海上平台消防水系统设计优化

许晓丽，毛伟志，蔡 涛，杨伟欣，孟繁星

(海洋石油工程股份有限公司 设计院，天津 300451)

0 引 言

从2014年下半年以来，原油市场严重供大于求，国际原油价格出现断崖式下跌，从112美元/桶，最低跌至26美元/桶。从2015年至今，全球油气价格持续低迷。面对困难局面，如何更加有效地降本增效，实现可持续发展，将成为克服目前困境的关键。消防水系统作为保护平台生产及人员、设备安全的重要组成部分，在保证其功能效果并满足规范要求的前提下，如何进行设计优化以降低成本就显得尤其重要。

1 消防水系统简介

1.1 消防水系统组成及设计

海上平台消防水系统主要由消防泵、消防水过滤器、消防主环网、稳压设施、喷淋系统、消防软管站和国际通岸接头等组成[1]。

1.1.1 消防泵

为保证消防系统安全可靠运行，消防泵应考虑100%备用，且应由两种相互独立的动力源驱动[2]。为防止海生物在泵吸入口聚集，堵塞泵吸入口，需在泵吸入口加设防海生物装置。

1.1.2 消防水过滤器

消防水过滤器是为了过滤海水中的泥沙、颗粒物、杂质等物质，从而保证消防水喷头不被堵塞。

1.1.3 消防主环网

消防主环网通常设计成环路，消防水可从两路向同一区域供水，并且在主环网上设置多个隔离阀进行隔离，从而确保一个消防区域内的消防设施不同时失效。

另外，在主环网上应至少配置1个符合《国际海上人命安全公约》规定的国际通岸接头，接头的位置应方便与救援船连接[3]。

1.1.4 稳压设施

稳压设施是维持消防主环网压力的装置，以达到整个消防水系统可快速响应的目的。

1.1.5 喷淋系统

喷淋系统主要由雨淋阀、消防管线和喷头组成。在设计过程中应保证能从主环网上的2个隔断向雨淋阀供水。

1.1.6 消防软管站

消防软管站包括消防水软管站和泡沫/消防水软管站，在700 kPa的操作压力下，设计流量至少为25 m3/h。

1.1.7 国际通岸接头

国际通岸接头的作用是当平台上的消防泵不能满足消防要求时，或者在平台上的消防泵不可用的情况下，借助外来水源协助平台进行消防。

1.2 消防水量确定

在确定消防水水量时，需遵循以下原则：

(1) 仅考虑1次1个火区发生火灾，不考虑多处区域同时发生火灾的情况。

(2) 消防水量由被保护火区所需喷淋水量加上2个消防软管站所需水量确定。消防泵排量由最大火区所需消防水量加上2个消防软管站所需水量确定[4]。

(3) 对于保护设备的喷淋面积确定，工艺罐类应为全面积，其他泵及压缩机类设备采用投影面积[5]。

水喷淋强度根据相关标准[5]选取，不同设备所需的最小喷淋强度如表1所示。

表1 典型设备最小喷淋强度 L/(min·m2)

2 消防水系统设计优化技术分析

消防水系统的规模(包括设备尺寸)是根据消防水量确定的，因此消防水系统的设计优化实际上就是消防水量的设计优化，其主要体现在以下几个方面。

2.1 消防泵排量优化

以国内某平台实际工程为例，根据实际情况计算得到的消防水量如表2所示。

表2 优化前各火区所需消防水量 m3/h

由表2可知，平台的最大火区为中层甲板，所需消防水量为999 m3/h。考虑到消防泵须100%备用，因此需选用2台排量为1 000 m3/h的柴油消防泵。

由于中层甲板的消防水量决定了消防泵排量，因此主要考虑优化中层甲板的消防水量，以达到降低消防泵排量的目的。中层甲板工艺区的总体布置如图1所示。考虑在中层甲板3轴处增加防火墙，将中层甲板火区分成2个，如图2所示。经过重新计算，得到平台各火区所需消防水量如表3所示。

由表3可知，平台的最大火区为中层甲板Ⅰ区，所需消防水量降为790 m3/h。因此，选用的消防泵排量降为800 m3/h，达到设计优化的目的。

表3 优化后各火区所需消防水量 m3/h

需要注意，增加防火墙后应保证中层甲板Ⅰ区和Ⅱ区均充分通风，满足美国石油学会的规范[6]要求，否则，未充分通风区域的危险等级将会提升，从而需要提升区域内电气设备的防爆等级，往往得不偿失。

单位：mm图1 国内某平台中层甲板工艺区总体布置图

单位：mm图2 优化后中层甲板工艺区总体布置图

根据规范要求，实体墙面积与整个可能墙面面积比值小于0.5即为充分通风区域[6]。

对于中层甲板Ⅰ区，实体墙面积S1与整个可能的墙面面积S比值为

(1)

由计算可得，中层甲板Ⅰ区为充分通风区域。

对于中层甲板Ⅱ区，实体墙面积S2与整个可能的墙面面积S′比值为

(2)

由计算可得，中层甲板Ⅱ区为充分通风区域。

2.2 消防主环网及喷淋系统优化

在设计优化前，消防水系统主环网设置12个14英寸(1英寸=0.025 4 m)隔离蝶阀，喷淋系统设置4个10英寸雨淋阀(见图3)，所设置的隔离阀较多，主要是因为在优化前设计的雨淋阀较多，每个雨淋阀的取水管线均设置单独隔离阀。另外，过多的隔离阀布置相对比较困难，操作也相对复杂，配管、维修和维护的工作量也加大，在一定程度上造成浪费。

图3 优化前消防水主环网管线仪表图

根据美国石油学会规范[7]及美国消防协会规范[5]对隔离阀数量的要求，须设置足够的隔离阀，以保证在主环网上任何一段发生故障后，该区域的消防设施不会同时失效。同时考虑在中层甲板Ⅰ区设置12英寸雨淋阀、在中层甲板Ⅱ区设置6英寸雨淋阀、在下层甲板设置12英寸雨淋阀，以代替原有的采用2个10英寸雨淋阀共同保护中层甲板及2个10英寸雨淋阀共同保护下层甲板的设计。在优化设计后，主环网采用6个12英寸隔离蝶阀(见图4)，此设计优化满足规范的技术要求。

图4 优化后消防水主环网管线仪表图

3 消防水系统设计优化经济效益分析

3.1 消防泵排量优化经济效益分析

消防泵配置由原来的2台1 000 m3/h柴油消防泵优化为2台800 m3/h柴油消防泵。根据目前市场价格，1 000 m3/h柴油消防泵单价为600万元，800 m3/h柴油消防泵单价为480万元，则此优化可节省费用约240万元。

3.2 消防主环网及喷淋系统优化经济效益分析

3.2.1 雨淋阀配置方案优化经济效益分析

雨淋阀由4个10英寸阀优化为2个12英寸阀和1个6英寸阀。按照目前的市场价格，12英寸雨淋阀单价约110万元，10英寸雨淋阀单价约90万元，6英寸雨淋阀单价约60万元，则此优化可节省费用约80万元。

3.2.2 隔离阀配置方案优化经济效益分析

在主环网上隔离蝶阀由原来的12个14英寸蝶阀优化为6个12英寸蝶阀。根据目前市场价格，14英寸蝶阀单价约4万元，12英寸蝶阀单价约3万元，则此优化可节省费用约30万元。

4 结 论

(1) 对于海上平台消防水系统的设计优化，应首先考虑最大火区消防水量的优化，由于最大火区的消防水量决定消防泵排量，从而决定消防管网的规模和施工的工作量，因此其经济效益较高。例如平台最大火区的优化带来了消防泵投资降低、管网尺寸减小、阀门尺寸和数量优化以及施工工作量减少等效益，节省直接投资350万元。另外，需要注意最大火区消防水量的优化与总体布置密切相关，在最大火区增加防火墙使其划分为2个独立火区的做法是较为经济的，但是需要对充分通风性进行仔细核算，从而做出准确判断。

(2) 雨淋阀的配置方案相对比较灵活，例如某火区所需消防水量为750 m3/h，则可设计1个12英寸雨淋阀进行保护，也可设计2个8英寸雨淋阀同时进行保护，这就需要设计人员事先了解成本，选取较为优化的雨淋阀配置方案。

(3) 隔离阀的设置应当在符合标准、规范的前提下，优化其数量。