内转塔式浮式生产储卸油平台消防系统计算研究

2022-01-11李科文季宝军臧大伟杨晓玲冷阿伟

船舶 2021年6期

李科文季宝军臧大伟杨晓玲冷阿伟齐亮

（1.大连船舶重工集团设计研究院有限公司大连116005； 2.大连船舶重工集团有限公司大连116005）

0 引言

随着海洋石油开采事业快速发展，海洋油气资源勘探向更恶劣海况发展，浮式生产储卸油平台（简称FPSO）作为集生产、储油、外输、生活和动力于一体的多功能采油设施，在海洋石油开发中发挥越来越重要的作用，已成为世界海洋油气开发中极具应用前景的浮式生产装置［1］。FPSO具有适应水深范围广、抗风浪能力强、可重复使用等特点，可广泛应用于远离海岸的海域及边际油田开发生产［2］。

FPSO是集船体的船舶系统、上部模块油气处理系统、系泊系统和外输系统于一体的海上油气处理装置。由于FPSO系统较为复杂，油气泄漏极易引发严重火灾或爆炸事故［3］。消防系统作为FPSO船舶系统的一个重要子系统，是安全生产及人员的重要保障，在整个FPSO设计、建造及生产中起到至关重要的作用。FPSO消防系统一般是由消防水系统、低倍泡沫系统、水喷淋系统、高倍泡沫系统和惰气灭火系统等多个灭火方式组成，而消防系统计算是整个消防系统设计的基础，对消防系统的安全可靠性起到重要作用，可以解决消防系统设计及设备选型的关键问题，因此消防系统计算研究十分必要。

1 内转塔式FPSO消防系统

文中研究的内转塔式FPSO消防系统主要包括消防水系统、水喷淋系统和低倍泡沫系统。消防水系统功能是提供水源至水喷淋系统和泡沫系统，主要由消防泵、消防增压泵和若干消防栓组成。消防水系统在货油甲板区上布置湿式环形管网，并从环形管网分若干支路到雨淋阀、消防栓和泡沫炮等设备。水喷淋系统主要是降低火焰热辐射能量，来自湿式环形管网的消防水经过雨淋阀，最后输送至防火分区的喷头，喷出的消防水用来降低被保护设备或结构物等的温度，从而达到控制火焰蔓延的目的。低倍泡沫系统将来自湿式环形管网的消防水和来自泡沫环管的泡沫液，在比例混合器中混合成一定浓度的泡沫，在燃烧物表面形成连续的空气隔离层，从而隔绝空气，潮湿泡沫中带有的水分可以达到降温效果［4］。

FPSO消防灭火区域分为上部模块、内转塔、货油甲板区、直升机甲板、生活区和船体机械处所6个独立的防火区，通过安全距离或者防火结构的隔离方式，阻止火灾扩散到相邻处所，详见表1。

表1 FPSO防火区

内转塔、直升机甲板、生活区和船体机械处所各自成为独立的防火分区，上部模块的18个模块均为单独的防火分区，货油甲板区按照货油舱布置分隔成12个独立的防火分区，因此FPSO共计34个独立的防火分区。

文中的内转塔式FPSO按美国船级社（ABS）规范规则进行设计、建造，并受之检验，同时需要满足现行管理当局规则、现行行业规则和其他规范规则。因此，消防系统须完全符合ABS和有关国际公约的所有要求，包括消防泵布置、管材选取、消防栓规格和水龙带规格等诸多方面；消防系统计算须满足ABS MVR、ABS FOI、IMO FSS、NFPA 13和NFPA 15，包括工艺设备最低供水率，泡沫/喷淋最低供给率等要求，详见下页表2。

表2 规范规则

内转塔式FPSO消防系统计算主要考虑上部模块、内转塔和货油甲板区对消防水及低倍泡沫液的需求量，消防系统计算分为消防水量计算和低倍泡沫液量计算，由于直升机甲板、船体机械处所和生活区对消防水的需求量较少，文中不予考虑。

2 消防系统计算

2.1 上部模块

上部模块主要包括原油处理工艺、水处理工艺和气处理工艺等油气处理流程，基于油田的独有特性，每个FPSO的上部模块设计不尽相同。文中的内转塔式FPSO上部模块，根据服役油田特性设计成18个模块，布置图见图1。

图1 FPSO上部模块布置图

上部模块的每个防火分区根据油气处理需求布置工艺设备，模块2P1、3P和4P的工艺流程需要工艺设备处理大量烃类液体，模块2P2和5S的工艺流程导致设备会产生大量易燃液体，而模块1S、3S和4S依据工艺流程需求配置燃油设备，此8个模块需要泡沫液和消防水，在比例混合器中形成3%浓度的低倍泡沫，计算每个模

块的消防水量Qw，并考虑25%冗余设计：

式中：Ai为需要消防水的工艺设备表面积，m2；ri为基于ABS FOI 3-8/5.1.4（c）和NFPA 13/15的设备最低供水率，见表3；n为每个模块中需要提供消防水的设备数量；25%冗余设计可以提高上部模块消防系统稳定性，而由于上部模块主要布置大量的工艺设备，基于工艺设备表面积确定消防水量，可以满足各类火灾情况。

表3 工艺设备最低供水率

IMO FSS Ch. 14/2.2.1.3要求低倍泡沫系统以最大流量工作时，至少可以连续提供20 min的泡沫，以此计算每个模块低倍泡沫液量Vf，计算结果见下页表4。

表4 上部模块每个防火分区消防水量和低倍泡沫液量

式中：Qw为每个模块的消防水量，m3/h；3%为比例混合器中形成低倍泡沫的浓度。

上部模块消防水量应考虑发生火灾的单一防火分区和与该防火分区相邻的其他分区，图2是上部模块发生火灾的一种典型情况［6］。

图2 上部模块单一防火分区发生火灾典型情况

该火灾情况需要考虑3个防火分区，而右侧相邻的防火分区由于不存在烃类液体，可以不提供水喷淋系统。因此，FPSO上部模块按照此原则可以分为18个火灾情况，见表5，火灾情况2所需的消防水量和低倍泡沫液量为最大值，即模块2P1发生火灾，启动该模块的低倍泡沫系统进行灭火，同时启动模块1P、2P2和1S的水喷淋系统来降低各自模块的温度，控制火焰蔓延。

表5 上部模块火灾情况

2.2 货油甲板区

文中研究的内转塔式FPSO根据货油舱的布置，将货油甲板区划分为12个防火分区，如图3所示。

图3 货油甲板区防火分区

基于IMO FSS Ch. 14/2.2.1.1的供给率见表6，分别根据表中的泡沫/喷淋供给率进行计算，25%冗余设计可以提高货油甲板区消防系统稳定性。货油区甲板消防计算应考虑整个货油区甲板发生火灾、单舱发生火灾以及泡沫炮保护区域发生火灾三种情况，进而选取最大消防水量和低倍泡沫液量。

表6 泡沫/喷淋最低供给率L/（min·m-2）

（1）根据货油甲板区泡沫/喷淋供给率计算消防水量Q1，并考虑25%冗余设计：

式中：W为型宽64 m，L为货油甲板区长度235.52 m，r1为泡沫/喷淋供水率0.036 m3/h/m2。计算出货油甲板区消防水量为678 m3/h。

（2）根据单舱最大水平横截面积泡沫/喷淋供给率计算消防水量Q2，并考虑25%冗余设计：

式中：S2为货油舱的最大水平横截面积S2=958.5 m2，r2为泡沫/喷淋供水率6.0 L/min/m2。

计算出最大水平横截面积的货油舱消防水量为432 m3/h。

（3）根据泡沫炮保护区泡沫/喷淋供给率计算消防水量Q3，并考虑25%冗余设计：

式中：S3为泡沫炮保护区面积205.32 m2，r2为泡沫/喷淋供水率6.0 L/min/m2。计算出泡沫炮保护区消防水量为37 m3/h，由于低于最小值1 250 L/min（75 m3/h），因此消防水量应为75 m3/h。

综上所述，货油甲板区低倍泡沫系统泡沫/喷淋量应为Q1= 678 m3/h，而IMO FSS Ch. 14/2.2.1.3要求低倍泡沫系统以最大流量工作时，至少可以连续提供20 min的泡沫，因此低倍泡沫液量为678 m3/h×20 min/60 min×3%=6.78 m3。

2.3 内转塔

内转塔单点系泊是FPSO的一种重要系泊方式，主要包括转塔、流体传输系统、转塔传递系统和接口系统。内转塔消防水量计算方法与上部模块保持一致，使用表3中内转塔最低供水率，结合工艺设备表面积计算出内转塔消防水量为2 934 m3/h，而内转塔不需要提供低倍泡沫液。

2.4 结果分析

上部模块2P1发生火灾对消防水和低倍泡沫液需求量最大，根据ABS FOI 3-8/5.1.2（b）.vi，上部模块消防水量计算需要同时考虑货油甲板区低倍泡沫系统的消防水量和两个消防栓工作的消防水量，计算结果见下页表7。

表7 上部模块2P1发生火灾的计算结果

当内转塔发生火灾，安全距离可以保证不会扩散到相邻的模块1P或者1S。但是考虑到内转塔火灾热辐射对货油甲板区的影响，内转塔消防水量需要同时考虑货油甲板区低倍泡沫系统的消防水量和两个消防栓工作的消防水量，计算结果见表8。

表8 内转塔发生火灾的计算结果

当货油甲板区发生火灾，甲板耐火分隔保证不会扩散到上部模块，此时需要同时考虑两个消防栓工作的消防水量，计算结果见表9。

表9 货油甲板区发生火灾的计算结果

对以上计算结果进行分析发现：内转塔发生火灾时，消防水量最大；而上部模块2P1发生火灾时，低倍泡沫液量最大。因此，FPSO消防水量为3 660 m3/h，而低倍泡沫液量为9.789 m3，消防系统设备需要以此计算结果进行选型，配置3台1 850 m3/h消防泵。发生火灾时，2台消防泵正常运行，另外1台消防泵作为备用，并且配置15 m3低倍泡沫液柜。