无人平台井口区智能化消防系统方案设计研究

刘 锐，邱 爽，邵士发，曾一勇，曾祥红

中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津 300450

0 引 言

无人平台是指正常生产过程中不设人员值守，依靠远程监控手段来控制生产，人员仅在检修、维修或钻修井期间进行访问作业［1］。参考既往海上平台火灾事件发生情况，无人平台发生恶性火灾事件的概率很低［2］。以往无人平台消防设计多遵循工艺简单、设备数量少、性能可靠原则，通常不设置消防泵［3］。

近年来，随着海上平台无人化的推进，无人平台井口区消防可靠性的要求大大提高，为了更好地对无人平台井口区域进行监控及防护，考虑设计一套无人平台智能消防系统，在第一时间精准研判火情，确定火情后，立刻发出相关报警和关停信号，同时启动相关灭火设施，满足火灾扑救要求，实现无人平台消防系统智能化。

智能化消防系统具备较强的适应性和安全可靠性，能根据现有平台结构特点进行适应性改造，具备远程控制、运行状态检测、数据可视化功能。

1 海上采油平台开放区域常用消防系统

海上平台对外救援有局限性，发生火灾后，主要依靠自救。海上平台消防多以海水为灭火介质，开放区域主要采用水消防系统和泡沫灭火系统［4］。

1.1 自动喷水灭火系统

对于海上固定平台，最有效、使用最广泛的就是自动喷水灭火系统，其主要分类如图1 所示。考虑到海上生产平台的特殊性，一般采用开式自动喷水灭火系统，可分为雨淋系统、水幕系统、水喷雾系统，目前常用的为雨淋系统。

图1 自动喷水灭火系统分类Fig.1 Classification of automatic sprinkler systems

海上平台消防系统典型流程如图2 所示。一般而言，海上采油平台雨淋系统通常由消防泵、消防环网、雨淋阀和喷头组成，由消防泵向消防环网供水，雨淋阀控制水到达待灭火区域，水通过喷头形成雨淋，最终达到灭火目的。

1.2 泡沫灭火系统

泡沫灭火系统常见分类如图3 所示。按泡沫灭火剂的发泡性能不同，可分为低倍数泡沫灭火系统（发泡倍数≤20）、中倍数泡沫灭火系统（发泡倍数20~200）和高倍数泡沫灭火系统（发泡倍数大于200）［5］。

图3 泡沫灭火系统分类Fig.3 Classification of foam fire extinguishing systems

泡沫灭火系统对可燃液体的扑救效果非常明显，但对气体或气液混相的灭火对象的扑救效果并不明显。在海洋石油生产过程中，除合格原油储存外，绝大部分为气液混相，通常使用低倍数发泡，为移动型局部应用式。

泡沫灭火系统主要由泡沫泵、泡沫液储罐、泡沫比例混合器、泡沫产生装置、控制阀门及管道等组成。运行时，由泡沫泵从泡沫液储罐将泡沫原液泵送至比例混合器，在此与消防水进行一定比例的混合，然后经管道和控制阀到达释放区域，在泡沫产生装置作用下，对灭火区域进行泡沫覆盖，最终实现灭火。

2 灭火系统选择

本次研究主要用于某无人平台井口区，如图4 所示，8 m×5.8 m×4 m的空间内设置生产井12 口。井口区域发生原油泄漏后，极易形成流淌火灾，因此，考虑采用灭火高效、响应较快速的水喷淋系统或泡沫灭火系统。

图4 被保护区域Fig.4 Protected area

2.1 目标平台消防设施现状

目标平台现设有干式消防环网；设有2 个国际通岸接头，用于连接外界船舶，并为其提供水源；设有水龙带、喷淋管线及喷头，用于保护井口及工艺设备，喷淋管线上的阀门为常开状态。

2.2 消防系统选择

结合目标平台井口区结构和其他边界条件现状，依据现行规范提出适用于无人平台井口区的泡沫水喷雾灭火方案和泡沫涡扇炮灭火方案。

2.2.1 增设消防泵对雨淋系统供水方案

根据目标平台井口区域面积及井口数，计算井口区所需消防水量约为86 m3/h，2 个消防软管站为50 m3/h，按10%余量考虑，可选择2 台排量150 m3/h、出口压力800 kPa（G）的消防泵。

根据《海上固定平台安全规则》［6］，消防泵应由应急配电系统供电。考虑到平台不具备应急发电机组，所配置的UPS电源容量较小（10 kVA），不能满足消防泵的使用要求，在综合考虑电气系统设计难度、改造工作量、研究成果推广难度等因素下，认为增加消防泵对雨淋系统供水的方案不可行。

2.2.2 泡沫水喷雾灭火方案

环保型3% AFFF水成膜泡沫灭火剂附着力强，可有效覆盖油井口管束区域流淌火灾，能够防止火灾蔓延，同时结合水喷雾和泡沫的双重灭火机理，既可通过泡沫在燃料表面的覆盖隔断氧气窒息灭火，又可通过水雾冷却及水汽蒸发窒息灭火，且用水量只有水喷雾用量的1/5。

泡沫水喷雾系统配备一体化泵房，选用泡沫喷雾喷头流量为2.0 L/s，喷头射程不小于5 m，喷头安装间距不大于4 m，在喷头双侧布置即可满足现场需求，如图5 所示。

图5 泡沫水喷雾喷头布置Fig.5 Arrangement of foam water spray nozzles

系统按4只喷头流量之和计算，水流量为8.148 L/s，泡沫原液流量为0.252 L/s。管道内的水流速度宜采用经济流速，确定供水管道管径为DN80，泡沫管道管径为DN25。

供水系统工作压力按照最不利点的阻力损失计算，需选用泵组（一用一备）参数为流量10 L/s、扬程50 m、功率10 kW。

泡沫供应系统工作压力按照最不利点最低工作压力计算，需选用泵组（一用一备），参数为流量1 L/s、扬程60 m、功率1.5 kW，泡沫储存罐按照现场持续消防10 min用量计算，有效容积需求为0.5 m3。

2.2.3 泡沫涡扇炮灭火方案

泡沫涡扇炮可用于扑灭大规模火灾，具备广泛适用特性，有雾炮、泡沫炮、水炮3种模式，集各灭火技术优点于一身，能使灭火效能最大化、水消耗最小化。

泡沫涡扇炮系统配备一体化泵房，选用涡扇炮头流量为500 L/min，射程不小于22 m，布置如图6所示。

图6 泡沫涡扇炮布置Fig.6 Layout of Foam monitor

系统按1 只涡扇炮头流量计算，水流量为8.49 L/s，泡沫流量为0.263 L/s。管道内的水流速度宜采用经济流速，确定供水管道管径为DN80，泡沫管道管径为DN25。

供水系统工作压力按照最不利点的阻力损失计算，需选用泵组（一用一备），参数为流量10 L/s、扬程140 m、功率30 kW。

泡沫供应系统工作压力按照最不利点最低工作压力进行计算，需选用泵组（一用一备），参数为流量1 L/s、扬程140 m、功率2.2 kW，泡沫储存罐按照10 min储量计算，有效容积需求为0.5 m3。

3 水源方案研究

目标平台无海水系统，注水来自另一集输平台，通过注水海管输送，与最近的有人平台相距5.2 km，现有消防系统由支持船提供水源，无法保证水源的及时性。目标平台受供电系统限制，不具备增设消防泵条件。为保障供水及时性，重点分析增加消防水储罐和引用注水方案。

3.1 增加消防水罐

按照消防系统连续运行10 min计算需水量，泡沫喷雾系统用水量为4.9 m3，泡沫涡扇炮系统用水量为5.1 m3。选取淡水为消防用水，在平台上设置集装箱一体化泵房，以更大程度地保证供水的有效性。

消防水罐流程如图7 所示，从消防水储罐引出DN100 的消防供水总管连接至一体化泵房向泡沫涡扇炮系统或泡沫喷雾系统供水。

图7 消防水罐流程图Fig.7 Flow diagram of fire water tank

3.2 引用注水

目标平台注水海管的压力为11 400 kPa（G），最大量为199 m3/h，进入污水回注井完成回注，回注压力为4 000 kPa（G）。从污水回注井前4 000 kPa（G）压力的管线上引一路支管，降压至800 kPa（G），并连接至现有消防管网，采用喷淋灭火方式，满足消防用量。

在目标平台中长期规划中，注水井可能调整改为生产井使用，届时将不再有注水到达目标平台，难以保障长期稳定。同时，由于该平台实施生产污水回注，所以注水中含微量油，不满足消防水源要求。

4 配电方案研究

目标平台的10.5 kV母线分为两段，每段母线均配有1 250 A的VCB母联开关。平台400 V正常配电系统分为LA和LB两段，分别由对应的10.5 kV中压开关通过2.5 MVA的降压变压器供电。平台正常配电系统的10.5 kV 中压盘和400、230 V 低压盘均布置在下层甲板的主配电间内。

平台未配置应急发电机组，应急配电系统由交流不间断电源（UPS）组成，容量为10 kVA。应急配电系统的UPS电池布置在平台电池间内，UPS配电盘布置在主配电间内，平台未设置应急配电间。

泡沫水喷雾系统的主要用电设备为喷雾泵组模块（10 kW）和泡沫泵组模块（1.5 kW），泡沫涡扇炮系统的主要用电设备为喷雾泵组模块（30 kW）和泡沫泵组模块（2.2 kW）。按照持续实施灭火10 min计算，新增设备功率不大，持续工作时间不长，可新增交流不间断电源为设备供电，其参数如表1 所示。

表1 新增交流不间断电源参数Tab.1 Parameters for new UPS

新增UPS系统采用撬装房一体设计，不占用原平台电池间空间（原平台电池间空间较小，不满足新增UPS系统电池布置要求），新增UPS系统和撬装房（空调、风机、加热器等），由UPS配电间内的负载柜提供电源。

泡沫水喷雾系统匹配UPS撬装房分为UPS配电间和电池间，UPS配电间尺寸为3.6 m×2.5 m×3.2 m，电池间尺寸为2.9 m×2.5 m×3.2 m，如图8 所示。

图8 泡沫水喷雾系统一体化UPS撬装房布置图Fig.8 UPS room for foam water spray system

泡沫涡扇炮系统匹配UPS撬装房同样分为UPS配电间和电池间，UPS配电间尺寸为4.2 m×2.5 m×3.2 m，电池间尺寸为5.3 m×2.5 m×3.2 m，如图9所示。

图9 泡沫涡扇炮系统一体化UPS撬装房布置图Fig.9 UPS room for foam turbofan gun system

考虑到UPS系统的过载能力较低，为避免电机启动过程中造成逆变器过载，在集装箱一体化泵房内壁安装变频器，用于启动30 kW的喷雾泵组。

5 设备布置与结构改造

泡沫水喷雾灭火方案和泡沫涡扇炮灭火方案均需要在目标平台增加集装箱一体化泵房和UPS撬装房。经核实，可以在夹层甲板南侧布置新增集装箱一体化泵房，但需外扩1.3 m×4 m + 4.81 m×1.15 m甲板作为检修通道。目标平台已无空间放置新增UPS撬装房，只能布置在外扩甲板上，若采用泡沫水喷雾灭火方案，则可在平台西侧外扩4 m×9.5 m甲板；若采用泡沫涡扇炮灭火方案，则可在平台西侧外扩4 m×13 m甲板。

按照泡沫水喷雾灭火方案布置后，新增设备荷载约50.27 t，外扩甲板面积70 m2。按照泡沫涡扇炮灭火方案布置后，新增设备荷载约25.55 t，外扩甲板面积90 m2。新增结构采用H700 型钢、H440 型钢、H300 型钢、直径273 mm管及厚8 mm钢板，以详设图纸及计算报告为基础。基于详设模型，对比改造前后的结构强度、桩基变化情况。

为保证计算结果更真实，对详设图纸与详设模型进行对比，其中组块轴线间距、主梁、主立柱、顶层放设备区域小梁规格与详设基本一致，桩径、入泥深度、导管架主腿尺寸均与详设一致。经计算，改造后的组块主结构强度、导管架结构强度及改造区域结构强度均满足设计要求，桩腿余量较大，基本满足设计要求。

6 仪控设计

根据改造规模，设置一套现场控制盘，以实现现场设备的控制、探测报警及关断。盘内控制系统有独立的处理器，可以进行数据处理和逻辑运算，预留国际标准的Modbus RTU将系统数据传输到平台现有的控制系统。

为了确保装置安全可靠并稳定运行，现场控制盘采用UPS供电，供电时间不小于30 min。控制盘连接UPS撬装房和井口区火气防护信号、工艺设备信号、配电信号、消防信号及现场仪控设备信号，由现场控制盘统一处理，以实现高度自动化。

6.1 自动化控制管理功能

6.1.1 控制功能

①具备自动启动功能，能利用火焰探测器、红外热成像摄像头辨识井口区火情，同时向平台中控发出确认火灾信号；②具备一键启停功能，只需要操作人员远程单击“一键启动”按钮，系统即可按预设程序运行，系统出现故障时，能自动进入故障处理流程并报警；③具备远程调控能力，操作人员可远程调整系统运行设置，如自动启动抑制、报警信息确认等。

6.1.2 管理功能

①具备参数监控和记录、诊断功能，可以实时显示系统各运行参数并形成历史趋势，利用监测到的参数进行故障自诊断；②具备网络对接和系统扩展能力，系统预留网络数据接口，可与其他系统对接形成互联，用于集中管理、统一调度和事件统计等。

6.2 现场仪控设备要求

在新增设备区域布置2 台三频红外火焰探测器和2 台红外热成像摄像头，并接入本次新增现场控制盘，用于实现多种热成像测温应用功能和现场火情探测。新增的现场仪表、阀门和火气探测设备遵循原平台规格书要求，与原平台仪控设备类型保持一致，便于平台统一维护和管理。

7 结 语

本文以渤海某无人平台为研究对象，综合考虑无人平台井口区水源获取、电力匹配、结构布置等因素，对无人平台消防系统进行改造设计分析，得到的结论如下。

一是消防系统方面，泡沫水喷雾系统和泡沫涡扇炮系统方案均满足目标平台消防要求，可考虑在目标平台落实。综合考量改造量和经济方面的影响后，认为泡沫水喷雾系统更切合实际。

二是水源选取方面，增加电动水罐方案改造量大，且电气改造无法实现；引用注水方案由于利用的生产水含有微量油，且难以保证水源长期稳定供应，所以不满足水源要求。综合考量后，增加消防水罐更加合理。