FPSO火災(zāi)氣體探測(cè)器的優(yōu)化布置研究

尚勝美 王海清 劉俊芳

（中國石油大學(xué)（華東）安全科學(xué)與工程系）

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船（FPSO）集生產(chǎn)、儲(chǔ)油、卸油為一體的優(yōu)勢(shì)，已成為快速、經(jīng)濟(jì)、有效地開發(fā)海上油田不可替代的開發(fā)裝置［1］，但由于FPSO火災(zāi)探測(cè)器數(shù)量不充分、布置不合理、發(fā)生誤警報(bào)等，導(dǎo)致工作人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝異常現(xiàn)象，最終引起大的火災(zāi)爆炸事故。FPSO在整個(gè)生產(chǎn)、儲(chǔ)油和卸油的過程中會(huì)伴有大量的碳?xì)錃怏w產(chǎn)生，如果沒有一套可靠的火災(zāi)氣體（F＆G）探測(cè)系統(tǒng)作為安全保障，一旦由于火災(zāi)或可燃?xì)怏w泄漏而引起爆炸事故的發(fā)生，后果將不堪設(shè)想［2］。探測(cè)器的優(yōu)化布置作為FPSO探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，對(duì)保障FPSO的人員安全和最大限度地減少事故所引起的經(jīng)濟(jì)損失，起到?jīng)Q定性的作用。

目前，對(duì)FPSO F＆G探測(cè)器的設(shè)置問題主要是以“處方式”標(biāo)準(zhǔn)理論作為主要研究手段。本文以F＆G探測(cè)器在FPSO的布置為主要研究?jī)?nèi)容，首先對(duì)FPSO進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域劃分，然后應(yīng)用HAZID方法對(duì)FPSO進(jìn)行災(zāi)害識(shí)別，最后對(duì)FPSO的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行F＆G探測(cè)器的布置，以更好地保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。

1 FPSO危險(xiǎn)區(qū)域劃分

應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行識(shí)別和分類，以便更快速、更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)工藝過程的異?，F(xiàn)象，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，以避免火災(zāi)爆炸的發(fā)生。根據(jù)防爆電氣設(shè)備選擇需要，依照爆炸性氣體存在的可能性和時(shí)間長(zhǎng)短，危險(xiǎn)區(qū)分為如下3類：

①0類危險(xiǎn)區(qū)。指在正常工作條件下持續(xù)和長(zhǎng)期存在爆炸性氣體環(huán)境的區(qū)域；

②1類危險(xiǎn)區(qū)。指在正常工作條件下可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境的區(qū)域；

③2類危險(xiǎn)區(qū)。指在正常工作條件下不大可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，即使出現(xiàn)也只是短時(shí)間存在的區(qū)域［3］。

根據(jù)工藝過程中易發(fā)生火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)設(shè)備，將FPSO上部模塊布置的所有探測(cè)器和手動(dòng)按鈕分為9個(gè)危險(xiǎn)區(qū)，當(dāng)某一危險(xiǎn)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)后，F(xiàn)＆G系統(tǒng)將對(duì)相應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行關(guān)斷控制并啟動(dòng)相應(yīng)的消防設(shè)施。某型號(hào)FPSO的危險(xiǎn)區(qū)具體劃分如表l所示。

2 HAZID方法對(duì)FPSO災(zāi)害識(shí)別

危險(xiǎn)源辨識(shí)（HAZARD IDENTIFICATION，簡(jiǎn)稱HAZID）不僅限于狹義的識(shí)別危險(xiǎn)源，而是給予了更為寬泛的內(nèi)涵，包括識(shí)別危險(xiǎn)源、分析其原因和可能導(dǎo)致的后果，在此基礎(chǔ)上進(jìn)而分析是否需要開展有針對(duì)性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，借此提出相應(yīng)的建議或改進(jìn)措施［4］。該方法以引導(dǎo)詞為核心，相關(guān)的多專業(yè)人員組成分析小組對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)化的審查，能有效識(shí)別出過程裝置中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)預(yù)防事故特別是重特大事故有非常好的效果。HAZID方法也是一種過程危險(xiǎn)源分析（PHA）技術(shù)，是一種對(duì)潛在危險(xiǎn)源和風(fēng)險(xiǎn)的早期辨識(shí)技術(shù)［5］。

表1 FPSO危險(xiǎn)區(qū)域劃分表Table 1 Dangerous zones dividing of FPSO

表2 HAZID災(zāi)害識(shí)別表Table 2 Hazard identification of FPSO by the HAZID method

根據(jù)FPSO的危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)FPSO進(jìn)行HAZID災(zāi)害識(shí)別如表2所示。

3 FPSO火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 傳統(tǒng)方法的探測(cè)器數(shù)量確定

在FPSO的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中，根據(jù)理論分析、計(jì)算，以及艙位、環(huán)境條件合理布置F＆G探測(cè)器也是保證探測(cè)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。探測(cè)器布置的基本原則是：除了確保所有被探測(cè)范圍都處于探測(cè)器的探測(cè)區(qū)域內(nèi)以外，敞開式的工藝系統(tǒng)、房間分隔、空調(diào)送風(fēng)、高溫光源及電磁設(shè)備等均是影響探測(cè)器布置的重要因素。GB 50116－1998《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于F＆G探測(cè)器的選用和設(shè)置均做出了較詳細(xì)的規(guī)定［6］。感煙、感溫探測(cè)器的保護(hù)面積及保護(hù)半徑如表3所示。

在實(shí)船工程中，規(guī)范規(guī)定探測(cè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)艙室應(yīng)至少設(shè)置一個(gè)F＆G探測(cè)器。一個(gè)探測(cè)區(qū)域內(nèi)所設(shè)置探測(cè)器的數(shù)量可按式（1）計(jì)算［7］：

表3 感煙、感溫探測(cè)器的保護(hù)面積及保護(hù)半徑Table 3 Protection area and protection radius of smoke and thermal detectors

式中：N為一個(gè)探測(cè)區(qū)域內(nèi)所設(shè)計(jì)的探測(cè)器數(shù)量，只；S為一個(gè)探測(cè)區(qū)域的地面面積，m2；A為一個(gè)探測(cè)器的保護(hù)面積，m2；K為安全修正系數(shù)。重要保護(hù)場(chǎng)所K取0．7～0．9，一般保護(hù)場(chǎng)所K取1。

根據(jù)HAZID方法對(duì)FPSO進(jìn)行的災(zāi)害識(shí)別以及式（1），保護(hù)面積A由表3查得，其危險(xiǎn)區(qū)域的各探測(cè)區(qū)域面積計(jì)算與探測(cè)器數(shù)量和種類確定如表4所示。

3．2 考慮探測(cè)覆蓋率的探測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

以FPSO的壓縮機(jī)、儀器室為例，對(duì)其進(jìn)行F＆G探測(cè)器的布置，由表4可知，壓縮機(jī)、儀器室長(zhǎng)為18m，寬為10m；危險(xiǎn)設(shè)備壓縮機(jī)長(zhǎng)為10m，寬為6m，它位于儀器室的正中位置，如圖1所示，藍(lán)線框?yàn)閴嚎s機(jī)、儀器室，黑線框?yàn)槲ｋU(xiǎn)設(shè)備壓縮機(jī)。

表4 各探測(cè)區(qū)域面積計(jì)算與探測(cè)器數(shù)量和種類確定表Table 4 Detection area calculation and numbers and types determination of detectors

由于壓縮機(jī)危險(xiǎn)程度較高，需要探測(cè)器的覆蓋面達(dá)到兩個(gè)及以上，壓縮機(jī)、儀器室內(nèi)探測(cè)器布置的理想狀態(tài)如圖2所示。綠色區(qū)域表示探測(cè)器的覆蓋面為兩個(gè)及以上，黃色區(qū)域表示僅有一個(gè)覆蓋面，紅色區(qū)域則表示零個(gè)覆蓋面，即探測(cè)器的盲區(qū)（探測(cè)器探測(cè)不到的區(qū)域）。

為確保危險(xiǎn)設(shè)備的覆蓋面盡可能達(dá)到兩個(gè)及以上，可定義探測(cè)器覆蓋率V的計(jì)算公式如式（2）：

式中：Vi—V1為探測(cè)器兩個(gè)覆蓋面及以上的覆蓋率，V2為探測(cè)器一個(gè)覆蓋面的覆蓋率，V3為探測(cè)器盲區(qū)的覆蓋率；Si—S1、S2和S3分別為綠色、黃色和紅色區(qū)域面積；S為壓縮機(jī)、儀器室的總面積。

由表4可知，壓縮機(jī)、儀器室需要4只感煙探測(cè)器，又由表3查得其保護(hù)面積為60m2，取感煙探測(cè)器的覆蓋半徑為4．5m。

3．2．1 傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法布置探測(cè)器

根據(jù)工程實(shí)際總結(jié)出的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法如下：

由式（3）和式（4）可知，壓縮機(jī)、儀器室內(nèi)探測(cè)器的布置為：橫向間距a＝18／2＝9m／只；縱向間距b＝10／2＝5m／只。通過傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法探測(cè)器在壓縮機(jī)、儀器室的布置以及覆蓋如圖3所示（黑點(diǎn)為探測(cè)器）。

3．2．2 菱形優(yōu)化布置探測(cè)器

設(shè)計(jì)思路為在不改變傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法布置探測(cè)器的橫縱向間距、不改變探測(cè)器數(shù)目的情況下，通過對(duì)探測(cè)器的位置進(jìn)行重新布置，以獲得更佳的覆蓋性能。通過菱形優(yōu)化布置法，探測(cè)器在壓縮機(jī)、儀器室的布置以及覆蓋如圖4所示。

3．2．3 矩形優(yōu)化布置探測(cè)器

設(shè)計(jì)思路為在不改變傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法布置探測(cè)器位置、不改變探測(cè)器數(shù)目的情況下，對(duì)探測(cè)器的橫縱向間距進(jìn)行了調(diào)整。通過矩形優(yōu)化布置法，探測(cè)器在壓縮機(jī)、儀器室的布置以及覆蓋如圖5所示。

由表4可知，壓縮機(jī)、儀器室的總面積S＝180 m2，應(yīng)用Matlab軟件得到探測(cè)器覆蓋區(qū)域面積，又由式（2）計(jì)算出探測(cè)覆蓋率，探測(cè)器在不同布置下的覆蓋區(qū)域面積及覆蓋率如表5所示。

表5 探測(cè)器在不同布置下的覆蓋區(qū)域面積及覆蓋率Table 5 Coverage area and coverage rate of different detector arrangement

如表5所示，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的盲區(qū)覆蓋率V3較小，但是V1達(dá)不到理想狀態(tài)，而且對(duì)比圖2與圖3可知，綠色區(qū)域分布與理想狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)。壓縮機(jī)附近存在盲區(qū)，一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)事件，工作人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決，將會(huì)導(dǎo)致事故發(fā)生。針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足，本文提出以下兩種簡(jiǎn)化的F＆G系統(tǒng)探測(cè)器優(yōu)化布置法：菱形優(yōu)化布置和矩形優(yōu)化布置。

表5中展示菱形設(shè)計(jì)的V1達(dá)到了理想狀態(tài)，而且對(duì)比圖2與圖4可知，綠色區(qū)域分布與理想狀態(tài)比較接近。壓縮機(jī)附近大部分區(qū)域可達(dá)到兩個(gè)覆蓋面及以上，而且盲區(qū)距離壓縮機(jī)較遠(yuǎn)，主要集中在墻的邊緣。

由表5看出，矩形設(shè)計(jì)的V1最大，而且對(duì)比圖2與圖5可知，綠色區(qū)域完全覆蓋壓縮機(jī)，達(dá)到理想狀態(tài)。此方法盲區(qū)覆蓋率V3較大，較適合危險(xiǎn)設(shè)備集中的工藝處理操作室。

4 結(jié) 論

提出針對(duì)FPSO危險(xiǎn)設(shè)備所需要的覆蓋面以及計(jì)算覆蓋率對(duì)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且通過3種方法分別在壓縮機(jī)、儀器室進(jìn)行探測(cè)器的布置對(duì)比分析，表明所提出的優(yōu)化布置方法要優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)布置法。探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以提高檢測(cè)報(bào)警的準(zhǔn)確性，一旦危險(xiǎn)區(qū)域發(fā)生異常狀況，探測(cè)器會(huì)更快更準(zhǔn)地發(fā)出警報(bào)，為消除隱患以及避免事故發(fā)生爭(zhēng)取更多的應(yīng)急救援時(shí)間，使事故損失減到最小。

［1］黃菲菲．浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船（FPSO）火災(zāi)和可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化改進(jìn)［J］．船舶電氣，2005（8）：30－35．

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