旅大10-1油田綜合調(diào)整消防水系統(tǒng)可靠性分析

王 蓉， 蔣 濤， 徐 閩

(1. 中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司工程設(shè)計(jì)研發(fā)中心， 天津 300452；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司銷(xiāo)售服務(wù)分公司， 天津 300452；3. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司工程建設(shè)中心， 天津 300461)

旅大10-1油田綜合調(diào)整消防水系統(tǒng)可靠性分析

王 蓉1， 蔣 濤2， 徐 閩3

(1. 中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司工程設(shè)計(jì)研發(fā)中心， 天津 300452；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司銷(xiāo)售服務(wù)分公司， 天津 300452；3. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司工程建設(shè)中心， 天津 300461)

依托旅大10-1油田現(xiàn)有設(shè)施，以降低工程投資為原則，確定了調(diào)整后油田消防水系統(tǒng)的工程方案。同時(shí)對(duì)調(diào)整后系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行估算及模擬，進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析，得出該消防水系統(tǒng)的依托方案。該文還提出對(duì)項(xiàng)目在后續(xù)設(shè)計(jì)及建造階段的優(yōu)化建議，并為日后此類(lèi)項(xiàng)目提供借鑒。

消防水系統(tǒng)；可靠性分析；響應(yīng)時(shí)間；優(yōu)化建議

0 引言

根據(jù)最新的油藏研究成果，通過(guò)增加調(diào)整井，旅大10-1油田可以進(jìn)一步提高油田采收率。因此，為能滿(mǎn)足油田產(chǎn)量需求，啟動(dòng)了旅大10-1油田綜合調(diào)整項(xiàng)目。充分依托旅大10-1油田現(xiàn)有設(shè)施，統(tǒng)一部署，以降低投資開(kāi)發(fā)為原則，工程方在滿(mǎn)足調(diào)整開(kāi)發(fā)方案的前提下，同時(shí)保證油田的安全措施滿(mǎn)足了調(diào)整后的要求。在該項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)開(kāi)展之前，有必要對(duì)調(diào)整后的油田消防水系統(tǒng)進(jìn)行可靠性校核分析，確保消防水系統(tǒng)能快速有效地應(yīng)用于調(diào)整后的油田安全保護(hù)。

旅大4-2油田位于渤海遼東灣海域遼西低凸起的中南端，旅大10-1油田位于綏中36-1油田CEP平臺(tái)的西南方向。綏中36-1油田CEP平臺(tái)與旅大5-2油田、旅大4-2油田及旅大10-1油田依次近于直線排列，旅大4-2油田距旅大5-2油田約8 km，旅大10-1油田距旅大4-2油田約13.6 km。旅大10-1油田CEP平臺(tái)距SZ36-1油田陸上終端約57.3 km。

經(jīng)過(guò)多次方案甄選，該項(xiàng)目工程開(kāi)發(fā)方案最終確定為“外掛四腿井口平臺(tái)+注水海管”方式，即在旅大10-1WHPA平臺(tái)南側(cè)外掛一四腿井口平臺(tái)WHPC，生產(chǎn)及公用系統(tǒng)依托旅大10-1CEP平臺(tái)。由于旅大10-1油田無(wú)法回注所有生產(chǎn)水，須將旅大10-1CEP平臺(tái)處理合格后的一部分生產(chǎn)污水，通過(guò)一條新建旅大10-1CEP平臺(tái)至旅大4-2WHPB平臺(tái)的海管輸送至旅大4-2WHPB平臺(tái)注水，降低旅大4-2WHPB平臺(tái)水源井的采出，調(diào)整后油田總圖如圖1所示。

旅大10-1油田井口(WHPA)平臺(tái)是一座集計(jì)量、修井、注水為一體的四腿井口平臺(tái)，該井口平臺(tái)通過(guò)棧橋與旅大10-1油田中心平臺(tái)CEP相連。2009年到2010年先后分三期對(duì)旅大10-1WHPA平臺(tái)和CEP平臺(tái)進(jìn)行了較大規(guī)模的改造: 一期工程在WHPA井口平臺(tái)南側(cè)外掛4個(gè)井槽；二期工程在一期基礎(chǔ)上再在WHPA井口平臺(tái)南側(cè)新增兩根樁腿，增加2排(8個(gè))井槽，同時(shí)新增電氣房間和設(shè)備；三期工程在旅大10-1 CEP平臺(tái)西側(cè)增加兩根樁腿，對(duì)旅大工藝系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容升級(jí)，增加設(shè)備滿(mǎn)足調(diào)整產(chǎn)量要求。旅大10-1 WHPA平臺(tái)消防水系統(tǒng)依托旅大10-1CEP平臺(tái)，目前旅大10-1CEP平臺(tái)消防水系統(tǒng)可滿(mǎn)足上述三次改造后油田消防要求。

圖1 調(diào)整后油田總圖

1 調(diào)整前消防水系統(tǒng)可靠性分析

旅大10-1CEP平臺(tái)與WHPA平臺(tái)共用一套消防水系統(tǒng)。旅大10-1CEP平臺(tái)上消防水系統(tǒng)為濕式系統(tǒng)，平時(shí)管網(wǎng)由淡水穩(wěn)壓系統(tǒng)保壓，設(shè)有一臺(tái)電動(dòng)消防泵CEP-P-6010及一臺(tái)柴油消防泵CEP-P-6020，其中：CEP-P-6010為主消防泵，掛主電源；CEP-P-6020為備用消防泵；淡水穩(wěn)壓系統(tǒng)掛應(yīng)急電源。

調(diào)整前，旅大10-1CEP平臺(tái)的消防水系統(tǒng)主要用戶(hù)有平臺(tái)的水噴淋系統(tǒng)、軟管站及直升機(jī)甲板泡沫滅火系統(tǒng)，消防水控制邏輯系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 旅大10-1油田消防水系統(tǒng)控制邏輯圖

目前，旅大10-1 CEP平臺(tái)上兩臺(tái)消防泵設(shè)置由不同的獨(dú)立動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，且每臺(tái)消防泵均能滿(mǎn)足目前最大火區(qū)消防用量。在火災(zāi)狀態(tài)下，消防泵可立即投入使用。

2 調(diào)整后消防水系統(tǒng)校核分析

2.1 消防水系統(tǒng)方案及水量壓力校核

根據(jù)工程方案，在旅大10-1WHPA平臺(tái)南側(cè)新建一座四腿井口平臺(tái)，與旅大10-1WHPA平臺(tái)相距2 m，頂層甲板搭接相連，下層甲板設(shè)置兩座9 m長(zhǎng)棧橋與旅大10-1WHPA平臺(tái)連接。若在旅大10-1WHPC平臺(tái)上單獨(dú)設(shè)置消防泵，其工程設(shè)備、電力消耗均帶來(lái)較大投入，也使得日后的現(xiàn)場(chǎng)建造、安全管理及維護(hù)復(fù)雜化。因此，將新建的WHPC平臺(tái)消防用水作為旅大10-1 CEP平臺(tái)消防水系統(tǒng)用戶(hù)之一，繼續(xù)依托CEP消防水系統(tǒng)。鑒于油藏及鉆完井等專(zhuān)業(yè)對(duì)新建WHPC平臺(tái)位置的限定，消防水依托方案確定從旅大10-1WHPA平臺(tái)消防環(huán)網(wǎng)引管線為旅大10-1WHPC平臺(tái)提供消防水源。

經(jīng)核算，旅大10-1 WHPC平臺(tái)最大火區(qū)用水量為下層甲板與工作甲板設(shè)備噴淋量總和，用水量為350 m3/h，所需壓力為900 kPaG，考慮在旅大10-1 WHPC平臺(tái)下層甲板新增一雨淋閥控制該火區(qū)噴淋。平臺(tái)所需水量及壓力并未超出旅大10-1 CEP平臺(tái)消防水系統(tǒng)能力及旅大10-1 WHPA平臺(tái)消防環(huán)網(wǎng)的供給能力。

調(diào)整后各平臺(tái)消防水系統(tǒng)最大火區(qū)用水量、操作壓力及主環(huán)網(wǎng)尺寸見(jiàn)表1。

表1 調(diào)整后油田各平臺(tái)消防水系統(tǒng)主要參數(shù)表

2.2 調(diào)整后消防水系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間校核

旅大10-1 WHPC平臺(tái)新建位置距旅大10-1CEP平臺(tái)較遠(yuǎn)，雖然旅大10-1CEP平臺(tái)消防水系統(tǒng)可以滿(mǎn)足調(diào)整后各用戶(hù)所需水量及壓力，但有必要對(duì)調(diào)整后整個(gè)油田消防水系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行校核。

海上石油平臺(tái)油氣處理設(shè)施高度集中，發(fā)生火情時(shí)，火災(zāi)蔓延速度快，對(duì)平臺(tái)消防水系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求較高。目前國(guó)際上設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)響應(yīng)時(shí)間沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定，如NFPA 15定義響應(yīng)時(shí)間為消防水系統(tǒng)從自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到火災(zāi)至消防水系統(tǒng)的控制閥打開(kāi)的時(shí)間，推薦響應(yīng)時(shí)間是30 s[1]；而DNV海上防火標(biāo)準(zhǔn)(DNV-OS-D301)要求消防水系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在20 s內(nèi)[2]，但這一規(guī)定未明確時(shí)間計(jì)算起點(diǎn)。該文響應(yīng)時(shí)間校核依照目前海洋石油消防水設(shè)計(jì)常采用的NFPA 15標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1 估算系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

消防水系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間可按照式(1)進(jìn)行計(jì)算：

式中：T為消防水系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的總響應(yīng)時(shí)間；T1為探頭探測(cè)火災(zāi)，火氣盤(pán)判斷火災(zāi)并發(fā)出指令啟停各設(shè)備的時(shí)間，一般按照1s考慮；T2為主消防泵失效后啟動(dòng)備用消防泵的延時(shí)時(shí)間或者應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動(dòng)到外輸功率的時(shí)間；T3為管網(wǎng)充水時(shí)間。

調(diào)整后消防水系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間估算主要考慮分析空管實(shí)際充水時(shí)間，并比較系統(tǒng)主環(huán)網(wǎng)的余水排放時(shí)間與WHPC平臺(tái)新增雨淋閥后空管的充水時(shí)間，根據(jù)總體方案，估算雨淋閥后空管管長(zhǎng)約為30m。

表2 管網(wǎng)充水時(shí)間計(jì)算

由式(1)可知，主環(huán)網(wǎng)中余水排放未完成，管網(wǎng)充水完畢，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間T為44s。但該時(shí)間是考慮了主用消防泵失效后啟動(dòng)備用消防泵后系統(tǒng)的最大響應(yīng)時(shí)間，正常工況下，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為29s，滿(mǎn)足NFPA15中30s響應(yīng)時(shí)間要求。

2.2.2 模擬系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

利用國(guó)際通用水力計(jì)算軟件PIPENET模擬調(diào)整后油田系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。在PIPENET軟件TransientModule模塊中，Two-node元件工具主要用來(lái)模擬空管中水位變化規(guī)律，同時(shí)用于模擬消防泵和雨淋閥動(dòng)作之后，雨淋閥的空管充水情況，計(jì)算從雨淋閥開(kāi)啟到最遠(yuǎn)端噴頭噴水所需要的時(shí)間。Two-node元件主要參數(shù)包括管徑、管長(zhǎng)、管內(nèi)初始液位及內(nèi)置的空氣呼吸閥，因此在模擬時(shí)須先進(jìn)行如下設(shè)置：

(1)Two-node元件的尺寸應(yīng)與雨淋閥尺寸一致。由于海上平臺(tái)常用開(kāi)式噴頭與大氣相連，因此，呼吸閥的排放效率為1，設(shè)置為常開(kāi)，管道內(nèi)的初始液位為0。

(2) 消防泵的啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置為10s(NFPA20規(guī)定電動(dòng)消防泵的啟動(dòng)時(shí)間不超過(guò)10s，模擬時(shí)按照保守工況考慮)，在模擬中定義消防泵從1s開(kāi)始啟動(dòng)，在11s時(shí)達(dá)到全速(模擬時(shí)按照系統(tǒng)正常響應(yīng)，不考慮主消防泵失效工況)。

建立簡(jiǎn)化后消防環(huán)網(wǎng)模型如圖3所示，該消防水系統(tǒng)主要由消防泵、穩(wěn)壓泵、主環(huán)網(wǎng)、雨淋閥組成。主環(huán)網(wǎng)管徑及系統(tǒng)穩(wěn)壓壓力分別依照旅大10-1CEP平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)模擬，環(huán)網(wǎng)模型中的雨淋閥2用于模擬WHPC平臺(tái)新建雨淋閥，且該雨淋閥開(kāi)啟時(shí)間設(shè)為5s。用Two-node元件模擬雨淋閥2閥后管線，該閥后管線尺寸設(shè)定為154.3mm，分別模擬閥后30m管線及70m管線時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖3 消防環(huán)網(wǎng)模型

圖4 閥后30 m管線時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間 圖5 閥后70 m管線時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

由以上模擬可知，閥后管線長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間影響較大。閥后管線為30m時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約20s，可滿(mǎn)足規(guī)范要求；但當(dāng)管線增加至70m時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間已超出30s。

上述響應(yīng)時(shí)間估算與軟件模擬的計(jì)算基本一致，主要計(jì)算了雨淋閥后的空管體積。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間估算從實(shí)際工況出發(fā)，分析主用消防泵失效后啟動(dòng)備用消防泵系統(tǒng)最大響應(yīng)時(shí)間。但實(shí)際上，主用消防泵失效概率很小，即使失效，啟動(dòng)備用泵的延時(shí)時(shí)間往往小于15s，估算結(jié)果實(shí)際為最差工況時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。PIPENET軟件與實(shí)際泵特性曲線、管線參數(shù)、閥門(mén)操作等實(shí)際參數(shù)聯(lián)系緊密，模擬實(shí)際運(yùn)行工況，因此軟件主要從正常工況運(yùn)行時(shí)空管液位變化來(lái)模擬響應(yīng)時(shí)間。但從兩者計(jì)算及模擬結(jié)果來(lái)看，在不考慮主消防泵失效的情況下，調(diào)整后油田消防水系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間可以滿(mǎn)足規(guī)范要求。倘若實(shí)際旅大10-1WHPC平臺(tái)新增雨淋閥位置變動(dòng)造成閥后空管體積增大，則系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間會(huì)增加，甚至超過(guò)30s。因此，在后續(xù)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮實(shí)際建造誤差，詳細(xì)分析新增雨淋閥的實(shí)際位置并計(jì)算空管體積，確保系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.3 穩(wěn)壓系統(tǒng)失效分析

旅大10-1 CEP平臺(tái)消防水系統(tǒng)穩(wěn)壓泵CEP-P-6030A/B掛應(yīng)急電源，該泵的啟停依靠穩(wěn)壓罐壓力控制。當(dāng)系統(tǒng)壓力降到520 kPaG時(shí)，穩(wěn)壓罐上的低壓開(kāi)關(guān)啟動(dòng)穩(wěn)壓泵，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)壓；當(dāng)系統(tǒng)壓力升到800 kPaG時(shí)，穩(wěn)壓泵停止補(bǔ)壓。穩(wěn)壓系統(tǒng)的失效，應(yīng)考慮非火災(zāi)工況及火災(zāi)工況。

(1) 非火災(zāi)工況

非火災(zāi)工況主要考慮管網(wǎng)泄露情形。假設(shè)管網(wǎng)發(fā)生小泄露，當(dāng)管網(wǎng)壓力降至520 kPaG時(shí)，穩(wěn)壓泵接收啟泵指令。由于該泵為觸電脈沖信號(hào)啟動(dòng)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)無(wú)法短時(shí)間輸出功率，因此，該泵啟動(dòng)失效，消防管網(wǎng)壓力繼續(xù)下降，導(dǎo)致消防泵誤啟動(dòng)。

(2) 火災(zāi)工況

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)，失火區(qū)域的雨淋閥及軟管站投入工作，消防管網(wǎng)壓力持續(xù)下降，當(dāng)壓力降至520 kPaG時(shí)，穩(wěn)壓泵接收啟泵指令。同樣，應(yīng)急發(fā)電機(jī)無(wú)法短時(shí)間輸出功率，該泵啟動(dòng)失效，消防管網(wǎng)壓力繼續(xù)下降，主消防泵啟動(dòng)。

由以上分析可以看出，只要主電失效，穩(wěn)壓泵雖然掛應(yīng)急電源，不論非火災(zāi)工況還是火災(zāi)工況，穩(wěn)壓系統(tǒng)都是失效的。在火災(zāi)工況下，穩(wěn)壓系統(tǒng)雖對(duì)消防系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有一定的緩沖作用，但由于其流量小，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的滅火功能影響較小，可以不考慮該系統(tǒng)失效。但在非火災(zāi)工況下，穩(wěn)壓系統(tǒng)的失效則將導(dǎo)致消防泵的誤啟動(dòng)。

3 結(jié)論

以往海上石油平臺(tái)消防水設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)消防水系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間考慮較少，隨著海上石油平臺(tái)安全要求日益嚴(yán)格，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注重消防水系統(tǒng)的快速響應(yīng)及系統(tǒng)可靠性。近些年，老油田不斷挖潛增效，調(diào)整項(xiàng)目及擴(kuò)容工程增加，因此，更應(yīng)對(duì)調(diào)整及擴(kuò)容后的油田進(jìn)行全面校核，分析消防水系統(tǒng)，確保油田設(shè)備及人員的安全保護(hù)。

通過(guò)對(duì)旅大10-1油田調(diào)整后消防水系統(tǒng)可靠性校核分析，旅大10-1WHPC平臺(tái)消防水系統(tǒng)依托旅大10-1CEP平臺(tái)的方案是可行的。為確保日后實(shí)際生產(chǎn)中系統(tǒng)的快速響應(yīng)，該文對(duì)后期設(shè)計(jì)及建造階段有如下優(yōu)化建議，也為日后此類(lèi)項(xiàng)目提供借鑒：

(1) 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間估算更適用于工程方案校核?？紤]到閥后管線對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響，在后期設(shè)計(jì)計(jì)算中，安全專(zhuān)業(yè)應(yīng)與配管專(zhuān)業(yè)結(jié)合，按照實(shí)際系統(tǒng)操作及實(shí)際管線布局要求，使用PIPENET軟件詳細(xì)模擬才能更進(jìn)一步精確系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間值。

(2) 優(yōu)化實(shí)際消防系統(tǒng)管線，減少空管體積，進(jìn)而減少管線充水時(shí)間，保證系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(3) 在對(duì)調(diào)整后油田消防水系統(tǒng)整體調(diào)試前，應(yīng)先對(duì)旅大10-1CEP平臺(tái)及WHPA平臺(tái)消防水系統(tǒng)進(jìn)行整體檢查及實(shí)際功能測(cè)試，排除系統(tǒng)潛在隱患。在消防水系統(tǒng)整體調(diào)試期間，應(yīng)使旅大10-1CEP平臺(tái)及WHPA平臺(tái)消防水主環(huán)網(wǎng)盡量充滿(mǎn)水，必要時(shí)需對(duì)穩(wěn)壓系統(tǒng)的啟停壓力進(jìn)行調(diào)整，保證日后管線出水及時(shí)，進(jìn)一步提高響應(yīng)速度。

(4) 穩(wěn)壓系統(tǒng)在非火災(zāi)工況下可采用主電源，避免由于穩(wěn)壓系統(tǒng)失效導(dǎo)致消防泵誤啟動(dòng)，但這需現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后進(jìn)一步確定是否可以改進(jìn)。

[1] NFPA 15. Water Spray Fixed System for Fire Protection[S]. 2007.

[2] DNV-OS-D301. Fire Protection[S]. 2007.

[3] NFPA 20. Standard for the Installation of Stationary Pump for Fire Protection[S]. 2007.

[4] 華斌，陳國(guó)梅，陳艷艷，等.BZ13-1平臺(tái)消防水系統(tǒng)動(dòng)力源可靠性分析[J]. 中國(guó)造船，2009，50(A1)：853-855.

Reliability Analysis of Fire Water System for LD10-1 Oilfield Regulation Projection

WANG Rong1， JIANG Tao2， XU Min3

(1.CNOOC EnerTech Equipment Technology Research & Design Center，Tianjin 300452，China；2.CNOOC Energy Technology & Services-Marketing Services Co.， Ltd, Tianjin 300452，China；3.Engineering Construction Center of Tianjin Branch of CNOOC (China) Ltd，Tianjin 300461，China)

In this development plan, designer confirmed the fire water system after LD10-1 Oilfield Regulation relys on existing fire water system. So, it is necessary to study the reliability analysis of new fire water system for timely response in future. And the optimized design suggestions are afforded for next design stage.

fire water system； reliability analysis；timely response； optimization suggestion

2014-11-06

王 蓉(1982-)，女，高級(jí)工程師。

1001-4500(2015)02-0042-06

TE35

A