浅谈海上平台二氧化碳灭火系统的设计优化

刘超

中海石油（中国）有限公司海南分公司 海南 海口 570100

海上平台是海上油气开发生产的基础，它常常分为固定式平台和浮式生产存储装置（FPSO）。在海上平台上，含有全流程的生产处理设备单元，能够将天然气、原油、凝析油、水等进行分离处理、增压外输。除此之外，海上平台还配有电力系统、仪表自动控制系统又是平台的中心枢纽，主要包括中控室、主配电间、应急配电间、电池间等。为了实现对重点房间的火灾保护，在通用设计方案中，常选用CO2作或者七氟丙烷作为为灭火剂，进行设计。本研究中仅讨论选用二氧化碳作为灭火剂时的方案优化。

1 二氧化碳灭火系统简介

1.1 系统的组成

在二氧化碳灭火系统的通用设计方案中，需要从本质安全的角度出发，设计基础上考虑单次的设备失效，系统的设计需要进行冗余设计，以保证CO2灭火系统的可靠性。通常，CO2系统主要由N2驱动气瓶、CO2气瓶组、区域选择电磁阀组、释放瓶组电磁阀组、CO2声光报警、CO2释放管汇管线、压力开关、CO2释放按钮和CO2抑制按钮等组成[1]。

其中，氮气瓶组称为驱动瓶组，共两瓶，采用冗余设计，一用一备，主要由N2气瓶、瓶头阀、压力表、气体单向阀组成，作用是利用瓶内的高压氮气作为能量源，驱动气动执行机构，实现灭火剂的释放。

灭火剂的配两方面，储存CO2的气瓶组称为储存瓶组，灭火剂按照最大用量的一倍进行配备，并分成两组，实现冗余设计。

电动设备方面，采用电磁阀作为电动执行单元，包括氮气驱动气瓶的电磁阀，区域选择电磁阀组，瓶数选择电磁阀组，电磁阀配置的数量随硬件管路进行配置，实现驱动功能。特别地，因为海上平台存在多个需要保护的区域，需要考虑灭火剂的最佳适配容量，所以，在设计时需要设置区域选择电磁阀组，以得到最佳的灭火系统设计方案。

系统状态检测方面，主要考虑两个因素：人员的安全和系统的安全。因CO2释放时为气态，常用压力开关作为系统状态检测的传感器。通用设计中，压力开关包括CO2管汇的压力开关，氮气驱动瓶的压力开关，作用是使报警信号传入到中控，提醒操作员。

控制模式方面，海上平台操作人员较少，需要考虑设备的自动化功能需求。综合考虑各项设计要求，通常，CO2灭火系统主要有程序自动释放模式、人工手动释放模式和应急机械手动释放模式。

2 通用设计方案的安全控制逻辑

海上平台通用的CO2灭火系统控制逻辑，如图1所示。

图1 CO2系统控制流程图

2.1 氮气驱动安全逻辑

CO2灭火系统，主要有3个压力开关，分别是氮气管汇上的一个压力高开关，氮气瓶配置的两个压力低开关。当可编程逻辑控制器（PLC）发出指令打开主氮气驱动瓶后，而压力高开关未动作，说明主瓶的氮气未释放，此时延时5s，命令备瓶的电磁阀动作，主备可以通过中控画面切换，并且两瓶互为主备。当压力低开关动作时，说明气瓶压力低于设定点时，中控产生报警，提醒进行气瓶的充压或者更换。

2.2 主备CO2气瓶组释放安全逻辑

主要有每个气瓶组的电磁阀，以及一个压力高开关组成。当系统发出指令打开主CO2气瓶时，而压力高开关未动作，说明主瓶的CO2未释放，此时延时5S，命令备瓶的电磁阀动作，主备可以通过中控画面切换，和氮气驱动主备为同一按钮。

2.3 区域选择电磁阀组监控逻辑

区域选择电磁阀组，主要由区域选择电磁阀和压力开关高组成，每个区域对应一个压力高开关，当某个区域的压力高开关动作时，触发这个区域的声光报警，喇叭长鸣，灯长亮。

2.4 声光报警模块

CO2对人员有窒息作用，进行系统设计时，即使是无人的保护区域，也需要对照有人的保护区域来进行设计，配置相应的警报装置。海上平台配置的报警装置，主要由室外防爆的声光报警和室内的声光报警组成，声光报警的模式：触发释放条件的30s内，声音为1s间隔的连续声，报警灯状态灯为1S间隔的闪烁，30s后声音为连续长声，报警灯长亮。

3 灭火剂设计要求

3.1 设计要求

以A平台为例，使用的是全淹没式CO2灭火系统，保护的区域一共有7个。根据规范NFPA 12（2000 版）计算防护区用量，参照NFPA 12（1-8.5.4）的规定，确定钢瓶充装药剂量为45.4kg；参照NFPA 12（1-8.5.4）并且把保护区分为2种表面火灾型和深位型，根据火灾类型不同和燃烧物质不同又选择不同的CO2浓度，例如：表面型的且燃烧物质为；参考GB50193—93《二氧化碳灭火系统设计规范》，确定灭火剂用量为最大防护区用量的一倍，并分组配置。

3.2 计算公式

CO2用量按照一下公式计算：

式中：Q——CO2用量，kg；

α——泄漏补偿系数，取1.08；

K——体积系数，kg/m3；

V——保护房间的体积，m3

瓶数=Q/45.4。

3.3 计算案例

以A平台为例，以钢瓶充装药剂量为45.4kg为基础，对各个受保护房间的药剂瓶数进行计算，利用式（1）以及表1的参数得出各个区域的瓶数（利用进一法），但是考虑到气瓶组的安装简单化，因此主变压器间（计算得11瓶），中控室（计算得13瓶），电池间（计算得10瓶）都用13瓶的气瓶组。计算结果详见表1。

表1 A平台CO2灭火剂用量

4 通用方案中存在的问题

4.1 系统缺少就地模式切换开关

海上平台实际应用CO2灭火系统的过程中，发现当某一个受保护的房间长期处于检修的过程中，CO2灭火系统将需要长期处于人工手动释放模式的状态，存在一定的安全隐患。在CO2灭火系统的通用设计方案中，人工手动释放模式，是对应整个灭火系统的。当系统处于该模式下，则全部受保护的房间都将需要由人员在控制盘上，执行释放动作。系统缺少了在房间本地的模式控制开关，无法实现单个房间是人工手动释放模式保护，而其他受保护的房间采用自动保护的功能。

4.2 人员对CO2存在心理恐惧

海上平台部分受CO2保护的房间，是长期有人驻守的房间，如中央控制室。CO2灭火剂在释放的过程中，会发出巨大的噪声，产生低温，变成气态的CO2气体存在导致人员窒息的风险。这些特点，会对长期驻守的操作人员造成一定的心理负担。这样的心理负担，可能会引起以下结果：

1）操作人员违反安全规定，将CO2灭火系统长期处于手动控制模式，造成一定程度上的安全隐患；

2）在进行系统测试时，主动规避系统自动释放模式的测试，造成一定程度上的安全隐患；

3）长期存在的心理压力对操作人员的身心健康造成一定的影响，不利于海上作业的安全进行。

5 通用方案的优化措施

5.1 系统增加就地模式切换开关

在每个受保护房间的外，增加当个房间的保护模式切换开关。增加受保护房间的自动模式和手动模式，或者增加更为智能化的隔离开关[3]。

自动保护模式（房间）：当房间门外就地保护模式开关处于自动模式时，整个房间的CO2保护，跟随整个CO2灭火系统当前的运行模式。当房间门外就地保护模式开关处于手动模式时，该房间的CO2灭火保护机制，只能从位于房间门外的手动释放按钮进行释放或者直接从CO2灭火剂瓶上进行解机械手动释放。CO2灭火系统的自动释放程序，不再对该房间生效。

增加针对房间的模式开关，需要重新修改CO2灭火系统控制程序，需要对程序的安全性从新进行分析评估后，方能执行。通过增加该模式开关，虽然提高了系统程序的复杂性，但能够有效解决受保护房间在运维过程中存在的安全隐患。

5.2 选用更为安全的灭火剂

CO2灭火剂的选用，可以考虑使用七氟丙烷来进行替代[4]。相比于CO2，七氟丙烷是更为安全的灭火剂，其物理特性上，到降低氧气浓度，起到控制火势，逐步灭火的功能，不会导致人员窒息等优点，在使用的过程中，不容易让使用者产生心理负担，在海上平台应用更具优势。

6 结束语

从系统设计的角度出发，对海上平台CO2灭火系统通用设计方案进行介绍和分析，介绍CO2用量的计算方法以及控制逻辑，着重分析了当前通用设计方案中存在的硬件缺陷及CO2灭火剂本身特性给操作人员带来的心理负担，并提出了相应的解决方案。通过被研究，能够使人们对这套系统有更加深入的认识，通过不断优化和升级海上平台重要设备房间的火气保护系统，最终达到本质安全的目的。