海上半潛儲油生產(chǎn)平臺安全消防系統(tǒng)設(shè)計

李艷華， 許曉麗， 覃柳莎， 蔣薇

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

陵水17－2 氣田是國內(nèi)首個自營深水氣田， 水深大約為1 400～1 500 m， 采用世界首例帶儲油功能的半潛生產(chǎn)平臺進行開發(fā)。 平臺由上部生產(chǎn)模塊和船體組成， 上部模塊重約2 萬t， 船體重約3 萬t。 平臺具備油氣處理和凝析油儲存功能， 工藝流程完備， 設(shè)備種類和數(shù)量多。 受浮式裝置穩(wěn)性要求限制， 上部生產(chǎn)模塊由傳統(tǒng)生產(chǎn)平臺的3 層甲板調(diào)整為2 層甲板， 設(shè)備布置高度集中， 火災(zāi)爆炸風(fēng)險高。 本文在總結(jié)陵水17－2 平臺安全消防系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上， 分析了半潛平臺的安全設(shè)計與傳統(tǒng)固定平臺的不同之處， 為類似平臺的設(shè)計提供參考。

1 陵水17－2 平臺簡介

1.1 平臺主要工藝流程簡介

陵水17－2 平臺是一個中心處理平臺， 工藝流程包括凝析油、 天然氣處理以及乙二醇再生。 深水井口物流通過立管登平臺后進入平臺上的段塞流捕集器進行氣液分離。 分離出來的天然氣經(jīng)過濕氣壓縮機增壓（投產(chǎn)初期天然氣壓力較高， 不需要增壓）后依次進行天然氣脫水、 烴露點控制和干氣增壓后， 進入平臺的外輸海底管道。 段塞流液相通過三級油水分離穩(wěn)定后， 含水率合格的凝析油進入半潛平臺船體立柱內(nèi)的凝析油艙儲存， 通過半潛平臺上的凝析油外輸系統(tǒng)定期外輸。 油水分離器分離出來的閃蒸氣進入閃蒸氣回收壓縮機增壓后作為平臺的燃料氣。 分離器分離出來的富乙二醇進入回收系統(tǒng)， 回收水中的乙二醇后達標排放。 回收的乙二醇進入儲存艙， 通過臍帶纜回注水下生產(chǎn)系統(tǒng)。

1.2 平臺總體布置簡介

陵水17－2 半潛平臺由船體和上部組塊兩部分組成。 船體是柱穩(wěn)式浮式裝置， 由4 個立柱和4 個浮筒組成。 浮筒內(nèi)部是壓載海水艙室， 立柱內(nèi)部設(shè)置了壓載海水艙室、 凝析油儲存艙室、 柴油艙室、乙二醇儲存艙室以及相應(yīng)的機械設(shè)備房間、 電氣儀表設(shè)備房間、 樓梯間等。 上部組塊是主要的工藝公用設(shè)備、 中控室、 電氣房間以及生活樓等設(shè)施。 上部組塊由2 層甲板組成， 每層甲板長91.5 m， 寬49.0 m。 上層甲板西北方位布置有凝析油外輸軟管，西南方位布置有乙二醇回收單元。 在乙二醇回收單元的西側(cè)布置有備用救生艇， 備用救生艇與乙二醇回收單元采用防火防爆墻進行隔離。 上層甲板東側(cè)是生活樓和主救生艇。 生活樓與乙二醇和外輸軟管站之間布置有濕氣壓縮機、 干氣壓縮機以及主電站。 下層甲板布置的是工藝處理相關(guān)設(shè)備， 下層甲板的東側(cè)布置有平臺的中控室以及電氣儀表房間，房間與工藝設(shè)備之間采用防火防爆墻進行隔離。

1.3 半潛平臺的特點分析

從安全消防的角度分析， 陵水17－2 半潛平臺具有如下特點： ①平臺工藝處理流程包括了完整的凝析油處理， 天然氣脫水、 壓縮， 乙二醇回收， 凝析油外輸?shù)雀黝惞に嚵鞒蹋?工藝設(shè)備類型和數(shù)量多。②由于浮式平臺穩(wěn)性和重量控制的要求， 平臺比傳統(tǒng)的中心平臺少一層甲板， 設(shè)備布置高度集中， 發(fā)生火災(zāi)后， 傳播速度快， 影響范圍大。 ③與傳統(tǒng)的導(dǎo)管架平臺不同， 船體4 個立柱內(nèi)儲存凝析油，立柱頂部布置有凝析油外輸和儲存的相關(guān)管匯和設(shè)備， 立柱頂部是潛在的火災(zāi)爆炸風(fēng)險源， 生活樓和集合區(qū)距離立柱頂部距離較近， 且無法在總體布置上避免。 ④上層甲板西側(cè)設(shè)置有備用的救生艇和集合區(qū)， 該區(qū)域距離平臺火炬和乙二醇回收裝置較近， 存在熱輻射超標和受工藝區(qū)火災(zāi)影響的問題。⑤平臺吊機操作可能產(chǎn)生的落物撞擊對船體的浮筒以及浮筒上的立管影響較大。 ⑥外輸油輪或者生活支持船潛在的撞船風(fēng)險， 可能導(dǎo)致船體立柱破艙， 船體失穩(wěn)。

2 平臺安全分析

陵水17－2 項目作為國內(nèi)首個自營深水和世界首例帶儲油功能的半潛平臺， 風(fēng)險識別和管理是安全設(shè)計重要工作內(nèi)容之一。 陵水17－2 項目開展了全面、 系統(tǒng)的風(fēng)險分析， 主要包括如下11 項： 風(fēng)險識別分析， 危險和可操作性分析， 安全儀表完整性分析， 定量火災(zāi)分析， 爆炸概率和后果分析， 落物風(fēng)險分析， 撞船風(fēng)險分析， 逃生救生和撤離風(fēng)險分析， 可燃氣體擴散分析， 失效模式和影響分析以及定量風(fēng)險分析。

這11 項安全分析涵蓋了國際海上油氣田開發(fā)主流的安全分析內(nèi)容， 采用半定量和定量風(fēng)險分析技術(shù)［1］對設(shè)計階段的風(fēng)險進行識別。 對設(shè)計階段已有的風(fēng)險防范和風(fēng)險控制措施的充分性和可靠性進行評估， 對需要進一步采取措施降低后果和頻率的風(fēng)險進行重點跟蹤， 在設(shè)計中進行落實。 通過11 項安全分析， 共產(chǎn)生了327 條優(yōu)化建議措施， 有效減少了設(shè)計中的缺陷， 提升了平臺的安全水平。

陵水17－2 半潛平臺在某些設(shè)計方案上沒有可以借鑒的設(shè)計經(jīng)驗和參考的標準規(guī)范。 安全分析可以在基于行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提供定量的概率計算和后果模擬， 為方案設(shè)計提供科學(xué)的參考依據(jù)。安全分析為平臺防落物保護架設(shè)計方案， 船體防撞保護裝置， 第二集合區(qū)熱輻射超標解決方案， 平臺臨時避難所庇護時長， 平臺結(jié)構(gòu)， 管線的被動防火方案設(shè)計， 硫化氫氣體探頭優(yōu)化布置等多個設(shè)計方案提供了決策和設(shè)計依據(jù)。

3 平臺主動消防系統(tǒng)設(shè)計

平臺主動消防系統(tǒng)的設(shè)計原則是一次只考慮一次事故， 在消防系統(tǒng)設(shè)計合理的前提下， 火勢不會從一個火區(qū)蔓延到另外一個火區(qū)。 船體和上部組塊主動消防系統(tǒng)作為整體， 相互協(xié)同和配合。依據(jù)平臺的火災(zāi)風(fēng)險分析結(jié)果和相關(guān)標準規(guī)范的要求［2－5］， 陵水17－2 半潛平臺配置的主動消防系統(tǒng)包括： ①消防水系統(tǒng)； ②固定氣體滅火系統(tǒng)； ③固定泡沫滅火系統(tǒng)； ④濕粉滅火系統(tǒng)； ⑤滅火器。

3.1 消防水系統(tǒng)設(shè)計

消防水系統(tǒng)由自動噴水系統(tǒng)和手動消防水系統(tǒng)兩部分組成。 自動噴水系統(tǒng)采用室外開式噴頭系統(tǒng)， 保護對象是上層甲板和生產(chǎn)甲板的工藝設(shè)備，該系統(tǒng)的作用是冷卻設(shè)備， 控制火勢的蔓延， 為采取其他的滅火措施爭取時間［6-8］。 手動消防水系統(tǒng)包括平臺生產(chǎn)區(qū)的消防軟管站， 生活樓內(nèi)的消防栓以及船體內(nèi)的消防栓。 軟管站和消防栓的布置原則是對于保護區(qū)域內(nèi)任何可能發(fā)生火災(zāi)的位置， 均有兩股來自不同軟管站或者消防栓的水流可以進行保護［3－4］。 消防水系統(tǒng)的組成以及各設(shè)備的主要設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

3.2 固定氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計

氣體滅火系統(tǒng)采用的是組合分配式的固定七氟丙烷滅火系統(tǒng)， 保護平臺上可能存在電氣火災(zāi)的房間。 氣體滅火系統(tǒng)采用手動控制模式［4］， 系統(tǒng)啟動后有30 s 的延遲， 保障各房間內(nèi)的人員有足夠的時間撤離［9］。 各系統(tǒng)滅火藥劑均采用100% 備用。平臺上七氟丙烷滅火系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)見表2 所示。

表2 七氟丙烷滅火系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)Tab. 2 Design parameters of heptafluoropropane firefighting system

3.3 固定泡沫滅火系統(tǒng)

固定泡沫滅火系統(tǒng)保護平臺上的直升機甲板和船體立柱凝析油艙頂部甲板， 平臺上的凝析油外輸站配置2 臺泡沫炮進行保護。 泡沫滅火系統(tǒng)采用低倍泡沫， 3% 的混合比， 泡沫混合液的噴淋強度為6 L／（min·m2）， 持續(xù)噴淋時間為直升機甲板10 min， 立柱凝析油艙頂20 min［3－4］。 泡沫滅火系統(tǒng)采用手動控制。 船體立柱頂部各設(shè)置一柄泡沫槍作為泡沫炮的補充， 泡沫槍噴射流量為25 m3／h， 噴射持續(xù)時間為20 min［4］。 固定泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)見表3。

表1 消防水系統(tǒng)組成和主要設(shè)計參數(shù)Tab. 1 Components and main design parameters of firefighting water system

表3 固定泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)Tab. 3 Design parameters of fixed foam firefighting system

3.4 濕粉滅火系統(tǒng)設(shè)計

濕粉滅火系統(tǒng)用于對廚房的油脂類火災(zāi)進行滅火。 保護對象包括廚房內(nèi)的煙道、 集氣罩以及各類烹飪設(shè)備。 啟動方式包括手動和自動2 種。 自動方式利用設(shè)置在保護對象上方的熱敏元件啟動， 熱敏元件設(shè)定啟動點是為162 ℃。 手動方式是廚房門口的手動啟動按鈕。 濕粉儲存量采用100%的備用。

3.5 平臺滅火器配置

陵水17-2 半潛平臺上可能存在的火災(zāi)類型有A類、 B 類和C 類火災(zāi)。 根據(jù)不同區(qū)域可能存在火災(zāi)類型， 選擇不同滅火器。 滅火器的位置和數(shù)量保證平臺上人員能到達的任何一點到滅火器的步行距離不超過10 m［2］。 平臺滅火器的類型和數(shù)量見表4。

表4 陵水17-2 半潛平臺滅火器布置Tab. 4 Fire extinguisher layout on Lingshui 17-2 semi-submersible production platform

4 平臺被動防火設(shè)計

被動防火系統(tǒng)是平臺安全設(shè)計的重要組成部分， 其主要作用是在火災(zāi)爆炸發(fā)生時保護平臺上的安全關(guān)鍵設(shè)備， 限制火災(zāi)爆炸事故的擴散范圍， 為人員施救、 撤離等爭取足夠的時間。 陵水17－2 半潛平臺上的被動防火系統(tǒng)包括防火防爆墻、 防火油漆以及防火夾克3 類。 平臺上的防火防爆墻布置見圖1。

圖1 防火防爆墻布置Fig. 1 Layout of fire-proof and blast wall

防火防爆墻的主要作用是保護平臺上的工作人員。 在平臺主甲板的西側(cè)救生艇和第二集合區(qū)附近設(shè)置了防火墻， 該防火墻可以承受烴類物質(zhì)火災(zāi)60 min（即H60 防火墻）， 根據(jù)平臺火災(zāi)爆炸分析結(jié)果確定該防火墻的防爆壓力為0.01 MPa。 主甲板東側(cè)的生活樓， 除面向大海的一側(cè)之外， 其余各側(cè)面整體采用H60 的防火墻和0.15 MPa 的防爆墻進行保護。 生產(chǎn)甲板和夾層甲板的電氣房間、 中控室等房間， 采用H60 防火墻與工藝區(qū)進行分隔， 根據(jù)火災(zāi)爆炸分析結(jié)果， 該防火墻采用0.01 MPa 防爆壓力等級。

防火油漆的作用是當發(fā)生火災(zāi)后保護重要的結(jié)構(gòu)和設(shè)備， 避免結(jié)構(gòu)失效或者設(shè)備管線失效釋放更多的燃料， 導(dǎo)致事故進一步的惡化［1］。 陵水17－2平臺被動防火油漆的保護對象包括： 主要鋼結(jié)構(gòu)，受火災(zāi)影響的工藝設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)， 受火災(zāi)影響的工藝設(shè)備的放空管線， 工藝設(shè)備進出口關(guān)斷閥門之間的工藝管線， 平臺立管到平臺段塞流捕集器之間的管線， 火炬臂根部。 根據(jù)項目火災(zāi)爆炸分析的結(jié)果， 全平臺防火油漆的涂刷面積約超過10 000 m2，防火油漆規(guī)格包括J15、 J30 兩種類型。

采用防火夾克的主要考慮因素是在日常操作和檢修的時候可以不破壞被動防火保護層。 平臺上防火夾克保護對象包括緊急關(guān)斷閥和部分鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點。 與常規(guī)固定平臺鋼結(jié)構(gòu)采用防火油漆保護不同， 浮式平臺上部組塊鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點要進行定期的疲勞檢測， 采用被動防火油漆影響鋼結(jié)構(gòu)定期的檢測。 根據(jù)火災(zāi)爆炸分析結(jié)論， 共有42 臺關(guān)斷閥和12 處鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點需要采用防火夾克進行保護， 防火夾克規(guī)格包括J15、 J30 和J60 三種類型。

5 平臺個人防護系統(tǒng)和設(shè)備

個人防護系統(tǒng)和設(shè)備的作用是發(fā)生緊急情況時為人員提供庇護和防護。 陵水17－2 平臺上的個人防護系統(tǒng)和設(shè)備包括臨時避難所、 硫化氫氣體防護設(shè)備以及個人緊急逃生設(shè)備。 臨時避難所設(shè)置在生活樓1 樓， 利用生活樓的防火防爆墻提供保護［10］。臨時避難所的面積保證每人實用面積為1.5 m2， 能夠為人員提供60 min 的庇護。 臨時避難所內(nèi)設(shè)置壓縮空氣瓶組提供空氣， 空氣供給量為1 400 L／（h·人）。 工藝系統(tǒng)內(nèi)還有低濃度的硫化氫氣體， 但是由于工藝流程的富集作用， 部分設(shè)備內(nèi)的硫化氫質(zhì)量濃度可能達到1 300 mg／L， 超過了硫化氫氣體對人體有害的質(zhì)量濃度（100 mg／L）， 因此平臺上設(shè)置了應(yīng)急逃生呼吸器和正壓式空氣呼吸器。 應(yīng)急逃生呼吸器按照平臺定員每人1 個， 支持時間為15 min。 根據(jù)硫化氫氣體擴散分析的結(jié)論， 按照平臺上硫化氫氣體濃度的分布， 在工藝設(shè)備區(qū)域設(shè)置16個正壓式空氣呼吸器， 支持時間30 min［11］。 平臺上設(shè)置專用空氣壓縮機為呼吸器充氣。 個人逃生設(shè)備按照平臺定員配置， 每套設(shè)備包括手電筒、 手套和呼吸面罩， 用于火災(zāi)情況下人員逃生的自我防護。

6 結(jié)語

海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的安全設(shè)計是一個包括風(fēng)險識別、 危害等級劃分、 系統(tǒng)設(shè)計、 個人防護系統(tǒng)配置等多個過程和階段的系統(tǒng)工程。 陵水17－2 半潛平臺作為國內(nèi)首個半潛生產(chǎn)平臺， 同時也是世界首例帶凝析油儲存功能的半潛生產(chǎn)平臺， 在安全設(shè)計階段加強風(fēng)險識別和危害等級劃分， 重點識別本項目風(fēng)險與常規(guī)項目的不同之處并采取針對性的保護措施， 這是本項目安全設(shè)計的主要思路。 在安全系統(tǒng)上， 在海上平臺上首次采用了臨時避難所和空氣供給系統(tǒng)為人員提供庇護； 將船型浮式結(jié)構(gòu)的甲板泡沫滅火系統(tǒng)進行改進后使用到本項目。 將基于風(fēng)險的評判規(guī)則引入本項目的安全設(shè)計， 為解決沒有規(guī)范標準和業(yè)界經(jīng)驗參考的問題提供了科學(xué)的依據(jù)。 在最低合理可行的原則上， 平衡安全和技術(shù)經(jīng)濟成本， 在經(jīng)濟可行的前提下， 最大限度地提升平臺的整體安全水平。