海洋工程消防泵選型計算研究

楊　奧， 鄒世光， 劉子健

(大連中遠船務(wù)工程有限公司， 遼寧 大連 116113)

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海洋工程消防泵選型計算研究

楊奧， 鄒世光， 劉子健

(大連中遠船務(wù)工程有限公司， 遼寧 大連 116113)

摘要通過對某一自升式海洋工程鉆井平臺項目消防泵的計算方法分析，總結(jié)出海工項目消防泵選型相關(guān)的規(guī)范要求和主要影響因素，為海工項目消防系統(tǒng)設(shè)計提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞自升式鉆井平臺海洋工程消防泵計算

0引言

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，人類社會對能源的依賴程度越來越高，世界各國的油氣勘探開發(fā)投向了能源集聚的海洋，其油氣資源儲量占全球資源量的三分之一以上。自升式平臺由于建造技術(shù)容易掌握，能在近海油氣海域較大水深范圍內(nèi)移動，適應(yīng)不同的海底地形地質(zhì)條件，因而得到了普遍的重視和廣泛的應(yīng)用。

自升式鉆井平臺是近海石油和邊際油田開發(fā)的重要設(shè)備,在海洋油氣的開發(fā)勘探中占據(jù)主力軍地位。自升式平臺歷經(jīng)半個多世紀的發(fā)展,在工作水深、抗風(fēng)暴能力、可變載荷、鉆井能力和操作性能等方面取得了長足的進步。此外在邊際油田的勘探開發(fā)中,其移動式平臺的特點也使其相較于其它型式的海洋平臺具有較大的優(yōu)勢。

作為自升式鉆井平臺的關(guān)鍵系統(tǒng)，消防系統(tǒng)由于其系統(tǒng)功能豐富、平臺工況復(fù)雜、適用規(guī)范多、船東要求嚴等因素，一直是平臺項目輪機專業(yè)的設(shè)計難點。作為系統(tǒng)的核心設(shè)備，消防泵的選型設(shè)計更是整個系統(tǒng)的設(shè)計制高點，如何滿足系統(tǒng)需求和船東船檢的設(shè)計理念，且爭取做到有效地設(shè)計優(yōu)化和降低成本，是本文的主要研究方向。本文以大連中遠船務(wù)在建的LETOUNEAU SUPER116E型自升式鉆井平臺(入級ABS，適用ABS MODU2013規(guī)范)為例，展開分析研究。

1消防泵排量選型計算

作為自升式鉆井平臺上消防海水的來源，消防泵的主要作用是供給海水到平臺項目上的消防海水環(huán)管，進而作為全船各處設(shè)置消防栓的消防水、噴射泵的驅(qū)動水、雨淋滅火系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)和其他等消防儲備[1]。本項目采用濕式海水消防系統(tǒng)設(shè)計，即在正常情況下海水環(huán)管始終充滿加壓海水，并通過海水環(huán)管管路上的壓力開關(guān)設(shè)置來控制對應(yīng)消防泵的起停。

1.1規(guī)范要求

1.1.1消防栓滅火排量要求

在ABS MODU(美國船級社海上移動平臺入級規(guī)范)第5-2-2/1.1.5部分對消防泵排量要求的描述中，船級社按船型將消防泵的排量要求細分為兩部分——船型移動平臺和一般要求。自升式鉆井平臺屬于后者，其主消防泵的排量需滿足的規(guī)范如圖1所示。即對自升式鉆井平臺來說，消防泵的排量最低要求需滿足兩股消防栓的消防水量要求。

圖1　ABS MODU 2013對自升式鉆井平臺消防泵的排量規(guī)范要求[2]

1.1.2雨淋滅火系統(tǒng)(鉆臺及井口等區(qū)域保護)的排量選型

根據(jù)ABS MODU Part 5, Ch2, Sec3,1.3.1[2]對鉆井區(qū)域雨淋釋放速率的要求，結(jié)合鉆臺的實際覆蓋面積，得出雨淋滅火系統(tǒng)鉆臺保護區(qū)域的消防海水需求量，如表1所示。

表1　雨淋滅火系統(tǒng)鉆臺保護區(qū)域消防海水需求計算

同理得出井口區(qū)域的消防海水需求量，如表2所示。

表2　井口區(qū)域消防海水需求計算

根據(jù)廠家推薦，得出燃燒臂區(qū)域的消防海水需求量，如表3所示。

表3　燃燒臂區(qū)域消防海水需求計算

同理得出測井區(qū)域的消防海水需求量，如表4所示。

表4　測井區(qū)域消防海水需求計算

綜上所述，雨淋滅火系統(tǒng)的最大用戶來自鉆臺保護區(qū)域，消防水量需求為220.32 m3/h。

1.1.3泡沫滅火系統(tǒng)的排量選型

根據(jù)ABS MODU Part 5, Ch2, Sec3,1.3.2[2]對泥漿處理區(qū)域泡沫釋放速率的要求，結(jié)合對應(yīng)保護區(qū)域?qū)嶋H覆蓋面積，得出泡沫滅火系統(tǒng)泥漿處理保護區(qū)域的消防海水需求量。

根據(jù)Fire Safety Features of the CAA, Chapter 9 - Fire Safety of IMO MODU以及Chapter Heli-port Services of ICAO (Newest Version), CAP437, ABS Rule and Guide for Helideck construction[2]的規(guī)范對直升機平臺區(qū)域泡沫釋放速率的要求，結(jié)合對應(yīng)保護區(qū)域?qū)嶋H覆蓋面積，得出泡沫滅火系統(tǒng)直升機平臺保護區(qū)域的消防海水需求量。

總泡沫液釋放速率:

QT= QD×(NM-1)+ CH×NH = 3 200

消防海水需求量:

W= QT×(1-M) = 3 104l/min

式中：QD為1 200 l/min，廠家推單個消防炮排量; CH為400 l/min,單個泡沫槍排量;NM為3, 消防炮數(shù)量; M為泡沫原液濃度, 3%，根據(jù)CAP 437規(guī)范要求; NH為2, 消防槍數(shù)量。

得出泡沫滅火系統(tǒng)直升機平臺保護區(qū)域的消防海水需求量為Q= W×60/1 000= 186.24 m3/h。

綜上所述，在雨淋和泡沫消防兩工況下的最大海水用戶為鉆臺區(qū)域的雨淋系統(tǒng)(220.32 m3/h)，加上規(guī)范要求的兩消防栓的水量需求，單臺消防泵的海水需求量最小值應(yīng)為220.32+49.8=270.12 m3/h。

由此確定消防泵的排量為280 m3/h。

2消防泵排出壓力選型計算

2.1規(guī)范要求

根據(jù)ABS MODU要求(見圖2)，可以得出消防泵選型的排出壓力要求：即對自升式鉆井平臺來說，壓頭上要保證消防栓的末端出口壓力至少為3.5 bar。

圖2　ABS MODU規(guī)范對消防栓的技術(shù)要求

2.2平臺各工況下消防栓用戶的壓頭核算

根據(jù)管路實際布置如圖3所示，用直管路阻力和局部阻力計算得到吸入管線的阻力損失[3]，如表5所示。

圖3　消防管路布置圖

2.2.1漂浮工況(平臺處于拖航或調(diào)整井位位置時)的吸入管線計算

管線代號：0200-WF-813L0010；

艙內(nèi)最低液位：0 m(距基線)；

消防泵吸口中心高度：2.3 m；

漂浮工況下的船體吃水：5.18 m；

計算得消防泵吸入的靜壓力：2.88 m；

總吸入阻力：0.17 m。

2.2.2升降狀態(tài)(主要存在于平臺定位后平臺處于起升或平臺準備拖移前主船體下降時)的吸入管線計算

管線代號：0200-WF-813L0008；

艙內(nèi)最低液位：0 m(距基線)；

消防泵吸口中心高度： 2.3 m；

艙內(nèi)最低液位：0.05 m；

計算得消防泵吸入的靜壓力：-2.25 m；

總吸入阻力：0.17 m。

2.2.3鉆井狀態(tài)(主要存在于平臺起升后，各設(shè)備系統(tǒng)均處于正常工作時)的吸入管線計算

管線代號：0200-WF-813L0008；

海水壓力環(huán)管壓力：42 m；

消防泵吸入中心高度：2.3 m；

海水環(huán)管高度：6.4 m；

計算得消防泵吸入的靜壓力：46.1 m；

總吸入阻力：0.16 m。

2.2.4漂浮工況(平臺處于拖航或調(diào)整井位位置時)的排出管路計算

根據(jù)管路實際布置，分析其最長最遠的特性，僅需考慮距離消防泵最遠最長一段的管路(直升機平臺消防栓用戶)，用直管路阻力和局部阻力計算得到吸入管線的阻力損失[2]。

管線代號：

0200-WF-813L0013/0100-WF-813L0025/0100-WF-813L0058/0065-WF-813L0060；

直升機甲板消防栓高度:23.77 m；

消防泵排出口中心高度:2.30 m；

消防栓用戶末端需求壓力:35.00 m；

消防泵排出高度差:21.47 m；

總排出阻力:8.97 m。

至此，已得到平臺在三個不同狀態(tài)下的消防泵吸入和排出管線阻、排出末端要求壓力及各段高度差。根據(jù)各工況下的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出消防泵在不同工作狀態(tài)下的必須汽蝕余量和排出壓力，如表6所示。

表6　必須汽蝕余量計算　　　　　　　　　　　　　　　　　單位：m

考慮平臺漂浮狀態(tài)潛水泵無法使用，海水環(huán)管里沒有額定壓力的工況下，如使用大排量的雨淋系統(tǒng)為直升機甲板消防，管路阻力會增加至36.52 m，因此消防泵的最終排出壓頭選擇為110 m。

至此，完成消防泵的參數(shù)選型：排量180 m3/h@壓頭110 m。

2.3平臺各工況下固定水霧滅火用戶的壓頭核算

參考消防栓用戶的計算方法，得到固定水霧滅火(雨淋、泡沫消防)下的壓頭計算結(jié)果，如表7所示。

表7　各工況下固定水霧滅火用戶的排出壓力計算[2]

考慮平臺漂浮狀態(tài)時潛水泵無法使用的情況，在海水環(huán)管里沒有額定壓力的工況下，如使用雨淋系統(tǒng)為直升機甲板消防，需要考慮雨淋系統(tǒng)海水需求量下的管路阻力(36.28-2.56=33.72 m)。因此消防泵的排出阻力在此工況下應(yīng)為56.21+33.72=89.93 m?；诖?，消防泵的最終排出壓頭選擇為110 m。

最終，完成消防泵的參數(shù)選型：排量180 m3/h@壓頭110 m，分布在兩個水密艙室，一臺接入主配電系統(tǒng)，另一臺接入應(yīng)急配電系統(tǒng)。

3結(jié)論

目前上述消防泵的選型計算報告已在大連中遠船務(wù)LETOUNEAU SUPER116E系列的自升式鉆井平臺項目中實際應(yīng)用并通過了船級社、船東的審查。本文根據(jù)實船的設(shè)計情況對海洋工程項目的消防泵計算方法及適用規(guī)范、選型優(yōu)化等方面進行了詳盡闡述和深入研究，最終形成了一套標準的設(shè)計指導(dǎo)性文件。本文可以為其他海洋工程項目的消防泵以及消防系統(tǒng)設(shè)計提供設(shè)計參考和理論支持。

參考文獻

[1]Drilling Engineering. Curtin University of Technology Press[S].2009.

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[3]中國船舶工業(yè)集團公司, 中國船舶重工集團公司, 中國造船工程學(xué)會編著. 船舶設(shè)計實用手冊(第3版)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

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[5]費千，富貴根.船舶輔機(第2版)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2010.

Research on Calculation of Fire Pumps of Offshore Projects

YANG Ao, ZOU Shi-guang, LIU Zi-jian

(Dalian COSCO Shipyard Co.， Ltd., Dalian Liaoning 116113, China)

AbstractBy analyzing calculation of fire pumps for offshore self-elevating jack-up， sum up the relevant requirements and determining factors of the offshore fire pumps. This research could be regarded as a technical reference for the design of fire fighting system.

KeywordsSelf-elevating jack-upOffshore projectFire pumpCalculation

中圖分類號P75

文獻標志碼A

作者簡介：楊奧(1984-)，男，工程師，主要從事常規(guī)船舶及海工項目的輪機專業(yè)設(shè)計與建造技術(shù)研究。