CJ50自升式钻井平台火气探测系统设计

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

1 系统概述

海上石油钻井平台含有大量高压系统，系统的工作介质是高温、高压、易燃、易爆的气体或液体，一旦发生事故，海上逃生和救援的难度均比陆地大很多。火气探测系统是通过检测、分析平台环境中发生火灾或可燃气体泄漏情况，通过一系列动作等手段来预防及控制事故，消除潜在隐患。火灾&气体探测系统对潜在火灾或气体事故点提供一个可靠的前期探测预警。一旦在平台上检测到火灾、可燃气或有毒气体泄漏，系统中执行“表决确认逻辑”，进而激活相应消防设备，发出报警。与此同时，确认火灾&气体报警信号会发送到ESD系统，根据预设逻辑执行风、油等设备切断动作。

2 系统设计的准则

2.1 设计规范及标准

CJ50自升式钻井平台是本公司建造的全新产品，由荷兰GustoMSC公司提供基本设计，详细设计由设计所和Maric联合承担，船长、型宽都接近100 m，最大作业水深超过120 m，船员数量在150人，满足UK-HSE、挪威北海要求，入ABS级。CJ50自升式钻井平台具有具备三重化、冗错功能、系统集成化、设备自诊断以及更好的可用性和经济性等特点，同时满足SIL2的所有要求。根据对项目规格书进行梳理，CJ50项目中火气探测系统涉及法规、标准如下。

1)ABS美国船级社钢制船规范。

2)ABS MODU CODE美国船级社海上移动平台入级与建造规范。

3)CCS中国船级社钢质海船入级与建造规范。

4)CCS MODU CODE 中国船级社海上移动平台入级与建造规范。

5)SOLAS海上生命安全公约。

6)国际海事组织(IMO)标准、公约。

7)国际电工组织IEC6108, IEC61511，IEC61892等

8)UK-HSE。

除了满足上述法规外，还应考虑不同的挂旗国、工作水域的要求以及其他约定。

2.2 设计技术要求及配置原则

2.2.1 系统技术要求

1)系统应该具备独立性，安全性。

2)应选用UPS电源。

3)具备自诊断功能。操作界面上可全面、准确地反映系统信息。

4)根据平台房间的位置，通风系统的独立性，设备关联关系，将平台划分为若干火区。

5)将烟、温探头和报警按钮根据所属火区分为若干回路，分别连接在火灾报警板上。

2.2.2 系统的配置原则

1)应具有冗余性或满足可靠性验证，并独立于其他系统。

2)电源应满足规格书、规范的要求，至少两路供电电路。主应急电源应分别从主配电板和应急配电板供电，不经过二次配电系统。如应急电源为蓄电池，则应在图纸中标识。

3)可寻址型探测器回路的设计应具有回路监测功能(如接地故障检测，短路检测和断路检测等)，并保证回路中任一单点故障不会造成整个回路失效。

4)选用防火电缆。

3 系统详细设计

3.1 典型结构设计

目前在CJ50自升式平台上火气系统采用的是由控制板、回路驱动器、火气探头以及中控系统和操作站组成的结构形式，见图1。

图1 典型火气探测结构形式

3.2 选型与布置

3.2.1 感烟探头

在CJ50项目中，在船员起居处所、走廊、控制室，机舱、货舱及其他类似场所都应布置感烟探头，而在整个钻井平台上感烟探头的使用比例高达80%。根据船级社规范要求，其布置应满足最大覆盖区域不超过74 m2,两探测器中心距离应不超过11 m，距舱壁不超过5.5 m的要求，以控制室为例，设计方案见图2，舱室的长度、宽度分别为：7.5 m和7.0 m,计算后认为，此控制室只需要布置一个感烟探头。同时需注意的是机舱或者房间内的感烟探头的布置位置应距离风管的风口至少1 m远，对于层高高于12 m的处所，不推荐使用感烟探头，而对于危险区域要使用本安型感烟探头[1]。

图2 感烟探头布置示意

3.2.2 感温探头

感温探头在布置时应考虑其安装间距与探头安装高度之间的相互影响，见表1。

在CJ50项目中，在厨房、洗衣间(带烘干功能)、娱乐室(可吸烟)、茶水间(可吸烟)、吸烟室、焊接间及其他类似场所都应布置感温探头。例如在生活区的厨房间，平时内部产生大量的油烟等气体，如果使用感烟探头，会造成误报警，因而选择单独配备感温探头。此外根据规范要求对于重要处所如机舱等机械处所，不允许单独配备温度探头，以应急发电机间为例，其设计方案见图3。作为钻井平台的核心舱室之一，采用了以感烟探头为主，感温式探头为辅的组合设计，从而达到更安全有效的火灾检测，确保钻井平台在应急状态下的运行及人员安全。

表1 安装高度与间距 mm

图3 感温探头布置示意

3.2.3 火焰探头

火焰探头主要用于检测油类储存、高燃火风险的设备及一些露天处所[2]。探头的有效覆盖范围是一个圆锥体，水平方向100°，垂直方向75°。需要注意的是在布置火焰探头时在其视野范围内不能有遮挡物。在CJ50项目中，以应急发电机间为例，除了上述中采用感烟、感温探头组合设计外，由于发电机在工作时需要大量的燃油和滑油，一旦发生火灾时，会造成整个平台处于几乎瘫痪状态，因此在发电机柴油机侧上方布置1个火焰探头。

3.2.4 手动就地火灾报警按钮

手动就地火灾报警按钮应遍及起居场所、服务处所和控制站以及每个房间的进、出口或走道上，其位置应便于操作。甲板走廊内任何相邻两个按钮之间的距离不大于20 m。在CJ50项目中，以应急发电机间为例，在应急发电机间的逃口处放置了手动报警按钮，一旦发生失火，现场工作人员可以在逃生时第一时间触发按钮报警。

3.2.5 可燃气、硫化氢探头

在CJ50项目中，可燃气探头设定的测量范围0～100%，LEL：20%为低报，40%为高报。硫化氢探头设定的测量范围0～100%，LEL：5%为低报，10%为高报。以厨房餐厅为例，设计方案见图4。由于厨房对外的新风口是输入新鲜空气的主要来源，因此，在在新风口附近分别布置了可燃气、硫化氢探头，配合组合使用。考虑到可燃气及硫化氢比空气轻，可燃气及硫化氢探头应安装在低位处，同时为减少探头内部气室积水对探头的影响，可燃气、硫化氢探头应水平安装。

图4 厨房新风口可燃气、硫化氢探头布置示意

3.3 回路设计要点

1)覆盖起居处所、服务处所和控制站探测器分区回路不应包括A 类机械处所探测器的分区。

2)回路不应两次通过同一处所，当有特殊情况无法避免时(例如：一些较大的公共处所)，则第两次需要通过该处所回路部分应尽量远离回路的另一部分。

3)若探火系统是非可寻址型时，一般不允许一个分区在起居处所、服务处所和控制站内超过一层甲板，但包含围闭梯道的分区除外。在任何情况下，不允许一个分区内多于50 个围闭处所。若探火系统配备带有远距离及逐一识别能力的探测器(可寻址型)，则分区可覆盖多层甲板，且所服务的围闭处所数目不受限制[3]。

在CJ50项目中，火气系统根据火区布置一共分为五个回路，分别是生活区左右区域各一个回路，机舱左右区域各一个回路，及逃生通道一个回路，全部接入火灾控制板，典型回路见图5。

回路中的感烟探头属于可寻址型，覆盖C、B层的甲板区域，感烟探头、就地报警按钮一一相连，形成C形回路，其优点是当其中一个探头故障时，通过环形回路使其他探头不受影响，同时输出端的感烟探头(电缆编号为811BS-A21)与输入端的感烟探头(电缆编号为811BS-A45)属于不同甲板的两个不同处所，避免了同一回路两次通过同一处所，提高了系统安全性。

而可燃气、硫化氢探头属于非可寻址型，采用的是单一连接方式，全部接入安全系统控制站，典型回路图见图6。在钻井工况时往往会发生可燃气、硫化氢泄漏情况，这时只要单一可燃气、硫化氢探头检测后发出报警，就可实施后续分级切断动作，它具有一定的实效性。回路中的可燃气体、硫化氢探头分别布置在生活区主进出风口、厨房新风口以及机舱入口处等。一旦检测出有可燃气、硫化氢气体，迅速报警并切断相应风闸，阻止可燃气、硫化氢体进入人员密集区域，实现对人员的安全保护。

图5 感烟、感温探头典型回路

图6 可燃气、硫化氢探头典型回路

3.4 火区划分

根据功能和平台设施的布置，通常应把平台分为若干火区，每一火区都有适当的设施和防火隔堵以限制火灾的蔓延。划分火区时应综合考虑平台各处所的功能、内部的机电装置以及通风系统等多方面的因素，通过合理划分以最大限度地保持平台的安全和作业能力，避免火气关断范围被扩大。

整个CJ50项目划分为24个火区。每个火区不超过一层甲板及一个主竖区，对于A类机械处所与控制站，服务处所和起居处所设在不同的火区中，同时厨房也设为一个独立的火区。

3.5 分级切断设计

对于感烟、感温等探头，为避免在火区内频繁报警和非正常切断，表决系统(逻辑处理器)在输入端采用2ooN表决结构。对于可燃气等探头，考虑平台爆炸气体的危险性[4-5]，表决系统(逻辑处理器)在输入端采用了2oo3表决结构，两者输出端统一采用了1oo1表决结构，执行风、油切断动作及报警。通过1oo1、2ooN及2oo3等表决结构来增加系统的可靠性，所构成的典型详细流程见图7。手动切断流程主要通过就地切断按钮以及中控系统的控制面板上进行手动操作来完成。

图7 分级切断触发流程