FPSO水消防系统设计

陈国刚

0 引言

PETROBRAS 70是一条排水量为35.35万吨的新建FPSO，总长307.5 m，型宽54 m，型深31.5 m，最大操作吃水23.146 m，搭载16个上部模块（不包括火炬塔和管廊），入籍ABS船级社，用于巴西桑托斯盆地盐下油田开采。

FPSO是集人员居住、生产指挥、石油装载、油气水分离、油气外输等为一体的海上石油生产基地，设计寿命25年，长期在各种工况的海上油田作业，火灾和爆炸隐患多，所以消防系统为保护人员安全和设备的正常运行显得尤为重要。本船配备的消防系统主要由消防水系统、低倍泡沫系统、固定式二氧化碳灭火系统及便携式灭火设备等组成。本文详细介绍本船水消防系统的设备组成、管网布置及设备参数设计等，为后续设计提供借鉴和参考。

1 消防水系统

消防水系统是FPSO普遍应用的灭火系统之一，系统的主要目的是向主船体、上部模块、生活区、机舱、主甲板等区域的消防栓和消防炮提供水源，以及为低倍泡沫灭火系统、水喷淋系统等供给海水。系统通过消防炮和消防栓喷射一定压力的水柱对着火源进行降温、冷却，达到灭火的目的。

1.1 主要设备

1）主消防水泵

PETROBRAS 70 FPSO水消防系统主要配备了2套柴油机驱动的液压消防泵组，分别位于生活区外部左右舷处，每套消防泵组由浸没式液压驱动海水提升泵、及位于集装箱单元内的柴油机、柴油机驱动液压动力单元和海水增压泵、燃油柜、独立通风系统、控制系统等组成，并在外部配备独立的固定式二氧化碳灭火设备。

工作原理是柴油机启动后一边驱动液压动力单元，从而提供海水提升泵的能量，一边驱动海水增压泵工作，确保系统提供所需压力。其他辅助设备为柴油机的运行、操作、安全等方面提供保障。主消防水泵的自动启动是通过主消防环路上的压力传感器控制，压力低到设定值时，主消防水泵自动启动，消防水泵停止要通过手动关闭实现。

柴油机型号为卡特皮勒3512C-HD，最大持续功率为1 895 kW，转速为1 800 r/min。

2）消防水保压泵

配备2台。当系统出现泄漏，保压罐液位降低到设定值时，自动启动，维持管道系统压力。

3）消防水保压罐

配备1个。存储部分海水，避免保压泵频繁启动，同时控制保压泵的启动和停止。

4）设备参数表（表1）

表1 设备参数表

1.2 消防水系统管路布置

20″铜镍材料的消防水环路布置在主甲板左右舷的管廊上，确保消防水可以从两个方向供给。铜镍材料有很好的耐腐蚀性，满足了船舶服务年限的要求。系统设计采用湿式管道系统，上部模块的消防水供给通过主消防环路上的18个衔接点来实现，同时根据 ABS规范要求，主甲板左右舷各配备 1个国际通岸接头[1-2]。

1.3 水消防系统计算

水消防系统计算从四个方面进行分析：1）主消防水泵参数计算；2）消防水保压泵参数计算；3）消防水保压柜参数计算；4）消防系统管径校核。

1.3.1 海水参数

1）海水操作温度：25℃；

2）含盐度：37 g/kg；

3）密度：1 025 kg/m3；

4）汽化压力：3.22 kPa；

5）黏度：0.941×10-3Pa·s。

1.3.2 主消防水泵参数计算

消防水量计算要考虑全船各个区域，包括各个上部模块灭火的最大需水量和两股消防栓水量的总和（考虑40 m3/h）。根据巴西石油和ABS船级社要求，一个上部模块着火所需要水量要考虑该模块本身加临近模块及模块下部所在主甲板围栏灭火所需要水量的总和，可以不考虑对角模块灭火需要水量。全船最大灭火区域为模块M5/M6区域及其临近的模块M08/M09，及其下部所在主甲板围栏外加两股消防栓水量的总和（考虑40 m3/h），需要水量为2 278 m3/h，压力为0.63 MPa。

消防水压力计算考虑全船压力最高点，即直升机甲板区域消防炮压力。管道压降计算参照 NFPA 15 8.5.1.1 要求[3]，通过Hazen-Williams方程求得[4]：

式中，Pm为管道压降，MPa/m；Qm为体积流量，L/min；C为压降系数（Hazen-Williams model），取150；dm为管道内径，mm。

整个管网采用 PIPENET软件进行分析，结合NFPA 15 8.5.2.1等效管长表（见表1），对管路附件和阀门的压降进行考虑[4]。

表1 阀门和管附件当量管道长度

直升机甲板泡沫灭火系统流量计算公式：

式中，W为消防水流量，l/min；A为直升机甲板有效面积，m2；Q为消防水释放量，取6 L/min·m2；M为泡沫含量，取3。

最终求得所需流量为136 m3/h。考虑泵出口和消防炮之间高度方向压降及管道沿程损失，最终泵出口压力为1.23 MPa。

结合泵的性能曲线（见图1），对如上两种特殊工况的评估都在泵的工况范围之内，消防泵的选择满足系统要求。

图1 泵的性能曲线

1.3.3 消防水保压泵参数计算

湿式消防系统法兰和消防栓等连接处有泄露的风险，消防主环路的压力通过消防水保压泵来维持，2台消防水保压泵（2×100%）位于机舱与海底总管相连处，保压泵通过供给海水给保压柜来维持消防环路压力，消防水保压泵排量计算公式：

式中，Qps为泵排量，L/min；N为消防栓数量。

全船消防栓数量为 126个，单处泄漏量为0.15 l/min。同时考虑到最远处消防栓即直升机甲板消防栓保持静态0.1 MPa的压力。

选择保压泵参数为20 m3/h，压力为0.78 MPa。

1.3.4 消防保压柜参数计算

消防保压柜总容积计算公式：

式中，V为消防保压柜总容积，L；Qps为消防保压泵流量，L/min；N1为消防保压泵每小时启动次数，取8；Pa为消防保压泵启动压力，取0.77 MPa；Pb为消防保压泵停止压力，取0.7 MPa。

消防保压柜有效容积计算公式：

最终，A= 1 129 L，选型消防保压柜容积为1 200 L。

同时消防保压柜的设计和建造参照 ASME VIII-1进行，同时满足巴西NR-13和ABS船级社规范要求。

1.3.5 消防水管网的尺寸分析

消防水管网采用 PIPENET软件进行分析，确认各个支路的尺寸、压力及流量等信息，这里不具体阐述。

2 结论

FPSO水消防系统的是一个综合性的复杂系统，设计人员要结合船级社规范、国际公约及业主要求，发挥自身的智慧和创造性，不断优化设计，消除潜在危险，为后续船舶安全运行提供保障。

[1]ABS.Steel Vessel Rules[S].2016.

[2]IMO.International Convention for the Safety of Life at Sea (SOLAS)[S].2004.

[3]National Fire Protection Association.Standard for Water Spray Fixed Systems for Fire Protection: NFPA 15[S].2007.

[4]National Fire Protection Association.Installation of Stationary Pumps for Fire Protection: NFPA 20[S].2010.