海洋石油FPSO主機(jī)尾氣余熱回收裝置的消防保護(hù)方案

■ 王占軍 許偉成 褚麗麗

一、引言

FPSO是英文Floating Production Storage and Offloading的縮寫，中文譯為浮式生產(chǎn)、儲(chǔ)油、卸油船。這種船并不是一種真正意義上用于運(yùn)輸?shù)拇?，它兼有生產(chǎn)、儲(chǔ)油、卸油的功能，一般與水下采油裝置和穿梭油船組成一套完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，是目前海洋工程船舶中的高技術(shù)產(chǎn)品。FPSO 的主要特點(diǎn)為機(jī)動(dòng)性和運(yùn)移性好，具有適應(yīng)深水采油（與海底完井系統(tǒng)組合）的能力、在深水域中較大的抗風(fēng)浪能力、大產(chǎn)量的油氣水生產(chǎn)處理能力和大的原油儲(chǔ)存能力。FPSO可以與導(dǎo)管架井口平臺(tái)組合，也可以與自升式鉆采平臺(tái)組合成為完整的海上采油、油氣處理和儲(chǔ)油、卸油系統(tǒng)，但更主要的是用于深水采油，與海底采油系統(tǒng)（包括海底采油樹(shù)、海底注水井、海底管匯等）和穿梭油輪組合成為完整的深水采油、油氣處理、原油儲(chǔ)存和卸油系統(tǒng)。浮式生產(chǎn)設(shè)施的應(yīng)用已很普遍，在全世界已有100多艘FPSO正在操作運(yùn)行，甚至有取代固定式平臺(tái)的趨勢(shì)。在中國(guó)海洋石油發(fā)展的能源產(chǎn)業(yè)板塊中，F(xiàn)PSO產(chǎn)業(yè)有著舉足輕重的地位，支持著海上油田近50 %的石油產(chǎn)能。目前在中國(guó)海域服務(wù)的FPSO共16艘，其中渤海海域7艘，南海西部海域2艘，南海東部海域7艘。

為了響應(yīng)“十一五”節(jié)能減排工作計(jì)劃，中國(guó)海油石油公司對(duì)現(xiàn)有FPSO的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，增加了主機(jī)尾氣余熱回收裝置，對(duì)主機(jī)排氣熱量進(jìn)行二次回收。利用這些回收的熱量足以加熱燃油以及供船員日常生活用氣，并可避免冬季單靠廢氣鍋爐供熱，不能滿足船舶正常需要的情況發(fā)生。主機(jī)尾氣余熱回收裝置爐膛由氣、水、油管及煙道箱組成，它是利用熱管作為傳熱元件來(lái)回收船舶主機(jī)排氣余熱的。由于熱管的傳熱效率高，熱敏度高，又結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，使其具有重量輕、體積小、蒸發(fā)量大等特點(diǎn)，這是其它型式的廢氣鍋爐無(wú)法比擬的。主機(jī)尾氣余熱回收裝置內(nèi)，用于燃油、氣、水加熱的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放溫度高達(dá)350℃，因設(shè)備故障引起火災(zāi)的危險(xiǎn)性很高。

從專業(yè)技術(shù)角度分析，造成火災(zāi)的原因主要有：（1）鼓包、爆管引起火災(zāi)；（2）泄漏引起火災(zāi)；（3）停電時(shí)處理不當(dāng)引起火災(zāi)。

人們將FPSO比喻為一枚“定時(shí)炸彈”，船上存在大量易燃易爆的物質(zhì)，稍有不慎就會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的后果，因此FPSO上所有設(shè)備的防火安全是重中之重。主機(jī)尾氣余熱回收裝置是火災(zāi)危險(xiǎn)性很高的設(shè)備，應(yīng)配備合適的滅火裝置，并有專人檢查維護(hù)，確保滅火裝置能正常使用。從主機(jī)尾氣余熱回收裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及可燃介質(zhì)的成分分析，固定式氣體滅火系統(tǒng)是比較可靠的滅火設(shè)備?？紤]到主機(jī)尾氣余熱回收裝置爐膛上部是開(kāi)放式的，而七氟丙烷、惰性氣體等滅火系統(tǒng)對(duì)保護(hù)處所的密封性要求很高，因此選用固定式CO2滅火系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。以下結(jié)合工程的實(shí)例，對(duì)固定式CO2滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

二、固定式CO2滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

《國(guó)際消防安全系統(tǒng)規(guī)則》（以下簡(jiǎn)稱FSS規(guī)則）中規(guī)定的固定式CO2滅火系統(tǒng)滅火劑量計(jì)算方法，是基于基本密閉空間的保護(hù)處所。主機(jī)尾氣余熱回收裝置的爐膛，上部開(kāi)口面積相對(duì)較大，按FSS規(guī)則的要求來(lái)計(jì)算CO2滅火劑淹沒(méi)用量，是不科學(xué)的，在噴放過(guò)程中從開(kāi)口泄漏的CO2，應(yīng)考慮補(bǔ)償量。NFPA12標(biāo)準(zhǔn)中CO2滅火劑用量的計(jì)算，對(duì)具有較大開(kāi)口面積的保護(hù)處所，給出了明確的計(jì)算方法。因此爐膛固定式CO2滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，應(yīng)參照NFPA12標(biāo)準(zhǔn)要求。下面結(jié)合某工程實(shí)例，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的介紹。

（一）主機(jī)尾氣余熱回收裝置爐膛設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)。

工作環(huán)境溫度——200℃

爐膛體積——13 m3

通風(fēng)開(kāi)口：

頂部開(kāi)口面積——0.785 4 m2

底部開(kāi)口面積——0.785 4 m2

設(shè)計(jì)噴放時(shí)間——1 min

設(shè)計(jì)濃度——37 %

淹沒(méi)系數(shù)——1.07 kg／m3

物質(zhì)變換系數(shù)——1.14

溫度補(bǔ)償系數(shù)——1.384

開(kāi)口CO2泄漏速率——174kg／min·m2（根據(jù)NFPA12 圖A-2-3（b）查得）

（二）固定式CO2淹沒(méi)用量計(jì)算。

CO2滅火劑淹沒(méi)用量：

Q1=13×1.07×1.14×1.384=21.95 kg

CO2滅火劑泄漏補(bǔ)償量：

Q2=174×0.785 4=136.66 kg

（三）由于泄漏補(bǔ)償量超過(guò)了基本淹沒(méi)用量，因此，CO2滅火劑用量計(jì)算應(yīng)按局部應(yīng)用系統(tǒng)考慮，即采用體積噴射速率的方法計(jì)算。

固定式CO2局部應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)如下：

爐膛體積——13 m3

通風(fēng)開(kāi)口：

頂部開(kāi)口面積——0.785 4 m2

底部開(kāi)口面積——0.785 4 m2

爐膛內(nèi)腔表面積——40.715 m2

設(shè)計(jì)噴放時(shí)間——0.5 min

物質(zhì)變換系數(shù)——1.14

裕度系數(shù)——1.4

（四）固定式CO2局部應(yīng)用滅火劑用量計(jì)算。

噴射速率：

q=（16-4）×2×0.7854 ÷ 40.715 + 4

= 4.463 kg／min·m3

噴射流量：

q1=4.463×13=58.02 kg／min

CO2需要量：

Q=1.4×1.14×58.02×0.5=46.3 kg

（五）CO2滅火劑鋼瓶數(shù)量。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，CO2滅火劑鋼瓶數(shù)量：

N=46.3÷26=1.78≈2個(gè)

鋼瓶規(guī)格選用40 L，每瓶充裝CO2滅火劑26 kg?？紤]到CO2滅火劑充裝困難，實(shí)際配置4個(gè)鋼瓶，2主2備。

（六）滅火劑噴放管路設(shè)計(jì)。

按照《船用CO2滅火裝置》（CB/T 3294—1998）附錄A的要求，選取CO2滅火劑噴放管路的主管徑。附錄A的噴放條件是2 min內(nèi)85 %的CO2注入保護(hù)處所，而主機(jī)尾氣余熱回收裝置爐膛固定式CO2滅火系統(tǒng)的噴放要求是0.5 min內(nèi)100 %的CO2注入保護(hù)處所，因此需要對(duì)管道CO2最大流通量進(jìn)行換算：

W=（46.3÷0.5）×2÷0.85=217.88 kg

因此，選用DN32的管徑，其CO2滅火劑的最大流通量為275 kg，大于217.88 kg，能夠滿足噴放時(shí)間的要求。

（七）CO2噴嘴計(jì)算。

選用DN15接口的噴嘴，根據(jù)《船用CO2滅火裝置》（CB/T 3294—1998）附錄A的要求，DN15管徑的CO2最大流通量為60 kg，因此，噴嘴數(shù)量n=217.88÷60=3.63，實(shí)取4只噴嘴，單個(gè)噴嘴的流量=46.3÷4÷30=0.386 kg／s，噴嘴的具體型號(hào)可通過(guò)管網(wǎng)水力計(jì)算結(jié)果獲取。

三、固定式CO2滅火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

（一）CO2滅火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）

圖1 固定式CO2滅火系統(tǒng)安裝示意圖

（二）工作原理

主機(jī)尾氣余熱回收裝置爐膛固定式CO2滅火系統(tǒng)，可通過(guò)自動(dòng)控制、電氣手動(dòng)控制和機(jī)械應(yīng)急手動(dòng)三種方式啟動(dòng)，具體如下：

1．自動(dòng)控制

主機(jī)尾氣余熱回收裝置，可設(shè)置火災(zāi)事故監(jiān)測(cè)裝置，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)后，由設(shè)在機(jī)艙集控室的火氣系統(tǒng)控制盤向火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)和駕控臺(tái)發(fā)出火災(zāi)聲光報(bào)警信號(hào)，并切斷燃油循環(huán)泵和非消防電源等設(shè)備，同時(shí)向固定式CO2滅火裝置電磁閥發(fā)出聯(lián)動(dòng)指令，滅火鋼瓶即可打開(kāi)，噴放CO2滅火劑至保護(hù)處所，實(shí)施滅火。CO2滅火裝置啟動(dòng)后，集流管上的壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作，向機(jī)艙集控室的火氣系統(tǒng)控制盤上傳滅火系統(tǒng)釋放信號(hào)。

2．電氣手動(dòng)控制

當(dāng)人為發(fā)現(xiàn)主機(jī)尾氣余熱回收裝置爐膛發(fā)生火災(zāi)，可按下機(jī)艙集控室火氣系統(tǒng)控制盤上或著火現(xiàn)場(chǎng)的啟動(dòng)按鈕，火氣系統(tǒng)控制盤立即向火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)和駕控臺(tái)發(fā)出火災(zāi)聲光報(bào)警信號(hào)，并切斷燃油循環(huán)泵和非消防電源等設(shè)備，同時(shí)向固定式CO2滅火裝置電磁閥發(fā)出聯(lián)動(dòng)指令，滅火鋼瓶即可打開(kāi)，噴放CO2滅火劑至保護(hù)處所，實(shí)施滅火。CO2滅火裝置啟動(dòng)后，集流管上的壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作，向機(jī)艙集控室的火氣系統(tǒng)控制盤上傳滅火系統(tǒng)釋放信號(hào)。

3．機(jī)械應(yīng)急手動(dòng)

當(dāng)人為發(fā)現(xiàn)主機(jī)尾氣余熱回收裝置爐膛發(fā)生火災(zāi)，且電氣控制功能失靈時(shí)，應(yīng)通知機(jī)艙集控室值班人員，緊急切斷燃油循環(huán)泵和非消防電源等設(shè)備，確認(rèn)聯(lián)動(dòng)設(shè)備動(dòng)作后，打開(kāi)CO2滅火裝置箱體門，手動(dòng)扳動(dòng)滅火劑鋼瓶瓶頭閥手柄，即可打開(kāi)滅火劑儲(chǔ)瓶，噴放CO2滅火劑至保護(hù)處所，實(shí)施滅火。