海洋油气平台总体布置与火区划分优化

龙 海

（中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

海上石油工程中人员和设备经常处于或接近易燃易爆的危险场所，受海洋平台面积所限，人员、设备高度集中。为了有效地保护人员、设备的安全，必须进行针对性的安全设计［1］。海洋平台发生火灾或危险气体泄漏时，为了避免助燃火灾、引爆可燃气体或危险气体弥散，火气探测系统按照预设逻辑，将发生火气报警的区域和可能遭受影响的区域的报警信号发给应急切断系统，然后应急切断系统会切断与这些区域相关的通风、电气以及油泵等设备［2］。为此，合理进行总体布置和划分火区对平台安全运行非常重要。本研究以南海某海洋平台底层甲板公用区的总体布置和火区划分为例，发现总体布置和火区划分的不足之处，给出优化方案。

1 海洋油气平台总体布置与火区划分原则

1.1 总体布置原则

在海洋油气生产中，海上平台造价昂贵，为减少设备占用面积和空间，要求工艺流程力求简化，油气处理设备尺寸尽量紧凑。同时，由于海上平台远离陆地，生产作业及维护成本高，要求处理设备具有较高的可靠性和耐用度，且便于维修。因此，为降低工程投资及操作成本，在设计中宜考虑通过使用新技术、新方法，简化处理流程，减少设备数量，减小设备尺寸。根据中海油《海上固定平台总体设计规范》总体布置应遵循以下8 点原则。①不同设备应按照工艺流程布置在不同层高的甲板上，尽量减少配管长度，并充分利用位能。②设备布置应考虑充分利用层高，尽可能将高度相近的设备集中布置，并在条件允许的情况下设置局部夹层。③成橇设备应结合甲板层高要求，在层高允许的情况下，适当增大橇块的高度，减少设备长、宽尺寸，进而减少设备的占地面积。④主发电机、应急发电机、海水提升泵、电动消防泵等大型设备应根据设备维护要求确定合理的操作维修空间。⑤大型泵组两侧及上方应考虑更换电机和泵头的操作维修空间，泵组上方应设置手动或电动轨道。海水提升泵、电动消防泵等潜没泵，应考虑提泵作业的空间。⑥应急发电机应在主电源供电失效的情况下，确保在45 s之内自动启动和供电。⑦应急发电机的安装处所，应尽量远离主发电机所在的机器处所，并应用A-60级耐火隔壁及甲板将与其相邻的有火灾危险的处所隔开。⑧主逃生通道宽度不应大于1.2 m，非主逃生通道宽度不应大于1.0 m，梯道净宽不应大于1.0 m。

1.2 火区划分原则

火区划分的目的在于火气探测，安全消防的安装和设计。火区的划分与消防规模的大小密切相关。目前平台火区的划分并没有国家规定或相关规范要求，以下原则是根据经验得出的。第一，按距离和防火隔断为边缘划分；第二，需要同时考虑危险区域的划分；第三，应考虑平台关断等级的设定；第四，两个相邻的火区在消防状态无法隔离开来，应考虑设为一个火区；第五，甲板上下两层应考虑为两个不同的火区；第六，火区应为一个立体的空间；第七，应考虑逃生路线，火区不应阻挡逃生路线。

2 南海某平台相关状况与初始布局

南海某海洋平台设主发电机，为独立供电模式。主发电机系统包括燃油系统、滑油系统、控制保护系统、海水冷却系统、排气系统等。当任意一个系统发生故障时，主发电机均需停止运行。

2.1 配电形式

该平台电力系统由发电机、配电装置、配电电网和负载4 部分组成。发电机分为主发电机和应急发电机。配电装置实现对电源的统一分配并具有监测、保护、测量、控制功能，主要由主配电盘、应急配电盘和分电箱组成。配电电网是配电网络的总称，分为主配电网、应急配电网、照明电网等。负载包括平台所有的用电设备。正常状态时由主发电机提供电源输送到主配电盘，主配电盘经过变压输送到应急配电盘。电动消防泵由应急配电盘供电，应急发电机应在主电源供电失效的情况下，确保在45 s 之内自动启动和供电。应急发电机的容量应满足由其供电的应急负载要求。

2.2 消防形式

该平台包含水消防系统、泡沫灭火系统、气体灭火系统、干粉灭火系统等。为了达到冷却保护的目的，应对油、气处理系统中的容器和设备以及管汇进行水喷淋保护，其供水率应根据有关规范、标准的规定选取。该研究涉及的区域采取的雨喷淋也属于水消防系统形式，由消防泵、消防管网、雨淋阀和喷头组成［3］。海水经过消防泵进入主消防管网环路，然后连接消防雨淋阀，出现火灾时启动消防泵打开所在区域的雨淋阀，消防水经过喷头进行灭火。消防泵包括柴油消防泵和电动消防泵，电动消防泵作为主消防泵，柴油消防泵作为备用消防泵。

2.3 消防泵启用逻辑

如果主消防管网环路压力下降到500 kPaG，主消防泵自动启动。如果主消防泵启动失败应立即启动备用消防泵，主消防泵启动后，如果30 s 内压力不能上升到900 kPaG，备用消防泵需立即启动。中控室的应急操作台也设置消防泵气动按钮和选择开关，以便人工启动消防泵。

底层甲板公用区，由4 个房间和室外部分组成，原方案分为5 个火区，四个房间各自为一个火区，整个室外部分为一个火区（FZ-1302），每个房间各自为一个火区。本研究主要分析火区FZ-1302，主要包括应急发电机、应急发电机柴油舱、海水提升泵、注水泵、陶瓷膜过滤撬、柴油消防泵以及室外过道等。具体如图1（图中的FZ-1307 将在下文中描述）所示。

图1 某平台底层甲板公用区总体布置图

3 火气关断功能分析以及问题描述

3.1 火气关断功能分析

设置火气关断功能的目的是当火焰或可燃气探头探测到火区的火灾或者可燃气泄漏时，通过火气控制系统采取一系列的安全措施，如报警、关断、消防来保证平台人员和设施的安全。本平台分为开放区域和房间区域。开放区域通常属于危险区，用于布置各种生产处理设施；房间区域通常属于安全区，用于布置各种控制盘柜和消防设施等。开放区域确认火灾或可燃气体泄漏时，切断相应层的照明和维修插座电源、电伴热电源及相关设备电源。房间区域确认火灾或可燃气体泄漏时，总体断电原则与开放区域一致，同时需要延时5 s 切断UPS 控制电源［4］。该平台开放区域单个探测器报警仅触发操作站和应急操作盘报警，开放区域确认火灾或可燃气体泄漏触发操作站、应急操作盘、PAGA 和平台状态灯报警，并切断相应区域电源，启动消防泵和开启雨淋阀，向紧急关断系统和钻修机发出报警信号。主发电机区域确认火灾或可燃气体泄漏时，应关停主发电机。其他区域确认火灾或可燃气体泄漏时，不关停主发电机。空压机区域确认火灾或可燃气体泄漏时，关停空压机。其他区域确认火灾或者可燃气体泄漏时，不关停空压机。

图1 中室外火区火气关断逻辑分析如下。根据火区的火气系统关断原则，FZ-1302 中任意一处着火或可燃气体泄漏，则要对整个FZ-1302 的用电设备进行电隔离（停止电力供应），同时启动消防泵，打开此区域的雨淋阀。应急发电机布置在此火区，在着火情况下应急发电机应处于抑制启动状态。

3.2 问题描述

FZ-1302 出现火灾时，海水提升泵被电隔离而停止工作，主发电机运行时由于需要海水冷却，所以主发电机也被迫停止工作，导致平台主电网失去电力，主电网失去电力之后应立即启用应急发电机。但是应急发电机也在火区FZ-1302 内，火灾时不能启动。此刻主发电机和应急发电机均不能工作，所以主配电配和应急配电盘均不能提电力，电动消防泵作为负载挂在应急配电盘之下，导致电动消防泵无法启动。然而在极端情况下，如果柴油消防泵起火，而无法工作。电动消防泵和柴油消防泵都不能启动，导致整个平台无法进行灭火，不满足安全消防要求。

4 问题解决方案以及对比分析

为了达到安全消防要求，根据《海上固定平台安全规则》，消防泵及其动力源和吸水源的布置应保证当任何一个处所失火时不能使两台消防泵同时失去效用。

4.1 方案1：增加火区

将原火区FZ-1302 分割为两个火区：FZ-1302和FZ-1307。如图1 所示，在应急发电机区域增加一个防火分隔墙，形成FZ-1307 火区，包括应急发电机和应急发电机柴油舱。如果火区FZ-1302 着火，主发电机停止工作，应急发电机在此火区无法启动，应急配电盘正常工作，从而保证电动消防泵启动，满足安全消防要求。如果FZ-1307 着火，且极端情况下柴油消防泵着火，柴油消防泵和应急发电机虽然不能启动，但是主发电机正常工作，应急配电盘由主配电盘供电，整个电网正常运行，也能保证电动消防泵正常启动。

4.2 方案2：更改总体布置图

问题的主要矛盾在于海水提升泵、应急发电机和柴油消防泵处于同一火区，火区着火导致安全消防失效，所以考虑将应三者中的任意一个设备移出火区FZ-1302。由于海水提升泵应尽量靠近海面以方便利用海水，所以移出海水提升泵不太合理。如果将应急发电机移出火区FZ-1302，火区FZ-1302 着火后，海水提升泵断电，主发电机停止工作后，应急发电机立即启动，满足安全消防要求。但是应急发电机紧靠应急发电机舱，移出应急发电机也要将应急发电机舱一并移出，所以改动工程量也比较大。故而将柴油消防泵移出火区FZ-1302。火区FZ-1302 着火后，电动消防泵不能启动，但是柴油消防泵能够保证启动，也满足要求。所以综合考虑，本方案选择将柴油消防泵移出火区。

4.3 方案对比

将方案1、方案2 与原方案做了一个因果矩阵图，对比结果见表1。

表1 因果逻辑矩阵

5 结语

该研究论述了海洋油气平台的总体布置原则和火区划分原则，并通过实例分析了总体布置和火区划分中出现的问题。从功能上看，增加火区和移出柴油消防泵都是合理方案。如果考虑到经济因素，增加火区需增加防火分隔墙，那么方案2 移出柴油消防泵是比较合理的；考虑减少总体布置的改动，那么方案1 增加火区是比较合理的。由于海洋油气平台离大陆较远，本身危险性极高，平台安全显得尤为重要。在平台设计初期，要对平台设备进行合理地总体布局和火区划分。该研究对海洋油气平台的总体布置和火区的优化措施是基于实际工程实践得出的，希望对相关工程设计人员具有一定的借鉴和参考价值。