统(主系统和备用系统)在线可用，见图2。

主系统和备用系统共用总管，区域阀和释放按钮、喷嘴等部件。

当控制板上的选择开关选择主系统时，遥控释放装置会直接作用在主系统药剂瓶上，选择备用时则作用在备用系统。

选择主系统时，要确保主系统的隔断阀处于打开状态，备用系统的隔断阀处于关闭状态。如果选择开关的选择与隔断阀的开关状态不一致，控制板会有蜂鸣报警。

系统采用电动遥控控制释放，释放按钮直接控制氮气驱动瓶的瓶头。系统释放：激活按钮后被保护区域的风机和风闸会自动关断，30 s延迟后，氮气瓶头会打开，氮气会驱动NOVEC 1230药剂瓶的瓶头开启，进入NOVEC 1230药剂瓶驱动药剂至被保护处所。每个被保护处所配有3个这样的电控释放按钮，分别放置在气瓶储存间、就地以及防火控制站内。另外氮气瓶头阀和区域阀也可手动操作打开，当遥控释放失效的情况下可以手动释放。

除却上述电控释放按钮、总管和气瓶外，每个被保护处所配有一个区域阀，若干喷嘴、报警器、操作警示铭牌等。其次每个被保护处所的释放管路在进入被保护处所前的管段上都配有一个压力开关用以监测系统是否正常释放。

管路设计时首先根据房间位置和体积大小布置管路走向并确定管路尺寸，尽量减少弯头和三通的使用以减少压力损失。然后将初步方案的数据输入管路计算软件进行计算，调整管路走向和尺寸，确保介质能够在10 s内释放至保护处所并且同处所内的每个喷嘴的排量大致相同。

3 结论

对4种常用的气体灭火介质对比表明，2种气体存储空间需求较大，不适用于该型FPSO；HFC-227ea(七氟丙烷)和 FK-5-1-12(NOVEC1230)，虽然适用于该型FPSO，但是HFC-227ea的设计灭火浓度范围较小，这样对各项参数精确度要求较高，一旦参数出现误差可能会导致无法到达灭火浓度或者是超过无可见有害作用水平值从而对人体造成伤害。只有FK-5-1-12(NOVEC1230)的各项特性及系统配置等符合FPSO上的灭火需求。