海上變電站高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)分析及應(yīng)用

秦逸涵，徐中亞

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510663）

0 引言

海上油氣平臺(tái)通常采用原油或伴生氣的自備發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)海上獨(dú)立供電。目前，區(qū)域油田聯(lián)合開(kāi)發(fā)規(guī)模越來(lái)越龐大，電力負(fù)荷增加量可觀，機(jī)組進(jìn)口依賴度高。中國(guó)正逐步探索岸電工程，陸上的電能即將通過(guò)復(fù)合光纖海底電纜輸送至海上變電站平臺(tái)，經(jīng)機(jī)組降壓后供應(yīng)電能給各生產(chǎn)平臺(tái)。此舉在擺脫發(fā)電機(jī)組進(jìn)口依賴的同時(shí)可有效降低海上自發(fā)電帶來(lái)的二氧化氮或氮氧化物的排放［1］。

海上變電站作為岸電工程中的中央樞紐設(shè)施，是集電氣一次設(shè)備和電氣二次設(shè)備及相關(guān)附屬設(shè)備于一體的供電平臺(tái)，與城市戶內(nèi)變電站相比，其電氣系統(tǒng)組成和功能布置基本相同。但海上無(wú)人的電力平臺(tái)具有設(shè)備密集度高、安全疏散不如陸地便利，人工運(yùn)維成本高的特點(diǎn)，存在火災(zāi)危險(xiǎn)較高、外部救援能力低、人工撲救不及時(shí)、一旦失火損失范圍廣的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)海上岸電技術(shù)逐步興起，研究海上變電站滅火設(shè)施可行性并確定合理的技術(shù)參數(shù)和應(yīng)用方法具有重要意義。

1 海上變電站高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)適應(yīng)性分析

1.1 多種滅火介質(zhì)適應(yīng)性比較

海上變電站為全平臺(tái)電氣房間，電氣類火災(zāi)滅火介質(zhì)的選擇多以氣體、水霧或泡沫介質(zhì)為主［2-3］。相比泡沫滅火介質(zhì)，氣體和水霧介質(zhì)的適用范圍和普遍性更有優(yōu)勢(shì)。氣體介質(zhì)主要有七氟丙烷、IG541 和CO2，水霧介質(zhì)主要有水噴霧和高壓細(xì)水霧。針對(duì)海上變電站平臺(tái)建設(shè)方案、作業(yè)條件及火災(zāi)特點(diǎn)，幾種滅火介質(zhì)特點(diǎn)在海上變電站適應(yīng)性如表1所示。

由表1 可知，二氧化碳系統(tǒng)因瓶組數(shù)過(guò)多且有致命的風(fēng)險(xiǎn)，不推薦采用；水噴霧因僅適合用于變壓器室、高抗器室等少數(shù)房間，不推薦采用；IG541 與七氟丙烷在相同保護(hù)對(duì)象條件下，瓶組數(shù)較多，因此考慮七氟丙烷和高壓細(xì)水霧作為可選滅火介質(zhì)［7］。

表1 幾種滅火介質(zhì)特點(diǎn)在海上變電站適應(yīng)性分析Tab.1 Adaptability analysis of several fire extinguishing media in offshore substation

1.2 七氟丙烷與高壓細(xì)水霧方案比選

根據(jù)前述分析，海上變電站消防系統(tǒng)分為兩套推薦方案。方案一：平臺(tái)全部采用泵組式高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)；方案二：變壓器室、高壓電抗器室、GIS 室以及非電氣設(shè)備間均采用泵組式高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，電氣二次房間采用多套組合分配式七氟丙烷滅火系統(tǒng)。

以某海上變電站平臺(tái)為例，平臺(tái)共設(shè)4 層甲板，每層甲板面積931.5 m2，最下層是工作層甲板，主要為海纜進(jìn)出線和輔助設(shè)備間，下層和中層甲板集中設(shè)有油浸式主變壓器室、高壓電抗器室、GIS室、配電室、電池室、繼電器室、接地變室等電氣房間，以及直升機(jī)接待室、暖通設(shè)備間、消防設(shè)備間等輔助用房。上層甲板主要為設(shè)備吊裝口和風(fēng)機(jī)等。水源由棧橋連接的依托平臺(tái)提供。變電站各房間基本信息如表2所示。

表2 變電站房間基本信息Tab.2 Basic information of substation room

方案一根據(jù)面積法初步計(jì)算高壓細(xì)水霧設(shè)計(jì)流量為522 L/min。方案二在方案一的基礎(chǔ)上增加七氟丙烷系統(tǒng)設(shè)置，分為兩組并分別在平臺(tái)下層甲板的兩側(cè)各設(shè)一個(gè)房間。兩個(gè)方案的滅火系統(tǒng)投入情況及對(duì)比如表3所示。

表3 自動(dòng)滅火系統(tǒng)方案對(duì)比Tab.3 Scheme comparison of automatic fire extinguishing system

根據(jù)以上分析，方案一具有一定優(yōu)勢(shì)。

1.3 電氣二次設(shè)備用電安全分析

電氣二次設(shè)備間均設(shè)有電氣二次屏柜。海上變電站目前所采用的二次屏柜為IP42等級(jí)?；谀壳皣?guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，開(kāi)關(guān)柜、配電柜、控制面板等多以300 s 時(shí)間內(nèi)帶電運(yùn)行的可行性驗(yàn)證結(jié)果［8-9］。但國(guó)內(nèi)外規(guī)范中要求海上該類電氣設(shè)備的持續(xù)噴霧時(shí)間為30 min，若由于一些極端因素持續(xù)噴霧時(shí)間達(dá)到20 min以上，根據(jù)研究結(jié)果，屏柜及設(shè)備耐水漬能力尚不明確或系統(tǒng)可靠性將降低。變電站平臺(tái)設(shè)計(jì)油田群范圍廣，這將可能帶來(lái)海上大面積失電停產(chǎn)的損失風(fēng)險(xiǎn)，可恢復(fù)供電的時(shí)間也暫無(wú)法論證。若提高屏柜IP等級(jí)，又將對(duì)設(shè)備散熱造成較大影響?？紤]這種情況，從運(yùn)維安全角度出發(fā)建議采用電氣二次房間采用七氟丙烷系統(tǒng)。

2 海上變電站高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)型式的確定

海上變電站平臺(tái)僅有維護(hù)人員定期停留，外部救援能力低，短時(shí)間靠自動(dòng)滅火系統(tǒng)控制火情更為現(xiàn)實(shí)，系統(tǒng)型式采用開(kāi)式系統(tǒng)每個(gè)房間應(yīng)能夠獨(dú)立保護(hù)、獨(dú)立控制更為合理。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB 50898—2013）［10］對(duì)開(kāi)式系統(tǒng)防護(hù)區(qū)數(shù)量不超過(guò)3 個(gè)。若考慮防護(hù)區(qū)數(shù)量限制，將分區(qū)閥控制多個(gè)房間，擴(kuò)大了本無(wú)火情的影響范圍，不具經(jīng)濟(jì)性。若在每層甲板設(shè)置防護(hù)區(qū)閥門，該閥門又控制本層甲板多個(gè)分區(qū)閥，增加了系統(tǒng)控制上的復(fù)雜性或可帶來(lái)時(shí)間上的延誤［11］。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)并未有對(duì)應(yīng)的這個(gè)要求。對(duì)于船舶的細(xì)水霧設(shè)計(jì)以及海上風(fēng)電系統(tǒng)的海上升壓站的設(shè)計(jì)中，均為泵組后接至每個(gè)防護(hù)區(qū)的控制閥門，由控制閥門獨(dú)立控制所負(fù)責(zé)的區(qū)域。參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)電工程應(yīng)用案例［12］，海上變電站平臺(tái)采用每個(gè)房間為獨(dú)立防護(hù)區(qū)，每個(gè)不超過(guò)3 000 m3的防護(hù)區(qū)由分區(qū)閥獨(dú)立控制。

2.2 計(jì)算方法的確定與應(yīng)用

2.2.1 噴霧強(qiáng)度的確定

海上平臺(tái)消防系統(tǒng)通常采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、NFPA標(biāo)準(zhǔn)、API 標(biāo)準(zhǔn)等作為設(shè)計(jì)依據(jù)。上述標(biāo)準(zhǔn)中僅國(guó)標(biāo)作了較為明確規(guī)定。但國(guó)標(biāo)使用的局限在于，一方面對(duì)于不同系統(tǒng)型式下的不同應(yīng)用場(chǎng)所、不同安裝高度對(duì)應(yīng)的噴霧強(qiáng)度的選擇上存在一定局限，只能采用類比原則確定各房間最低噴霧強(qiáng)度。另一方面沒(méi)有對(duì)局部應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行指導(dǎo)。

對(duì)于高壓細(xì)水霧系統(tǒng)計(jì)算，滿足平均噴霧強(qiáng)度是基本要求之一。局部應(yīng)用系統(tǒng)直接套用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50898—2013 中表3.4.4 的1.2 L/（min·m2）將缺乏依據(jù)。為此筆者進(jìn)一步查找地方標(biāo)準(zhǔn)［13-14］，取值在1.3～1.5 L/（min·m2），但地方標(biāo)準(zhǔn)不具有執(zhí)行效力。國(guó)際上，海上平臺(tái)采用高壓細(xì)水霧的油浸設(shè)備場(chǎng)所且房間高度達(dá)到10 m 的房間可僅采用全淹沒(méi)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備保護(hù)的效果，由此選用具有中國(guó)船級(jí)社認(rèn)證的國(guó)外產(chǎn)品對(duì)變壓器室進(jìn)行試算：噴頭安裝高度10 m，最大布置間距4 m，噴頭工作壓力50～100 bar，計(jì)算所得噴霧強(qiáng)度為1.3～1.9 L/（min·m2）。綜合以上分析，海上變電站局部應(yīng)用噴霧強(qiáng)度按不低于1.5 L/（min·m2）考慮。

2.2.2 計(jì)算方法的確定

變電站平臺(tái)，變壓器室、高抗器室和GIS 是最大的三處防護(hù)區(qū)。其中變壓器、高抗器這兩種含油設(shè)備體型不規(guī)整，優(yōu)先考慮采用開(kāi)式局部應(yīng)用噴頭保護(hù)；GIS 設(shè)備體型雖較大，因其表面材質(zhì)為六氟化硫絕緣材質(zhì)并配置耐火A 級(jí)絕緣電纜，GIS 室采用開(kāi)式全淹沒(méi)噴頭保護(hù)。

按國(guó)標(biāo)給出的平均噴霧強(qiáng)度的面積計(jì)算法，初步計(jì)算可知GIS 室所需流量大于主變室。而噴頭的實(shí)際出流量往往會(huì)比面積法計(jì)算值偏大，原因是滿足噴霧強(qiáng)度的要求時(shí)，需對(duì)實(shí)際噴頭出流系數(shù)進(jìn)行校正，因此采用特性系數(shù)法計(jì)算設(shè)計(jì)流量更接近實(shí)際出流水平。

2.2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量的應(yīng)用案例

項(xiàng)目概況如1.2 節(jié)所述。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量由變壓器和GIS的計(jì)算來(lái)決定。

1）油浸變壓器室

變壓器室采取對(duì)設(shè)備局部應(yīng)用保護(hù)，分層布置，設(shè)備部位包括變壓器本體及油坑、油枕、散熱器及連接的油管。根據(jù)設(shè)備外形尺寸確定噴頭數(shù)量，計(jì)算單個(gè)噴頭流量后確定滿足噴霧強(qiáng)度所需的K值。如變壓器本體及油坑包絡(luò)面積122.2 m2，共布置36 個(gè)噴頭，噴霧強(qiáng)度1.5 L/（min·m2），計(jì)算單個(gè)噴頭流量為5.1 L/min（即K=0.51），根據(jù)產(chǎn)品類型選用K=0.7 型噴頭。同樣方法散熱器選用K=0.5型噴頭。但考慮散熱器處于房間外，易受對(duì)流氣流干擾，增加擋風(fēng)設(shè)施又對(duì)設(shè)備散熱產(chǎn)生較大干擾，綜合考慮散熱器實(shí)際按K=1.0 選取。當(dāng)遇惡劣天氣時(shí)，由工作人員加強(qiáng)監(jiān)視，及早采用水/泡沫兩用消防軟管站及移動(dòng)式滅火器加以人工輔助滅火。特性系數(shù)法計(jì)算變壓器及其散熱器所需設(shè)計(jì)流量651.2 L/min。

2）GIS室

GIS 是由斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、互感器、避雷器、母線等組成的電氣一次開(kāi)關(guān)設(shè)備。這些設(shè)備及部件封閉在金屬接地外殼中，內(nèi)部充有六氟化硫絕緣氣體。由于組件較多、體型龐大，因此需要放置在一個(gè)較大空間內(nèi)。如前所述，GIS 室房間面積396 m2，高度10 m，體積大于3 000 m3。

（1）國(guó)內(nèi)做法

根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，將超過(guò)3 000 m3的防護(hù)區(qū)分為多個(gè)防護(hù)分區(qū)。此處若分為2 個(gè)分區(qū)，當(dāng)火情出現(xiàn)兩個(gè)分區(qū)交界處時(shí)，將啟動(dòng)全部分區(qū)噴射保護(hù)，對(duì)于GIS 具有較強(qiáng)絕緣性的特點(diǎn)，保護(hù)范圍沒(méi)有針對(duì)性，且不具有經(jīng)濟(jì)性。因此考慮該房間分3 個(gè)分區(qū)，通過(guò)紅外光束探測(cè)器識(shí)別火情所在的本區(qū)或本區(qū)及相鄰分區(qū)。

采用國(guó)內(nèi)系列噴頭，滿足10 m 最大安裝高度并經(jīng)過(guò)產(chǎn)品認(rèn)證的噴頭選型余地不大，多為最大安裝高度7.5 m 噴頭。需安裝在頂板下至少2.5 m，按3 m × 3 m 間距布置，共48 個(gè)噴頭，每個(gè)分區(qū)閥控制16個(gè)噴頭，最大啟動(dòng)32個(gè)噴頭滅火。GIS房間布置如圖1 所示。單個(gè)噴頭計(jì)算流量為9.90 L/min，滿足噴霧強(qiáng)度的要求需選用K=1.5 以上的噴頭，因此該房間計(jì)算流量為480 L/min。但此方案將可能對(duì)吊裝、運(yùn)輸、維修存在一定障礙。

圖1 GIS房間噴頭布置（3 m×3 m）Fig.1 Sprinkler arrangement in GIS room（3 m×3 m）

（2）國(guó)外做法

根據(jù)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)NFPA750，按防護(hù)區(qū)全部噴放，噴頭最大安裝高度10 m，通過(guò)認(rèn)證的噴頭最大布置間距可按4 m ×4 m 設(shè)置，共27 個(gè)噴頭，每個(gè)分區(qū)閥控制9 個(gè)噴頭。最大啟動(dòng)18 個(gè)噴頭滅火。GIS房間布置圖如圖2 所示。單個(gè)噴頭設(shè)計(jì)流量不低于17.6 L/min，可選用K=1.87 噴頭，該房間計(jì)算流量為504.9 L/min。

圖2 GIS房間噴頭布置（4 m×4 m）Fig.2 Sprinkler arrangement in GIS room（4 m×4 m）

3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量

通常根據(jù)計(jì)算流量考慮一定設(shè)計(jì)冗余，海上平臺(tái)高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量采用1.1 倍的計(jì)算流量確定［15］。

2.3 分區(qū)閥位置的設(shè)置原則

分區(qū)閥通常采取集中或分散兩種布置。海上變電站分區(qū)閥若集中設(shè)置在泵房?jī)?nèi)，閥后管道經(jīng)平臺(tái)公共區(qū)域至各防護(hù)區(qū)的管道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，將可能導(dǎo)致延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。需進(jìn)一步分析響應(yīng)過(guò)程。

對(duì)于開(kāi)式系統(tǒng)設(shè)計(jì)響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)大于30 s，這個(gè)時(shí)間是從火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出指令開(kāi)始。從自動(dòng)啟動(dòng)全過(guò)程即火災(zāi)探測(cè)器探測(cè)到火災(zāi)至最不利噴頭出水大概分為5 個(gè)主要關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如圖3 所示。當(dāng)防護(hù)區(qū)需多臺(tái)泵提供流量時(shí)，從1 臺(tái)啟動(dòng)后，每隔3～5 s順序啟動(dòng)主泵。

圖3 自動(dòng)啟動(dòng)全過(guò)程的5個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)Fig.3 Five key nodes in the whole process of auto start

過(guò)程①：該過(guò)程包含火災(zāi)報(bào)警控制器識(shí)別探測(cè)器地址并發(fā)出指令開(kāi)啟對(duì)應(yīng)分區(qū)控制閥，此過(guò)程可在瞬間完成。

過(guò)程②：分區(qū)閥打開(kāi)后反饋信號(hào)，系統(tǒng)壓力下降，穩(wěn)壓泵啟動(dòng)，通過(guò)系統(tǒng)邏輯設(shè)定，維持時(shí)間不超過(guò)10 s。

過(guò)程③：10 s 后轉(zhuǎn)換為第1 臺(tái)主泵啟動(dòng)，此過(guò)程也可瞬間完成。

過(guò)程④：主泵啟動(dòng)后，從分區(qū)閥到最不利噴頭的沖水時(shí)間不超過(guò)20 s。

根據(jù)上述分析，分區(qū)閥后的沖水時(shí)間在20 s 內(nèi)完成。高壓細(xì)水霧流速一般控制在8 m/s 以內(nèi)，局部不超過(guò)10 m/s。根據(jù)末端房間管網(wǎng)布置，房間內(nèi)充水時(shí)間需2 s。若分區(qū)閥在泵房，從閥后到末端房間附近的管段需在18 s內(nèi)完成充水。經(jīng)計(jì)算，18 s所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度約75 m，閥前管道采用電伴熱保溫。

3 結(jié)論

1）海上變電站電氣一次設(shè)備推薦采用高壓細(xì)水霧系統(tǒng)。電氣二次設(shè)備采用氣體滅火系統(tǒng)具有可靠性。當(dāng)采用高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步研究一次火災(zāi)持續(xù)時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)對(duì)配電柜等設(shè)備水漬侵害程度以及設(shè)備恢復(fù)供電的時(shí)長(zhǎng)。

2）海上變電站高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的局部應(yīng)用噴霧強(qiáng)度建議采用不低于1.5 L/（min·m2）。計(jì)算流量時(shí)，應(yīng)結(jié)合國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品特性差異和噴頭布置型式，區(qū)分不同的計(jì)算結(jié)果，采取合理的布置方式和適宜的噴頭類型。

3）分區(qū)閥位置應(yīng)結(jié)合電氣房間布局和分區(qū)閥后管線長(zhǎng)度所需充水時(shí)間來(lái)確定。當(dāng)末端房間內(nèi)管道路由不超過(guò)20 m 時(shí)，分區(qū)閥到末端房間距離建議控制在80 m 以內(nèi)，當(dāng)末端房間內(nèi)路由更長(zhǎng)，分區(qū)閥輸送距離應(yīng)更短。