高压细水雾在半潜式修井及生活平台上的应用

周科伟，丁天祥

(江苏新扬子造船有限公司，江苏 靖江214532)

0 引言

由于海洋平台工作海域离陆地较远，又通常无自航能力，所以需要发电机来给平台提供所有的生活、生产能源。发电机作为平台的重要设备，其安全保护措施一直是设计和运行管理中的重点。 发电机传统的消防保护方式有：固定式泡沫灭火、固定式二氧化碳灭火、 FM200灭火系统、水喷淋和低压水雾局部灭火。这些灭火方式在一定程度上解决了发电机消防安全问题，但是在人身安全、环境保护及平台整体设计上逐渐显现劣势, 通常体现在消耗后无法得到及时补充，工作区域无法快速恢复生产(如CO2释放后需要长时间通风或舱室大量积水)及灭火介质对环境的影响等。随着消防技术的日益成熟和发展，在火势抑制的方法上提出了更高的要求，即：快速反应和相关系统的连锁、灭火的有效性、经济性以及对环境保护的考虑等。近年来，高压细水雾以其低耗水量、灭火效率高、无污染、良好的阻电性等优点在海洋平台领域得到越来越广泛的应用[1]。

半潜式修井及生活平台Delta CAT500主要面对墨西哥湾，同时适用全世界范围的浅水、深水作业。该平台采用非对称的机翼型浮体，以减少波浪阻力及受风面积、提高平台的运动性能及整体的居住舒适度，并通过预制模块化舱室试验，实现可容纳500人居住的海上酒店设计，达到居住舱室45 dB以下的超静音要求。另外在设计阶段，根据墨西哥船东的要求，针对墨西哥湾稠油油田的特点，为其专门设计和配置了特种修井服务设备及系统，尤其是其中的大型液态氮的储存及使用控制系统，属国内首创。由于平台通常离岸较远，故对于作业和生活要求都比较高的半潜式平台Delta CAT500，消防十分重要。

本文通过对高压细水雾灭火原理的探讨，对比传统的低压水雾系统的用水量、布置、重量和效果等，分析高压细水雾的优缺点以及在海洋平台上的可适用性。

1 高压细水雾系统的定义和灭火机理

细水雾是相对于水喷雾的概念，通过特殊喷头，使用高压产生的水微粒。在美国消防协会细水雾消防系统规范NFPA750中，细水雾是指在最小的设计工作压力产生的，距喷头1 m处的平面上，99%的雾滴直径不超过1 000 μm，以Dv0.99<1 000 μm来表示(Dv0.99表示体积比占99%的水微粒直径)。根据国标GB/T 22241—2008，按水雾中的水粒大小，细水雾分为3级：第1级细水雾的体积累积分布直径Dv0.99小于200 μm ; 第二级细水雾的体积累积分布直径Dv0.99大于等于200 μm且小于等于400 μm；第三级细水雾的体积累积分布直径Dv0.99大于400 μm小于1 000 μm。

高压细水雾系统接收释放信号后，高压泵将水流加压并经过特殊的喷头将水流雾化。由于雾化后的细水雾雾滴直径很小，相比于同样体积的水，其表面积剧增，热交换接触面放大很多倍，从而加强了热交换功能，可以起到很好的降温效果。 雾滴吸收热量后被迅速汽化，体积急剧加大，通常可以达到原来的1 700多倍，从而降低了空气中的氧气浓度并降低燃烧中的氧化反应速度，起到对火势窒息的作用。由此可见，细水雾的灭火机理：一是吸收热量并迅速降温；二是抑制氧化反应。

2 海洋平台发电机室的适用性

由于海洋平台的发电机燃烧所使用的燃料通常为0#柴油，也有部分使用重油作燃料，以天然气为燃料的平台比较少，故其火灾的主要类型为油类火灾、电气类火灾。电气类火灾通常由线路短路、高负荷引起的线路燃烧等故障引发。而油类火灾是指在发电机工作过程中柴油、燃油泄漏，或者油气透气过程中遇热引发的失火。针对发电机电气类失火的情况，完全可以选用可产生Dv0.99小于200 μm水雾的喷头，其水微粒极小，具有明显的阻电功能。另外，该海洋平台高压水雾系统的水源主要是指经过造水机、矿化装置等处理过的淡水，离子浓度低，可以防止在水雾释放过程中可能出现的电离现象，即在水雾释放时，房间内的设备即使处于通电工作状态，人员也无需进行疏散，有利于防火控制及人员生命安全。

3 实船高压细水雾消防系统的设计

3.1 水雾系统的消防计算分析

半潜式修井及生活平台Delta CAT500主要面对墨西哥湾，同时适用浅水和深水作业。其底层甲板共有6个发电机间，左右舷各3个。单个发电机间的长×宽×高为12.2 m×5 m×6.4 m ，净容积为390.4 m3。 每个房间布置1台W8L32E发电机，房间采用A60防火分隔。6台发电机的燃油系统、启动空气系统、电力系统等互相独立，故每个房间的消防也需设计独立保护系统，不与其他房间串联。在选用固定式灭火系统过程中，若选用CO2系统，CO2释放时和释放后短时间内都不允许人员进入，且对于海洋平台，尤其是深海平台，CO2瓶属于一次性使用品，后续补给相对困难，故主要对比了在保护整个机械处所的情况下，水喷雾系统和高压细水雾系统的设计。

若使用水喷雾系统(全覆盖)， 系统采用均衡管网，管道通常采用热镀锌钢管，用卡套或者法兰连接。系统工作压力为1.6 MPa，喷头安装高度为5 m。 根据船级社规范，系统设计喷雾量为5 L/(min·m2), 持续时间T=20 min, 则系统的设计流量为Q=18.3 m3/h, 消防水量V=6.1 m3。

若使用高压细水雾灭火系统(全淹没)，采用均衡管网全淹没方式的开式系统，管线通常采用熔点较高的316L不锈钢管。系统工作压力为15 MPa，喷头安装高度为5 m。根据船规要求，系统设计喷雾强度为0.156 L/(min·m3)，持续喷雾时间为T=20 min，则系统的设计流量Q=3.65 m3/h，消防水量V=1.22 m3。

由以上计算可知，相对于水喷雾灭火系统所需的设计流量18.3 m3/h和消防水量6.1 m3，高压细水雾灭火系统的设计流量和消防水量均为其1/5。而在配备水喷雾的消防系统上，根据船级社规范需要配置相应的消防水源，通常为蒸馏水舱或者淡水舱，且水舱需设置最低水位。根据以上关于水喷雾系统的计算，舱内预留最低水量比较大。 另外一种情况为局部低压水喷雾与CO2系统的结合来保护整个发电机室。按此种情况计算，低压水喷雾所需的水量相比于全覆盖式相对减少，但增加了CO2灭火。 而若选用高压细水雾，则可以用极少的水量来保护整个发电机间，其水源可来自于淡水、蒸馏水系统，应急的情况还可以从消防系统供水，且无需预留水量。由高压和特殊喷头产生的细小水颗粒对电气设备有良好的阻电功能。相对于低压水喷雾灭火系统，细水雾灭火还具有阻隔热辐射的作用，灭火能力更强。

3.2 系统组成

半潜式修井及生活平台Delta CAT500高压细水雾系统主要包括高压泵、泵组控制柜、进水电磁阀、储水罐、补水增压装置、供水管网、区域控制阀、喷头、火灾探测报警系统等。

高压细水雾喷头是高压细水雾灭火系统中的关键部件，每个喷头包含一个或多个喷头，由喷头本体、喷头座、喷头、导流装置和滤网组成。在高压作用下，利用离心、撞击或射流等机械方式将水雾化为微米级别的水雾。在实际设计过程中，需结合实际预安装高度以及厂家提供的各型喷头参数进行合理选型。根据国际海事组织(IMO)要求，平台发电机室设计为全淹没式灭火，故喷头布置时需考虑到房间角落、设备遮挡处的水雾浓度效果。在遇上阻挡物(管子、风管、灯具灯)的情况下，需保证喷头下沿与阻挡物的下沿垂直距离不能低于0.1 m，水平距离不能低于垂直距离的1.6倍(喷头安装要求)。由于喷射水雾直径微小，为保证良好的水雾效果，水质和喷头保护显得尤为重要，因此造水机生产的淡水经过重重过滤后，使其水质相对纯净,满足喷雾要求。水从喷头中喷出前会经过水雾系统的过滤，有利于保护喷头。设计上给出三路水源与其他系统相连：饮用水、淡水、消防水(海水)。海水在作为极端应急的情况下选择的一种水源，水质相对其他两种水源杂质较多。 另外，高压细水雾的实际管网布置需要经过压降计算，且选取最远点并计算出口压力来保证所有喷头喷射效果。

高压泵组为整个系统的核心部件之一，是产生高压水的关键设备。通常高压泵主要部件采用不锈钢制成，泵的活动部件通过水或者油进行润滑。通过泵组组合可实现多种流量输出。泵组控制柜的功能用于对高压细水雾泵组、补水增压泵、稳压泵进行控制。控制柜自带双电源自动转换装置，具有手动、自动切换功能，并与火灾自动报警系统联动控制。 高压水雾系统由于不设置特定的储水舱，它的水源来自于别的供水系统，所以在选用水源的时候需考虑到高压水雾单元的流量与其他水源流量的匹配问题，防止出现供水量大或者供水量不足的问题。设计时，在泵组单元的补水处设置一个补水增压装置，其目的一是控制进水量；二是给高压泵组正压供水，即把水箱里的静压水加压到0.2～0.6 MPa后供应给高压柱塞泵，保证柱塞泵的高效率工作。通过区域控制阀来选择水雾释放区域，控制方式分为手动和自动两种，均可向控制室反馈信号。控制阀在自动操作失效的情况可手动快速打开阀门。实船高压细水雾系统见图1。

图1 实船高压细水雾系统原理图

3.3 工作过程

在每个主发电机室分布数个热探头和烟雾探头，当这两种探头只接收到一种信号时并不会触发报警信号，只有当两种探头都接收到了各自报警信号的时候才会触发报警，并将信号传输给控制中心和水雾单元，打开相应的区域阀，发出声光报警，释放高压水雾。 释放过程中，水雾单元的水箱水位下降，补水装置自动打开与水源连接的电动阀门进行补水，高位停低位补，保证系统水量。由于设计为全淹没式灭火，若使用的水源为海水，海水具备电离性，结合考虑到发电机的IP等级而进行手动释放。海水作为最终的备用水源，使用海水进行灭火，需尽量停止运行发电机，且需在水雾释放后将房间清洁然后再启动发电机，而使用淡水则无需停止发电机。在房间着火的情况下，也可直接手动就地启动。根据船级社规范，就地启动控制箱不得置于失火房间内，故启动开关布置在该房间的紧邻易到达区域。另外考虑到失火区域不易到达，该系统所有的手动阀门等附件均需被集中布置于易达到和失火区域以外的敞开区域集中控制。除就地启动和自动启动外，该系统还配置了远程启动和监控。该系统不配备蓄电池，故水雾单元的电源需要由480 V的应急配电板或主配电板供电。

由于高压细水雾系统是全淹没式灭火，针对有油水产生的房间，个别船级社建议在房间内的污水井上方布置第二种灭火方式，如泡沫。 通过低量的泡沫与水以一定比例的混合来确保流入污水井的液体不会继续燃烧。

4 高压细水雾系统的优缺点

(1)用水量减少易于清洁。常规水喷雾的用水量是水喷淋的70%～90%，高压细水雾系统的用水量可以达到常规水喷雾的20%以下；且易于清洁，可在系统工作后快速地投入工作，节省时间。

(2)灭火效率高。由于水粒经过高压泵和高压水雾喷头，其直径非常小，大大地增加了其与火源接触的表面积。

(3)节省空间重量。高压细水雾系统使用的小管径不锈钢管相比传统水喷淋系统的大管径管道可以减少50%的管道重量。另外，可节省大量的布置空间，无需布置额外的水量用于消防灭火。对于大多数空间都较为紧凑的海洋平台，这样的设计可以使平台设备布置得更加合理高效。

(4)降低灭火损失和提高电气安全性。对于水灭火系统，有些情况下由于使用大量水灭火造成的水渍损失会大于火灾本身造成的损失。而高压细水雾喷头选用可产生Dv0.99小于200 μm水雾的类型具有明显的阻电功能，可用于电力设备保护。

(5)安全环保。细水雾对人体无害，对环境无影响，即使人员呼吸到水雾也不会对人造成损伤，这是相对于采用CO2消防系统的最大优势。多年来，CO2消防系统一直被用于各种钻井平台和石油生产平台，但也曾多次发生CO2对保护区域不能及时撤离的相关工作人员产生致命伤害的事例。

(6)具有很强的稳定性和持续性。采用细水雾消防，灭火后可以很快恢复生产和生活。10 min水雾消防排放产生的积水通常不会超过25.4 mm，很快可以清理干净，继而恢复工作。

(7)局限性。因喷头孔径小，为避免喷头堵塞，对水质要求非常高。高压细水雾系统由于其水粒微小，在海工领域上通常用于一些封闭的空间的消防保护，如主发电机室或者生活区域等。

5 结语

半潜式修井及生活平台Delta CAT500采用的这种高压细水雾灭火系统与泡沫、二氧化碳等灭火系统相比，具有灭火性能高、安全性高、经济性好、安装使用方便等优点，是一种安全、清洁、环保、高效的灭火系统。在实际的设计工作中，高压细水雾系统的可持续性解决了深海平台的消防灭火问题，在不特意设计用水舱的情况给平台提供了一种可反复使用而无需额外补充的灭火方式，为降低平台建造成本、节省空间布置和提高平台可变载荷等方面起到了积极作用。这种灭火效率高，对人员无伤害，有利于电气设备保护且对环境无影响的灭火技术，非常适合海洋平台，尤其是深海平台的应用。