圆筒型浮式生产储卸油装置消防安全设计_矫亚涛.pdf

40 船舶标准化工程师 2023/3 圆筒型浮式生产储卸油装置消防安全设计圆筒型浮式生产储卸油装置消防安全设计1 1 矫亚涛，窦培举，高 鹏，宫景雯，秦逸涵（中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）摘 要：摘 要：为确保设计安全性，基于国内第一艘多点系泊的圆筒型浮式生产储油卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO），从消防安全角度对圆筒型FPSO 和传统FPSO 的不同之处进行分析，并结合国内外船级社的意见对消防系统进行设计。研究成果可为圆筒型 FPSO 消防安全设计提供一定参考。关键词：关键词：圆筒型；消防安全；喷淋原则；高压细水雾 中图分类号：中图分类号：TE58 文献标志码：文献标志码：A DOI：10.14141/j.31-1981.2023.03.010 Fire Safety Design of Cylindrical FPSO JIAO Yatao,DOU Peiju,GAO Peng,GONG Jingwen,QIN Yihan(CNOOC Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100028,China)Abstract:In order to ensure design safety,based on the first floating production storage and offloading(FPSO)with multi-point mooring in China,the differences between cylindrical FPSO and traditional FPSO are analyzed from the perspective of fire safety,and the fire protection system is designed based on the opinions of domestic and foreign classification societies.The research results can provide some references for the fire safety design of cylindrical FPSOs.Key words:cylinder;fire safety;principle of spray;high pressure fine water mist 作者简介：矫亚涛（1984），男，硕士研究生、工程师。研究方向：海洋石油工程给排水及消防安全。0 引言引言 浮式生产储卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）是海上油气田开发的重要生产装置，被称为“海上石油工厂”。FPSO可分为船型和圆筒型等两种类型。目前，已有十几艘船型FPSO在中国南海海域进行作业。船型FPSO的单点系泊系统目前只能依赖进口，其价格非常昂贵。为解决系泊系统依赖进口的现状，突破“卡脖子”技术，中国海洋石油集团有限公司自主研发设计了国内第一艘多点系泊的圆筒型 FPSO。相对于船型 FPSO，圆筒型 FPSO 的主甲板层和部分工艺甲板层被挡浪板围合，其密闭空间更多，设备布置更为紧凑，各种危险气体更易于聚集，危险性更高。为确保系统设计的安全性，中国海洋石油集团有限公司委托挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）和中国船级社（China Classification Society，CCS）进行安全审查。目前，国内外缺少专门针对圆筒型 FPSO 的安全设计规范，本文结合圆筒型 FPSO 的结构特点和国内外船级社的审查意见对消防系统的设计进行探讨，以期为相似系统的设计提供一定参考。1 圆筒型圆筒型FPSO布置与特点分析布置与特点分析 1.1 主要工艺流程主要工艺流程 圆筒型FPSO的工艺流程主要包含以下3方面：1）原油脱水；2）存储与外输；3）燃料油、燃料气、生产水的处理。预处理平台的预处理液与电脱水器的高温合格技术交流 Technical Communication 2023/3 船舶标准化工程师 41 原油在换热后依次进入一级分离器和二级分离器进行油-气-水三相分离。分离器处理后的原油进入电脱水器，气体经伴生气脱硫装置处理后供给锅炉，水则进入生产水处理系统。电脱水器分离出的水会回掺到一级分离器。合格原油一部分进入燃料油处理系统进行脱硫处理，并用作电站燃料油，其余全部经换热器冷却后进入货油舱进行储存和外输。1.2 总体布置情况总体布置情况 圆筒型 FPSO 主要由船体部分、上部组块和生活楼组成，见图1。图1 圆筒型FPSO示意图 船体部分的筒体直径为72 m，主要由货油舱、压载舱、中空舱、淡水舱、饮用水舱、柴油舱、锚链舱、液压油舱等公用舱组成。主甲板的直径为 82.8 m，布置有液压泵站、机械设备间、分油机间、泡沫间、遥控液压阀间、消防泵房等公用设备间。上部组块分为上下两层，一层工艺甲板的直径为90 m，二层甲板为不规则形状。贯穿上下2 层甲板的 A60 防火墙将上部组块分为危险区和安全区。防火墙西侧为危险区，主要布置原油处理系统、天然气处理系统、生产水处理系统、清管球、天然气脱硫撬、原油脱硫撬、硫黄储存区等工艺处理模块。防火墙东侧为安全区，主要布置热介质系统、惰性气体系统等公用模块，天然气发电机、原油主机等电站模块以及开关间、变压器间、中控设备间等电气模块。生活楼布置在FPSO 的最东侧，主要包括厨房、餐厅、医务室、洗衣间、厕所、库房、健身房、资料室、会议室、宿舍、报务间、中控室、培训室、I/O 柜间、候机厅和空调设备间等。其中，中控室、报务间、I/O 柜间、阅览室与救生艇登艇口布置在 同一层。在事故工况下，整层房间可作为临时避难所供工作人员临时集合、等待撤台使用。1.3 特点分析特点分析 从消防安全角度考虑，圆筒型 FPSO 具有以下主要特点：1）工艺处理流程包含完整的原油处理流程、天然气处理流程、燃料油处理流程和原油外输处理流程等，各种工艺处理设备的种类繁多；2）FPSO 所在油田属于高含硫油田，存在硫化氢（H2S）泄漏和硫黄火灾风险；3）圆筒型FPSO 采用多点系泊系统，不能像单点系泊的船型 FPSO 一样通过旋转船体始终使安全区位于上风向，一旦发生危险气体泄漏、火灾等事故，难以确保安全区工作人员的人身安全；4）与船型FPSO 不同，圆筒型FPSO 主甲板和一层工艺甲板的四周由挡浪墙围合，通风条件极差，容易造成危险气体聚集，增加事故风险；5）受甲板尺寸的限制，设备布置高度集中，逃生通道设置困难，一旦发生火灾，人员逃生困难；6）船体为圆柱状结构，与支持船或外输油船碰撞的风险较大；7）船体外侧附件较多，当船体破损倾覆时，逃生设施在下放过程中有可能与船体发生碰撞。42 船舶标准化工程师 2023/3 2 设计难点与解决方案设计难点与解决方案 相较于船型 FPSO，圆筒型 FPSO 的危险性更高，人员逃生更加困难。因此，消防安全系统的设计尤为重要，必须给予足够重视。目前国内外尚无专门针对圆筒型 FPSO 的安全设计规范，本文参考现有 FPSO 的设计规范，并结合圆筒型 FPSO 的特点，对消防安全系统的设计难点进行探讨。2.1 水喷淋灭火系统喷洒分区原则水喷淋灭火系统喷洒分区原则 水喷淋灭火系统主要用于冷却上部模块的工艺设备和主甲板的公用设备，防止火灾蔓延，为其他灭火措施争取时间1。目前尚无规范对水喷淋灭火系统的喷洒分区原则进行明确规定。在设计时，通常结合火区划分、消防隔离及消防系统投资情况统筹决定。对于船型 FPSO，各工艺模块一般由艏部到艉部依次布置2。国内通常先将工艺区内的不同工艺模块划分为单独的小火区，再采用相邻火区同时喷淋或独立火区喷淋的原则。1）相邻火区同时喷淋原则 当某火区着火时，除着火区域开启消防水喷淋外，与其相邻的火区也同时开启水喷淋，进而将着火区域与外界隔离3，见图2。图2 相邻火区喷淋原则示意图 2）独立火区喷淋原则 将各单独火区采用水幕进行物理分隔。当某火区发生火灾时，事故火区及火区分隔水幕同时喷水，将事故火区与其他火区单独隔离，进而控制火势蔓延，见图3。图3 独立火区喷淋原则示意图 一层和二层工艺甲板工艺模块的布置情况分别见图4和图5。FPSO的工艺模块分为上下两层布置，各模块的布置较为紧凑、危险性较高。仅采用水幕对各模块进行横向物理分隔难以将事故火区与其他火区完全隔离。因此，独立火区喷淋原则并不适用于圆筒型FPSO。图4 一层工艺甲板工艺模块的布置情况 图5 二层工艺甲板工艺模块的布置情况 技术交流 Technical Communication 2023/3 船舶标准化工程师 43 当采用相邻火区同时喷淋原则时，最大消防水量发生在工艺模块一层甲板着火工况下，此时除工艺模块的二层甲板和丙烷瓶撬外，其余设备均需要喷淋，FPSO 的消防水量约为1 758 m3/h。工艺模块的二层甲板和丙烷瓶撬的喷淋水量仅为227 m3/h，所用消防水量较小。若采用全喷淋原则（即任一工艺模块着火上部组块的所有工艺模块同时喷淋），FPSO 的消防水量约为1 985 m3/h。相较于相邻火区同时喷淋原则，全喷淋原则的安全性更强，划分的火区更少，可节省4 套雨淋阀。因此，全喷淋原则更适用于圆筒型FPSO。2.2 工艺甲板消防方式工艺甲板消防方式 在计算FPSO 的喷淋水量时，国内通常参照 浮式生产储卸油装置（FPSO）安全规则4、Standard for Water Spray Fixed Systems for Fire Protection5和Application of Fixed Water Spray Systems for Fire Protection in the Petroleum and Petrochemical Industries6的相关要求。为防止失火时工艺设备内的原油泄漏至甲板并引发流淌火灾，DNV要求同时对设备和空白甲板进行喷淋。经计算，上部组块工艺区的消防水量为3 500 m3/h，相对于仅对容器、设备和管汇进行喷淋，喷淋水量增加了1 781 m3/h，消防水量过大，对消防设备的选型、布置和采购造成了严重的影响。我国在设计各工艺模块时，模块的底部均设有挡油槽和排泄系统，原油扩散至甲板的可能性较小，故仅对油气系统中的容器、设备以及管汇进行喷淋保护，不考虑外输滚筒与工艺设备同时着火的情况。通过外输滚筒周边的原有消防炮和增设的消防炮对空白甲板区域进行保护，维持原设计消防水量不变。2.3 甲板泡沫灭火系统喷洒装置甲板泡沫灭火系统喷洒装置 根据浮式储油生产装置（FPSO）安全规则的相关要求，甲板泡沫灭火系统应能将泡沫输送到整个原油区域甲板及甲板以上的原油处理模块。此外，甲板泡沫灭火系统还应能将泡沫送入任何已破裂的原油舱内。对于船型 FPSO，通常将中间原油舱部分划分为危险区，将甲板两侧的水舱部分划分为安全区。因此，通常将手动泡沫消防炮布置在甲板两侧的安全区，以便对中间原油舱及甲板进行保护。根据Mobile and Fixed Offshore Units-Electrical Installations-Part 7:Hazardous Areas7的相关要求，FPSO 和其他浮式生产装置需要特别考虑主甲板和生产甲板之间的区域，除主甲板不受上层甲板的影响且能够获得自然通风的情况外，该区域均应划分为危险区。根据 海上浮式装置入级规范8的相关要求，将处于污油水舱上方并与之相邻的围蔽及半围蔽处所划分为危险区。由于圆筒型 FPSO 主甲板四周被挡浪板围合，属于半围蔽处所，不能保证充分通风，因此，圆筒型 FPSO 的整个主甲板区域均属于危险区，无安全区。根据CCS8与DNV9的相关要求，手控消防炮应布置于受保护和工作人员易于到达的安全区。因此，传统的手控消防炮并不能应用于圆筒型FPSO。目前，遥控消防炮虽尚未应用于海洋平台或浮式生产装置，但已在陆上大量应用并取得了良好的效果。因此，可采用遥控消防炮替代手控消防炮，将其作为主甲板泡沫灭火系统的泡沫喷射装置。对于陆上应用遥控消防炮，操作人员可在遥控消防炮的附近设置遥控盘，在观察火势的同时通过遥控盘操作消防炮灭火。然而，由于圆筒型 FPSO的整个主甲板均为危险区，设置遥控操作盘没有实际意义。因此，圆筒型 FPSO 的主甲板消防炮均不设置遥控操作盘，仅由操作人员根据工艺甲板底部摄像头提供的信息对主甲板泡沫灭火系统进行操作，其灭火效率受摄像头监控精度的影响较大。2.4 气体灭火系统规范气体灭火系统规范 通常情况下，船型 FPSO 的船体部分和上部组块的气体灭火系统需要分开设计。由于含有轮机舱等机械处所，船体部分通常采用二氧化碳（CO2）灭火系统；上部组块通常采用七氟丙烷灭火系统。由于采用多点固定系泊系统，圆筒型 FPSO 取消了轮机舱的设置，考虑到二氧化碳灭火系统存在储存压力高、在有人场所使用存在风险等缺点10，圆筒型 FPSO 气体灭火系统采用一体化设计模式，船体与上部组块均采用七氟丙烷灭火系统。由于船体部分涉及入级等问题，在设计气体灭火系统时通常遵循国际消防规范 Adoption of the International Code for Fire Safety Systems11，在设计 44 船舶标准化工程师 2023/3 上部组块时通常遵循国家标准GB 55036202212。这两本标准规范对气体灭火的规定有诸多矛盾之处，在采用一体化设计时，船体部分与上部组块可统一按照GB 550362022 进行设计。2.5 发电机房灭火系统发电机房灭火系统 主发电机房是海上油气生产设施最重要的场所之一，也是火灾风险最高的场所之一。圆筒型FPSO采用了低闪点的原油发电机，其危险性高、空间大、火灾爆炸难以控制，一旦发生火灾将造成巨大的经济损失。目前国内规范对于主发电机房固定式灭火系统的规定并不是特别明确，采用气体灭火系统或与之效果等同的系统均可。考虑到产品的成熟性，该圆筒型FPSO 采用气体灭火系统。高压细水雾灭火系统具有能承受一定自然或机械通风、安全、节能、环保、灭火性能可靠、对环境密闭性无特殊要求等优点13。相较于气体灭火系统，高压细水雾灭火系统的占地面积更小、荷载更轻。由于圆筒型 FPSO 的设备布置过于紧凑，甲板面积较小，采用高压细水雾灭火系统对发电机房进行保护更为合理、有效。3 结论结论 由于国内外缺少专门针对圆筒型 FPSO 的安全设计规范，各系统在设计时应结合实际情况进行探讨。本文结合圆筒型 FPSO 的结构形式和工艺布置对水喷淋系统的喷洒原则、甲板泡沫灭火系统的喷洒装置设置、电气房间的气体灭火系统设置以及发电机房的灭火系统选择进行了介绍与分析。针对圆筒型FPSO 的特点，在设计过程中进行了如下创新：1）在FPSO 水喷淋系统中采用了全喷淋原则。2）在甲板泡沫灭火系统中应用遥控消防炮。3）在 FPSO 气体灭火系统中采用一体化设计 并确定了设计原则。本文的研究成果可为圆筒型FPSO 的消防安全设计提供一定参考。参考文献：参考文献：1 李艳华,许晓丽,覃柳莎,等.海上半潜储油生产平台安全消防系统设计J.工业用水与废水,2020,51(6):84-88.2 高晓蕾,董恒.海洋石油 118 号 FPSO 水幕系统设置与论证J.广东化工,2015,42(9):82-83.3 许晓丽,李艳华,蒋薇,等.相邻火区喷淋原则计算消防水量在海上生产设施上的应用J.船舶工程,2020,42(8):137-141.4 国家安全生产监督管理总局.浮式生产储卸油装置(FPSO)安全规则S.2010.5 NFPA.Standard for Water Spray Fixed Systems for Fire ProtectionS.2019.6 API.Application of Fixed Water Spray Systems for Fire Protection in the Petroleum and Petrochemical Industries:API RP 2030S.2014.7 IEC.Mobile and Fixed Offshore Units-Electrical Installations-Part 7:Hazardous Areas:IEC 61829-7:2019S.2019.8 中国船级社.海上浮式装置入级规范S.2020.9 DNV.Fire Protection:DNV-OS-D301S.2017.10 蔡涛,霍有利,许晓丽.论 FPSO 安全消防系统设计类型J.石油和化工设备,2019,22(1):75-77.11 IMO.Adoption of the International Code for Fire Safety SystemsS.2000.12 中华人民共和国住房和城乡建设部,国家市场监督管理总局.消防设施通用规范:GB 550362022S.2006.13 蔡涛,许晓丽,杨伟欣,等.高压细水雾在海上平台的应用J.盐科学与化工,2021,50(11):48-51.