海洋工程消防泵选型计算研究

杨　奥， 邹世光， 刘子健

(大连中远船务工程有限公司， 辽宁 大连 116113)



海洋工程消防泵选型计算研究

杨奥， 邹世光， 刘子健

(大连中远船务工程有限公司， 辽宁 大连 116113)

摘要通过对某一自升式海洋工程钻井平台项目消防泵的计算方法分析，总结出海工项目消防泵选型相关的规范要求和主要影响因素，为海工项目消防系统设计提供技术参考。

关键词自升式钻井平台海洋工程消防泵计算

0引言

随着全球经济的发展和科学技术的进步，人类社会对能源的依赖程度越来越高，世界各国的油气勘探开发投向了能源集聚的海洋，其油气资源储量占全球资源量的三分之一以上。自升式平台由于建造技术容易掌握，能在近海油气海域较大水深范围内移动，适应不同的海底地形地质条件，因而得到了普遍的重视和广泛的应用。

自升式钻井平台是近海石油和边际油田开发的重要设备,在海洋油气的开发勘探中占据主力军地位。自升式平台历经半个多世纪的发展,在工作水深、抗风暴能力、可变载荷、钻井能力和操作性能等方面取得了长足的进步。此外在边际油田的勘探开发中,其移动式平台的特点也使其相较于其它型式的海洋平台具有较大的优势。

作为自升式钻井平台的关键系统，消防系统由于其系统功能丰富、平台工况复杂、适用规范多、船东要求严等因素，一直是平台项目轮机专业的设计难点。作为系统的核心设备，消防泵的选型设计更是整个系统的设计制高点，如何满足系统需求和船东船检的设计理念，且争取做到有效地设计优化和降低成本，是本文的主要研究方向。本文以大连中远船务在建的LETOUNEAU SUPER116E型自升式钻井平台(入级ABS，适用ABS MODU2013规范)为例，展开分析研究。

1消防泵排量选型计算

作为自升式钻井平台上消防海水的来源，消防泵的主要作用是供给海水到平台项目上的消防海水环管，进而作为全船各处设置消防栓的消防水、喷射泵的驱动水、雨淋灭火系统、泡沫灭火系统和其他等消防储备[1]。本项目采用湿式海水消防系统设计，即在正常情况下海水环管始终充满加压海水，并通过海水环管管路上的压力开关设置来控制对应消防泵的起停。

1.1规范要求

1.1.1消防栓灭火排量要求

在ABS MODU(美国船级社海上移动平台入级规范)第5-2-2/1.1.5部分对消防泵排量要求的描述中，船级社按船型将消防泵的排量要求细分为两部分——船型移动平台和一般要求。自升式钻井平台属于后者，其主消防泵的排量需满足的规范如图1所示。即对自升式钻井平台来说，消防泵的排量最低要求需满足两股消防栓的消防水量要求。

图1　ABS MODU 2013对自升式钻井平台消防泵的排量规范要求[2]

1.1.2雨淋灭火系统(钻台及井口等区域保护)的排量选型

根据ABS MODU Part 5, Ch2, Sec3,1.3.1[2]对钻井区域雨淋释放速率的要求，结合钻台的实际覆盖面积，得出雨淋灭火系统钻台保护区域的消防海水需求量，如表1所示。

表1　雨淋灭火系统钻台保护区域消防海水需求计算

同理得出井口区域的消防海水需求量，如表2所示。

表2　井口区域消防海水需求计算

根据厂家推荐，得出燃烧臂区域的消防海水需求量，如表3所示。

表3　燃烧臂区域消防海水需求计算

同理得出测井区域的消防海水需求量，如表4所示。

表4　测井区域消防海水需求计算

综上所述，雨淋灭火系统的最大用户来自钻台保护区域，消防水量需求为220.32 m3/h。

1.1.3泡沫灭火系统的排量选型

根据ABS MODU Part 5, Ch2, Sec3,1.3.2[2]对泥浆处理区域泡沫释放速率的要求，结合对应保护区域实际覆盖面积，得出泡沫灭火系统泥浆处理保护区域的消防海水需求量。

根据Fire Safety Features of the CAA, Chapter 9 - Fire Safety of IMO MODU以及Chapter Heli-port Services of ICAO (Newest Version), CAP437, ABS Rule and Guide for Helideck construction[2]的规范对直升机平台区域泡沫释放速率的要求，结合对应保护区域实际覆盖面积，得出泡沫灭火系统直升机平台保护区域的消防海水需求量。

总泡沫液释放速率:

QT= QD×(NM-1)+ CH×NH = 3 200

消防海水需求量:

W= QT×(1-M) = 3 104l/min

式中：QD为1 200 l/min，厂家推单个消防炮排量; CH为400 l/min,单个泡沫枪排量;NM为3, 消防炮数量; M为泡沫原液浓度, 3%，根据CAP 437规范要求; NH为2, 消防枪数量。

得出泡沫灭火系统直升机平台保护区域的消防海水需求量为Q= W×60/1 000= 186.24 m3/h。

综上所述，在雨淋和泡沫消防两工况下的最大海水用户为钻台区域的雨淋系统(220.32 m3/h)，加上规范要求的两消防栓的水量需求，单台消防泵的海水需求量最小值应为220.32+49.8=270.12 m3/h。

由此确定消防泵的排量为280 m3/h。

2消防泵排出压力选型计算

2.1规范要求

根据ABS MODU要求(见图2)，可以得出消防泵选型的排出压力要求：即对自升式钻井平台来说，压头上要保证消防栓的末端出口压力至少为3.5 bar。

图2　ABS MODU规范对消防栓的技术要求

2.2平台各工况下消防栓用户的压头核算

根据管路实际布置如图3所示，用直管路阻力和局部阻力计算得到吸入管线的阻力损失[3]，如表5所示。

图3　消防管路布置图

2.2.1漂浮工况(平台处于拖航或调整井位位置时)的吸入管线计算

管线代号：0200-WF-813L0010；

舱内最低液位：0 m(距基线)；

消防泵吸口中心高度：2.3 m；

漂浮工况下的船体吃水：5.18 m；

计算得消防泵吸入的静压力：2.88 m；

总吸入阻力：0.17 m。

2.2.2升降状态(主要存在于平台定位后平台处于起升或平台准备拖移前主船体下降时)的吸入管线计算

管线代号：0200-WF-813L0008；

舱内最低液位：0 m(距基线)；

消防泵吸口中心高度： 2.3 m；

舱内最低液位：0.05 m；

计算得消防泵吸入的静压力：-2.25 m；

总吸入阻力：0.17 m。

2.2.3钻井状态(主要存在于平台起升后，各设备系统均处于正常工作时)的吸入管线计算

管线代号：0200-WF-813L0008；

海水压力环管压力：42 m；

消防泵吸入中心高度：2.3 m；

海水环管高度：6.4 m；

计算得消防泵吸入的静压力：46.1 m；

总吸入阻力：0.16 m。

2.2.4漂浮工况(平台处于拖航或调整井位位置时)的排出管路计算

根据管路实际布置，分析其最长最远的特性，仅需考虑距离消防泵最远最长一段的管路(直升机平台消防栓用户)，用直管路阻力和局部阻力计算得到吸入管线的阻力损失[2]。

管线代号：

0200-WF-813L0013/0100-WF-813L0025/0100-WF-813L0058/0065-WF-813L0060；

直升机甲板消防栓高度:23.77 m；

消防泵排出口中心高度:2.30 m；

消防栓用户末端需求压力:35.00 m；

消防泵排出高度差:21.47 m；

总排出阻力:8.97 m。

至此，已得到平台在三个不同状态下的消防泵吸入和排出管线阻、排出末端要求压力及各段高度差。根据各工况下的数据统计，得出消防泵在不同工作状态下的必须汽蚀余量和排出压力，如表6所示。

表6　必须汽蚀余量计算　　　　　　　　　　　　　　　　　单位：m

考虑平台漂浮状态潜水泵无法使用，海水环管里没有额定压力的工况下，如使用大排量的雨淋系统为直升机甲板消防，管路阻力会增加至36.52 m，因此消防泵的最终排出压头选择为110 m。

至此，完成消防泵的参数选型：排量180 m3/h@压头110 m。

2.3平台各工况下固定水雾灭火用户的压头核算

参考消防栓用户的计算方法，得到固定水雾灭火(雨淋、泡沫消防)下的压头计算结果，如表7所示。

表7　各工况下固定水雾灭火用户的排出压力计算[2]

考虑平台漂浮状态时潜水泵无法使用的情况，在海水环管里没有额定压力的工况下，如使用雨淋系统为直升机甲板消防，需要考虑雨淋系统海水需求量下的管路阻力(36.28-2.56=33.72 m)。因此消防泵的排出阻力在此工况下应为56.21+33.72=89.93 m。基于此，消防泵的最终排出压头选择为110 m。

最终，完成消防泵的参数选型：排量180 m3/h@压头110 m，分布在两个水密舱室，一台接入主配电系统，另一台接入应急配电系统。

3结论

目前上述消防泵的选型计算报告已在大连中远船务LETOUNEAU SUPER116E系列的自升式钻井平台项目中实际应用并通过了船级社、船东的审查。本文根据实船的设计情况对海洋工程项目的消防泵计算方法及适用规范、选型优化等方面进行了详尽阐述和深入研究，最终形成了一套标准的设计指导性文件。本文可以为其他海洋工程项目的消防泵以及消防系统设计提供设计参考和理论支持。

参考文献

[1]Drilling Engineering. Curtin University of Technology Press[S].2009.

[2]ABS.MODU(美国船级社海上移动平台入级规范)(第2版)[S].2013.

[3]中国船舶工业集团公司, 中国船舶重工集团公司, 中国造船工程学会编著. 船舶设计实用手册(第3版)[M].北京：国防工业出版社，2013.

[4]朱明善.工程热力学(第4版) [M].北京：高等教育出版社，1995.

[5]费千，富贵根.船舶辅机(第2版)[M].大连：大连海事大学出版社，2010.

Research on Calculation of Fire Pumps of Offshore Projects

YANG Ao, ZOU Shi-guang, LIU Zi-jian

(Dalian COSCO Shipyard Co.， Ltd., Dalian Liaoning 116113, China)

AbstractBy analyzing calculation of fire pumps for offshore self-elevating jack-up， sum up the relevant requirements and determining factors of the offshore fire pumps. This research could be regarded as a technical reference for the design of fire fighting system.

KeywordsSelf-elevating jack-upOffshore projectFire pumpCalculation

中图分类号P75

文献标志码A

作者简介：杨奥(1984-)，男，工程师，主要从事常规船舶及海工项目的轮机专业设计与建造技术研究。