海上平臺(tái)消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

許曉麗，毛偉志，蔡 濤，楊偉欣，孟繁星

(海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計(jì)院，天津 300451)

0 引 言

從2014年下半年以來，原油市場(chǎng)嚴(yán)重供大于求，國(guó)際原油價(jià)格出現(xiàn)斷崖式下跌，從112美元/桶，最低跌至26美元/桶。從2015年至今，全球油氣價(jià)格持續(xù)低迷。面對(duì)困難局面，如何更加有效地降本增效，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，將成為克服目前困境的關(guān)鍵。消防水系統(tǒng)作為保護(hù)平臺(tái)生產(chǎn)及人員、設(shè)備安全的重要組成部分，在保證其功能效果并滿足規(guī)范要求的前提下，如何進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化以降低成本就顯得尤其重要。

1 消防水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 消防水系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)

海上平臺(tái)消防水系統(tǒng)主要由消防泵、消防水過濾器、消防主環(huán)網(wǎng)、穩(wěn)壓設(shè)施、噴淋系統(tǒng)、消防軟管站和國(guó)際通岸接頭等組成[1]。

1.1.1 消防泵

為保證消防系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，消防泵應(yīng)考慮100%備用，且應(yīng)由兩種相互獨(dú)立的動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)[2]。為防止海生物在泵吸入口聚集，堵塞泵吸入口，需在泵吸入口加設(shè)防海生物裝置。

1.1.2 消防水過濾器

消防水過濾器是為了過濾海水中的泥沙、顆粒物、雜質(zhì)等物質(zhì)，從而保證消防水噴頭不被堵塞。

1.1.3 消防主環(huán)網(wǎng)

消防主環(huán)網(wǎng)通常設(shè)計(jì)成環(huán)路，消防水可從兩路向同一區(qū)域供水，并且在主環(huán)網(wǎng)上設(shè)置多個(gè)隔離閥進(jìn)行隔離，從而確保一個(gè)消防區(qū)域內(nèi)的消防設(shè)施不同時(shí)失效。

另外，在主環(huán)網(wǎng)上應(yīng)至少配置1個(gè)符合《國(guó)際海上人命安全公約》規(guī)定的國(guó)際通岸接頭，接頭的位置應(yīng)方便與救援船連接[3]。

1.1.4 穩(wěn)壓設(shè)施

穩(wěn)壓設(shè)施是維持消防主環(huán)網(wǎng)壓力的裝置，以達(dá)到整個(gè)消防水系統(tǒng)可快速響應(yīng)的目的。

1.1.5 噴淋系統(tǒng)

噴淋系統(tǒng)主要由雨淋閥、消防管線和噴頭組成。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)保證能從主環(huán)網(wǎng)上的2個(gè)隔斷向雨淋閥供水。

1.1.6 消防軟管站

消防軟管站包括消防水軟管站和泡沫/消防水軟管站，在700 kPa的操作壓力下，設(shè)計(jì)流量至少為25 m3/h。

1.1.7 國(guó)際通岸接頭

國(guó)際通岸接頭的作用是當(dāng)平臺(tái)上的消防泵不能滿足消防要求時(shí)，或者在平臺(tái)上的消防泵不可用的情況下，借助外來水源協(xié)助平臺(tái)進(jìn)行消防。

1.2 消防水量確定

在確定消防水水量時(shí)，需遵循以下原則：

(1) 僅考慮1次1個(gè)火區(qū)發(fā)生火災(zāi)，不考慮多處區(qū)域同時(shí)發(fā)生火災(zāi)的情況。

(2) 消防水量由被保護(hù)火區(qū)所需噴淋水量加上2個(gè)消防軟管站所需水量確定。消防泵排量由最大火區(qū)所需消防水量加上2個(gè)消防軟管站所需水量確定[4]。

(3) 對(duì)于保護(hù)設(shè)備的噴淋面積確定，工藝罐類應(yīng)為全面積，其他泵及壓縮機(jī)類設(shè)備采用投影面積[5]。

水噴淋強(qiáng)度根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]選取，不同設(shè)備所需的最小噴淋強(qiáng)度如表1所示。

表1 典型設(shè)備最小噴淋強(qiáng)度 L/(min·m2)

2 消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)分析

消防水系統(tǒng)的規(guī)模(包括設(shè)備尺寸)是根據(jù)消防水量確定的，因此消防水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)際上就是消防水量的設(shè)計(jì)優(yōu)化，其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 消防泵排量?jī)?yōu)化

以國(guó)內(nèi)某平臺(tái)實(shí)際工程為例，根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算得到的消防水量如表2所示。

表2 優(yōu)化前各火區(qū)所需消防水量 m3/h

由表2可知，平臺(tái)的最大火區(qū)為中層甲板，所需消防水量為999 m3/h?？紤]到消防泵須100%備用，因此需選用2臺(tái)排量為1 000 m3/h的柴油消防泵。

由于中層甲板的消防水量決定了消防泵排量，因此主要考慮優(yōu)化中層甲板的消防水量，以達(dá)到降低消防泵排量的目的。中層甲板工藝區(qū)的總體布置如圖1所示?？紤]在中層甲板3軸處增加防火墻，將中層甲板火區(qū)分成2個(gè)，如圖2所示。經(jīng)過重新計(jì)算，得到平臺(tái)各火區(qū)所需消防水量如表3所示。

由表3可知，平臺(tái)的最大火區(qū)為中層甲板Ⅰ區(qū)，所需消防水量降為790 m3/h。因此，選用的消防泵排量降為800 m3/h，達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的。

表3 優(yōu)化后各火區(qū)所需消防水量 m3/h

需要注意，增加防火墻后應(yīng)保證中層甲板Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)均充分通風(fēng)，滿足美國(guó)石油學(xué)會(huì)的規(guī)范[6]要求，否則，未充分通風(fēng)區(qū)域的危險(xiǎn)等級(jí)將會(huì)提升，從而需要提升區(qū)域內(nèi)電氣設(shè)備的防爆等級(jí)，往往得不償失。

單位：mm圖1 國(guó)內(nèi)某平臺(tái)中層甲板工藝區(qū)總體布置圖

單位：mm圖2 優(yōu)化后中層甲板工藝區(qū)總體布置圖

根據(jù)規(guī)范要求，實(shí)體墻面積與整個(gè)可能墻面面積比值小于0.5即為充分通風(fēng)區(qū)域[6]。

對(duì)于中層甲板Ⅰ區(qū)，實(shí)體墻面積S1與整個(gè)可能的墻面面積S比值為

(1)

由計(jì)算可得，中層甲板Ⅰ區(qū)為充分通風(fēng)區(qū)域。

對(duì)于中層甲板Ⅱ區(qū)，實(shí)體墻面積S2與整個(gè)可能的墻面面積S′比值為

(2)

由計(jì)算可得，中層甲板Ⅱ區(qū)為充分通風(fēng)區(qū)域。

2.2 消防主環(huán)網(wǎng)及噴淋系統(tǒng)優(yōu)化

在設(shè)計(jì)優(yōu)化前，消防水系統(tǒng)主環(huán)網(wǎng)設(shè)置12個(gè)14英寸(1英寸=0.025 4 m)隔離蝶閥，噴淋系統(tǒng)設(shè)置4個(gè)10英寸雨淋閥(見圖3)，所設(shè)置的隔離閥較多，主要是因?yàn)樵趦?yōu)化前設(shè)計(jì)的雨淋閥較多，每個(gè)雨淋閥的取水管線均設(shè)置單獨(dú)隔離閥。另外，過多的隔離閥布置相對(duì)比較困難，操作也相對(duì)復(fù)雜，配管、維修和維護(hù)的工作量也加大，在一定程度上造成浪費(fèi)。

圖3 優(yōu)化前消防水主環(huán)網(wǎng)管線儀表圖

根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)規(guī)范[7]及美國(guó)消防協(xié)會(huì)規(guī)范[5]對(duì)隔離閥數(shù)量的要求，須設(shè)置足夠的隔離閥，以保證在主環(huán)網(wǎng)上任何一段發(fā)生故障后，該區(qū)域的消防設(shè)施不會(huì)同時(shí)失效。同時(shí)考慮在中層甲板Ⅰ區(qū)設(shè)置12英寸雨淋閥、在中層甲板Ⅱ區(qū)設(shè)置6英寸雨淋閥、在下層甲板設(shè)置12英寸雨淋閥，以代替原有的采用2個(gè)10英寸雨淋閥共同保護(hù)中層甲板及2個(gè)10英寸雨淋閥共同保護(hù)下層甲板的設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)后，主環(huán)網(wǎng)采用6個(gè)12英寸隔離蝶閥(見圖4)，此設(shè)計(jì)優(yōu)化滿足規(guī)范的技術(shù)要求。

圖4 優(yōu)化后消防水主環(huán)網(wǎng)管線儀表圖

3 消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 消防泵排量?jī)?yōu)化經(jīng)濟(jì)效益分析

消防泵配置由原來的2臺(tái)1 000 m3/h柴油消防泵優(yōu)化為2臺(tái)800 m3/h柴油消防泵。根據(jù)目前市場(chǎng)價(jià)格，1 000 m3/h柴油消防泵單價(jià)為600萬(wàn)元，800 m3/h柴油消防泵單價(jià)為480萬(wàn)元，則此優(yōu)化可節(jié)省費(fèi)用約240萬(wàn)元。

3.2 消防主環(huán)網(wǎng)及噴淋系統(tǒng)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益分析

3.2.1 雨淋閥配置方案優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益分析

雨淋閥由4個(gè)10英寸閥優(yōu)化為2個(gè)12英寸閥和1個(gè)6英寸閥。按照目前的市場(chǎng)價(jià)格，12英寸雨淋閥單價(jià)約110萬(wàn)元，10英寸雨淋閥單價(jià)約90萬(wàn)元，6英寸雨淋閥單價(jià)約60萬(wàn)元，則此優(yōu)化可節(jié)省費(fèi)用約80萬(wàn)元。

3.2.2 隔離閥配置方案優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益分析

在主環(huán)網(wǎng)上隔離蝶閥由原來的12個(gè)14英寸蝶閥優(yōu)化為6個(gè)12英寸蝶閥。根據(jù)目前市場(chǎng)價(jià)格，14英寸蝶閥單價(jià)約4萬(wàn)元，12英寸蝶閥單價(jià)約3萬(wàn)元，則此優(yōu)化可節(jié)省費(fèi)用約30萬(wàn)元。

4 結(jié) 論

(1) 對(duì)于海上平臺(tái)消防水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，應(yīng)首先考慮最大火區(qū)消防水量的優(yōu)化，由于最大火區(qū)的消防水量決定消防泵排量，從而決定消防管網(wǎng)的規(guī)模和施工的工作量，因此其經(jīng)濟(jì)效益較高。例如平臺(tái)最大火區(qū)的優(yōu)化帶來了消防泵投資降低、管網(wǎng)尺寸減小、閥門尺寸和數(shù)量?jī)?yōu)化以及施工工作量減少等效益，節(jié)省直接投資350萬(wàn)元。另外，需要注意最大火區(qū)消防水量的優(yōu)化與總體布置密切相關(guān)，在最大火區(qū)增加防火墻使其劃分為2個(gè)獨(dú)立火區(qū)的做法是較為經(jīng)濟(jì)的，但是需要對(duì)充分通風(fēng)性進(jìn)行仔細(xì)核算，從而做出準(zhǔn)確判斷。

(2) 雨淋閥的配置方案相對(duì)比較靈活，例如某火區(qū)所需消防水量為750 m3/h，則可設(shè)計(jì)1個(gè)12英寸雨淋閥進(jìn)行保護(hù)，也可設(shè)計(jì)2個(gè)8英寸雨淋閥同時(shí)進(jìn)行保護(hù)，這就需要設(shè)計(jì)人員事先了解成本，選取較為優(yōu)化的雨淋閥配置方案。

(3) 隔離閥的設(shè)置應(yīng)當(dāng)在符合標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的前提下，優(yōu)化其數(shù)量。