海上油气生产设施临时避难所设计——以“深海1号”能源站为例

李艳华，张伟娜，覃柳莎，许晓丽，霍有利

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引 言

临时避难所是海上油气生产设施发生火灾爆炸时为人员提供庇护的场所，可以为人员在紧急情况下疏散、集合、决策、撤离争取时间。目前国内外关于海上油气生产设施临时避难所的设计还没有统一的标准。已有的海上平台临时避难所设计各不相同［1-3］。国内外可参考的相关规范对临时避难所的功能要求为在完成撤离过程所需的一段时间内临时避难所要能保证人员安全［4-6］，但是规范对于如何实现该功能却没有明确的要求和规定。目前国际知名石油公司对于海上生产设施的临时避难所设计均有自己的企业标准，但是国内在这一领域尚属空白。为提升平台的整体安全水平，保障作业人员在紧急情况下可以安全撤离，在我国首个超深水气田开发半潜平台“深海1号”能源站上设置了临时避难所。本文介绍了在“深海1号”能源站临时避难所设计过程中，将规范的功能要求转化为可实施的工程设计指标并成功应用的思路和方案设计，尝试建立海上生产设施临时避难所设计的统一标准，为后期类似项目的临时避难所设计提供参考。

1 临时避难所设计标准

根据规范要求，海上油气生产设施临时避难所的主要功能是为生产设施上的人员提供一定时长的庇护。为实现这一主要功能，需要将其转化为具体的工程设计标准。结合海上油气生产平台的特点及主要风险，将规范规定的主要功能拆分为以下4个子功能：

（1）结构支撑功能：海上油气生产设施上的主要危险来自火灾爆炸事故产生的高温辐射和爆炸超压对结构的冲击破坏，因此临时避难所应能够承受一定强度和时长的火灾与爆炸冲击。

（2）生命支撑功能：人员在避难所内集合后，避难所应能提供必要的生命支持元素，如氧气浓度、阻止烟气和可燃气入侵、适宜的环境温度等。

（3）指挥支持功能：在临时避难所内，操作人员应能够与外界保持通信，必要时寻求外部的救援，能够对生产设施上的各处监视和控制，采取必要的措施减缓事故后果。

（4）逃生疏散功能：避难所的位置应保证人员在紧急情况下能够安全到达，并且从避难所内可以顺利进入救生艇或者直升机进行撤离。

上述4项子功能进一步分解为三级指标，从而将避难所的功能需求转化为可以实现的工程设计方案。表1列出了临时避难所首要功能、4项子功能和三级指标的分解情况。

表1 临时避难所功能指标分解Tab.1 Breakdown of functional indicators of the temporary refuge

2 “深海1号”临时避难所设计方案

2.1 临时避难所整体方案介绍

“深海1号”能源站的临时避难所设置在平台生活楼1楼餐厅和与之相连的走廊，如图1所示。避难所面积为182 m2，平台定员120人，人均面积为1.5 m2。临时避难所面向大海一层有常闭防火门通往救生艇登乘区。避难所层高3.5 m，体积为637 m3。避难与生活楼内部的其他房间采用防火墙分隔。

图1 临时避难所集合区示意图Fig.1 Schematic diagram of assembly area of the temporary refuge

2.2 结构支撑系统设计

结构支撑系统是临时避难所的重要组成部分。根据临时避难所功能指标分解表，结构支撑系统应考虑耐火完整性和耐爆炸冲击载荷完整性两方面性能。为确定“深海1号”能源站上火灾爆炸事故的强度和影响范围，确定临时避难所结构支撑系统的防火防爆设计参数，对平台进行了火灾爆炸模拟分析计算。火灾爆炸分析结果显示，平台上生活楼可能遭受的火灾类型是烃类物质的池火，火灾持续时间29 min，平台可能承受的最大爆炸超压约为45 k Pa。

根据火灾爆炸计算结果，考虑一定的安全系数后确定临时避难所所在生活楼的整体结构，支撑防火防爆设计方案如图2所示。

图2 临时避难所结构支撑平面和立面示意图Fig.2 Plan and elevation diagram of structural support of the temporary refuge

（1）生活楼除面向大海一侧外，其余三面墙体采用H60防火墙进行保护。H60防火墙可以在最高1 200℃火焰温度下，保证墙体结构的完整性，阻挡火焰和烟的通过，并且在60 min时间内保证墙体背火面的温度升高不超过139℃。

（2）生活楼面向工艺区的墙体采用可耐受150 k Pa超压压力的防爆墙进行保护，确保在发生爆炸时临时避难所整体结构不因爆炸超压发生变形和坍塌。

（3）生活楼正下方为公用设备区域和房间区域，该区域用防火墙和防爆墙与工艺区隔离，减少生活楼下方结构遭受火灾爆炸损害的可能性。

2.3 生命支持系统设计

临时避难所的生命支持系统主要功能为人员在集合区等待期间提供必要的生命支持条件，包括氧气供应，稀释二氧化碳浓度，阻止有毒烟气入侵，维持避难所内室温稳定。为临时避难所内提供足够的通风可以同时实现上述4项功能［7］。在正常情况下，避难所内的通风由平台的通风系统供给，在火灾爆炸事故条件下，平台通风系统存在失去电源无法正常工作的问题。火灾爆炸伴随大量可燃气或者烟气扩散，通风系统的入口被可燃气和有毒气体入侵后，通风系统也将自动关闭，避难所将失去通风。为解决上述问题，保证避难所在紧急情况下的通风供给，在“深海1号”能源站上设计了一套独立的空气供给系统。该空气供给系统由空气压缩机、高压储气瓶、减压单元、系统控制阀门、空气分配单元以及相应的管道、阀门附件组成。图3所示是系统的工作流程图。

图3 空气供给系统工作流程图Fig.3 Working flowchart of air supply system

空气供给系统按照人均1.4 m3空气每分钟储存空气，可以连续供应新鲜空气60 min。空气供给系统在提供氧气的同时，也保证了避难所内的微正压，阻止了有毒烟气的入侵。在正常情况下，利用空气压缩机将空气压缩成30 MPa的高压空气储存在高压气瓶组内。通过二级减压后，低压空气通过系统控制阀进入避难所内。系统控制阀设置在临时避难所内。在正常情况下，系统启动阀为关闭状态，阀门上游的管线内充满空气。人员在避难所内打开空气供给系统的启动阀门，空气通过下游空气分配单元均匀地分配进入临时避难所内。系统控制阀通过下游的流量开关与压缩机的启动进行互锁，系统往临时避难所内提供空气时，压缩机将禁止启动，从而避免有毒有害空气通过压缩机进入临时避难所。该系统为机械启动方式，不依赖平台提供动力源，系统可靠性高，在平台紧急关闭的情况下可以持续提供空气。

2.4 指挥支持系统设计

临时避难所指挥支持系统的主要功能是提供避难所与外部的通信，在避难所内进行生产关断和消防系统启动以及平台监视。在“深海1号”能源站避难所内设置卫星电话与陆地终端通信，保持与外部区域通信。避难所内设置应急操作按钮，可关停生产、启动消防泵以及进行弃平台的相关操作。在陆地终端设置“深海1号”能源站生产监控站，对整个平台进行远程生产数据以及平台姿态监控，在紧急工况下可对平台进行远程应急处理。

2.5 疏散逃生系统设计

疏散逃生系统的设计应保证人员可以安全抵达临时避难所和从避难所撤离。疏散逃生系统的设计可以从进入避难所的通道向逃生方向指示，从避难所撤离的通道、撤离方式以及个人防护等方面进行考虑。

“深海1号”能源站的临时避难所位于生活楼内，如图4所示，平台上沿着甲板外沿设置逃生通道，从南北两侧进入生活楼，2个方向的通道相互远离，保证操作人员在发生事故时至少有一条通道可以进入临时避难所内。平台上沿着通道设置了照明系统以及逃生方向指示设施。照明由平台应急电源供电，平台主电失效后，应急电源可提供18 h的电力供应，保证通向避难所的通道可用。逃生指示设施在黑暗条件下可以自发光10 h，持续为操作人员指示逃生方向。

图4 平台疏散通道示意图Fig.4 Schematic diagram of evacuation passage on the platform

海上油气生产设施上常用的人员撤离方式是直升机撤离和救生艇撤离。如图1所示，临时避难所通过开向面临大海一侧的门撤离进入救生艇登艇区。在避难所内也可以通过生活楼内部楼梯进入直升机登乘区。生活楼整体采用防火墙和防爆墙保护，可以有效阻挡火烟和热对救生艇登艇区的破坏，保证逃生撤离方式的安全。

在临时避难所内按照平台的定员配置了120套个人救生设备，每套设备包括紧急逃生呼吸器、安全手电灯和防热手套。紧急逃生呼吸器为供气式呼吸器，可以提供15 min空气供应，保护人员在从避难所撤离时不受有毒烟气的损害。

人员逃生、集合、撤离所需的时间是影响临时避难所的一个重要参数，它决定了临时避难所其余各项系统需要保证功能完整性的时长。在计算人员逃生、集合和撤离时长时需要考虑以下几个因素：

（1）事故被发现，报警所需要的时长。

（2）人员对工作现场进行紧急处理的时长。

（3）人员从最远点到临时避难所步行所需要的时长。

（4）在临时避难所内点名，做决策的时长。

（5）人员登上救生艇的时长。

（6）救生艇下放到海面的时长。

基于紧急情况的不可预测性，上述各个环节所需时长很难精确计算，只能依据设施实际情况进行合理假设。事故被发现触发报警所需时长与事故严重程度有关，人员逃生撤离的事故被发现所需时间应较短，“深海1号”避难所设计时考虑该时长为2 min。人员从最远点到临时避难所步行所需时长要综合考虑人员在斜梯、平坦路面、直梯上的行进速度的不同，“深海1号”最长逃生距离为从船体底部到生活楼，合计步行时间为5 min。在避难所内点名以及全员登艇所需时长与平台定员人数相关，人数越多，所需时间越长。“深海1号”定员120人，两项时长分别计算为5 min和6 min。救生艇下方时长参考平时演练的实际时长，考虑10 min。合计逃生疏散所需时间为28 min。

生命支持系统、结构支撑系统保持功能完整性的时长不能低于逃生疏散所需时长。考虑一定安全系数后确定“深海1号”防火墙，选择耐火时长为60 min，空气供应系统可以提供60 min空气。

3 结 语

如何将规范要求的功能性要求转化为可以实施的设计方案和设计指标是目前海上油气生产设施临时避难所设计面临的一个难题。在“深海1号”能源站的临时避难所设计过程中，通过将规范的功能性要求逐级分解，层层细化，尝试建立临时避难所的设计标准和验收指标，这在海上临时避难所设计中尚属首次。相关设计成果已经通过了发证检验机构的验收。本文介绍的是有人平台，对于无人简易平台的室外开敞避难区域的设计还需要在工程实践和理论研究中不断探索。