海上無人駐守井口平臺水消防系統(tǒng)設(shè)計探討

宮景雯 竇培舉 高鵬 矯亞濤 秦逸涵

（.中海油研究總院有限責任公司 北京100028）

無人平臺由于工藝流程簡單，在以往的消防設(shè)計中，遵循簡化優(yōu)化工藝流程，減少設(shè)備數(shù)量，提高設(shè)備的可靠和穩(wěn)定性的原則[1]。一般認為其在正常作業(yè)過程中除正常油氣生產(chǎn)外無其他作業(yè)，發(fā)生火災(zāi)的風險相對較小，并且一旦發(fā)生火災(zāi)，平臺將實施關(guān)斷，將火災(zāi)損失降到最低。同時無人井口平臺工藝簡單、設(shè)備設(shè)施較少，除流程中的油氣外，基本上無其他可燃物，井口區(qū)甲板為鋼板，火災(zāi)發(fā)生、蔓延的可能性較小，并且發(fā)生火災(zāi)后由于沒有操作人員，也不會出現(xiàn)人員傷亡事故。參考多年來海洋石油行業(yè)類似平臺火災(zāi)情況，此類型火災(zāi)發(fā)生概率非常小，造成嚴重后果的概率也非常低[2]。因此，傳統(tǒng)的無人平臺設(shè)計中通常不設(shè)置消防泵。

近年來由于油氣資源開采力度加大、開采難度更高，平臺面積更大、流程更復雜且涉及到更多的工藝處理系統(tǒng)。因此，有必要進一步探討設(shè)置消防泵的必要性。

1 規(guī)范要求及安全分析

1.1 規(guī)范要求

《海上固定平臺安全規(guī)則》中規(guī)定：“在安全分析的基礎(chǔ)上, 并報請安全辦公室批準, 無人駐守的簡易平臺可以不設(shè)置水消防等固定式滅火系統(tǒng)”[3]《海上無人駐守井口平臺設(shè)計規(guī)定》中規(guī)定：“不宜設(shè)置消防泵，可采用干式管網(wǎng)，鉆修井作業(yè)期間，平臺干式管網(wǎng)與鉆井船消防水總管相連通?！盵4]

以上規(guī)定主要是基于消防泵對于生命安全的保護是第一要務(wù)，從平臺無人角度建議無人平臺可以不用設(shè)置消防泵，而在設(shè)計消防系統(tǒng)時，容易直接引用該規(guī)范條文，而忽略對無人平臺實際消防需求以及鉆井船消防系統(tǒng)的考量。本文認為無人平臺消防系統(tǒng)是否需要設(shè)置消防泵需要結(jié)合平臺復雜程度、鉆井船消防系統(tǒng)可靠性等因素綜合考慮，在安全分析的基礎(chǔ)上確定是否要設(shè)置消防泵。

1.2 安全分析

在以往的項目中，只有簡易井口平臺才設(shè)置為無人平臺。一般來說，簡易井口平臺井數(shù)不多于6口，平臺上除了井口、油氣計量裝置外不設(shè)置其他油氣處理設(shè)施。消防用水量通常在200m3/h以內(nèi)。隨著智能化平臺的出現(xiàn)，無人平臺不再限于簡易井口平臺，無人平臺上井口的數(shù)量達到40口，有的無人平臺甚至設(shè)置了油氣分離器、工藝流程明顯區(qū)別于傳統(tǒng)簡易井口平臺，消防用水量也達到了600m3/h左右,并且由于井口數(shù)的增多，鉆修井時間和頻率明顯提升。鑒于無人平臺的復雜化、危險化、價值貴重化等因素，無人平臺的消防保護方式在慢慢發(fā)生變化。

以南海某無人平臺為例，該平臺依托其他油田開發(fā)生產(chǎn)，為1座4腿20井槽無人平臺，設(shè)有1個本地操作站、1個遠程操作站，距離遠程操作站14km，前期鉆井使用鉆井船，后期修井考慮液壓修井和鉆井船兩種方式。平臺共2層甲板，工藝公用系統(tǒng)設(shè)有柴油系統(tǒng)、開排系統(tǒng)、化學藥劑系統(tǒng)、海水系統(tǒng)、閉排兼冷放空系統(tǒng)、應(yīng)急發(fā)電機等。消防安全系統(tǒng)設(shè)有干式水消防系統(tǒng)、七氟丙烷滅火系統(tǒng)、輔助消防器材、直升機甲板消防、救逃生系統(tǒng)，平臺在設(shè)計時考慮了臺風不停產(chǎn)的工況。

文章所述平臺修井方式同時考慮了兩種，一為鉆井船修井、二為考慮液壓舉升裝置修井，前者在人員進行鉆修井作業(yè)時，需要依托鉆井船的消防水泵對平臺實施消防噴淋保護，因此在方案設(shè)計時有必要對鉆井船的消防泵能力進行校核，據(jù)統(tǒng)計，目前南海鉆井船消防泵的排量均為100-200m3/h不等，而本項目最大火區(qū)消防水量為370m3/h，鉆井船的消防泵無法滿足平臺的消防要求；液壓舉升裝置在修井作業(yè)時，需要在平臺設(shè)置人住集裝箱，人員需要在平臺上居住10-15天作業(yè)，在此期間平臺可視為有人平臺，且作業(yè)期間周圍僅有守護船，無鉆井船為平臺提供消防保護。

綜合以上因素，為該平臺制定了設(shè)置消防泵的方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計

海上有人平臺消防水系統(tǒng)主要由消防泵、消防水過濾器、消防水主環(huán)網(wǎng)、穩(wěn)壓設(shè)施、噴淋系統(tǒng)、消防軟管站和國際通岸接頭等組成[5]，無人平臺的消防水系統(tǒng)在有人平臺的設(shè)置上做了適應(yīng)性調(diào)整，圖1為南海某無人平臺消防水系統(tǒng)示意圖。

圖1 南海某無人平臺消防水系統(tǒng)示意圖

2.1 消防泵計算與配置

消防水量以及出口壓力的計算根據(jù)相關(guān)標準選取[6]，計算消防水量如表1和公式1所示。

表1 各火區(qū)最高消防水量計算表

注：直升機甲板噴淋水量為最低要求。

由表1可知，該平臺最大火區(qū)消防水量為370m3/h。

消防泵所需壓力按照公式(1)計算

其中：

P為泵出口壓力 kPaG.

P1為最不利點處消防管道壓力，本文為750kPaG；

P2為最不利點處與消防泵所在位置的靜壓差，本文為160kPaG；

P3為管道損失，根據(jù)工程經(jīng)驗，取50kPaG.

P4濾器損失, 50kPaG

經(jīng)計算消防泵排放壓力需1060 kPaG

根據(jù)表1和公式(1)計算結(jié)果，綜合考慮市場上消防泵的規(guī)格，最終選定消防泵規(guī)格為排量400m3/h，泵出口壓力1100kPaG,即可滿足本平臺的消防要求。

海底電纜供電平臺通常設(shè)置2 臺( 組) 電動消防泵，一臺主電驅(qū)動，一臺應(yīng)急電源驅(qū)動［7］。由于本平臺地處南海東部，夏季臺風頻發(fā)，調(diào)研以往生產(chǎn)經(jīng)驗，在海上應(yīng)急機不能正常啟動或運行過程中報警停機情況曾多次發(fā)生過，發(fā)生臺風或夜間時，若出現(xiàn)無人平臺失去主電且同時應(yīng)急機無法啟動的工況，此時守護船不能靠泊，飛機不能正常起飛，無法及時過去處理故障，海管得不到及時置換會出現(xiàn)凝管的風險。為降低凝管事故發(fā)生的風險，并且考慮到平臺完全失電后，發(fā)生火災(zāi)的概率極低，因此替換一臺電動消防泵為柴油消防泵，用于平臺完全失電時通過啟動柴油消防泵來進行海管應(yīng)急置換。

2.2 穩(wěn)壓裝置

對于濕式消防水管網(wǎng)，一般需要具備穩(wěn)壓功能的泵(通常為海水泵)為管網(wǎng)提供壓力，以保證環(huán)網(wǎng)壓力穩(wěn)定在700kPaG。本平臺由于是無人平臺，海水系統(tǒng)設(shè)置了1臺150m3/h，出口壓力700kPaG的海水提升泵，用于防釣魚以及海管應(yīng)急置換用途，由于平臺正常生產(chǎn)工況下無連續(xù)海水用戶，海水泵間斷運行，多數(shù)情況下無法提供穩(wěn)定的壓力，考慮到無人平臺在消防系統(tǒng)啟動時間上可以略做放寬，因此本平臺消防水管網(wǎng)采用干式管網(wǎng)，未設(shè)置穩(wěn)壓裝置。但是在修井期間，海水泵需要啟動，此時可將海水泵作為維壓泵與消防環(huán)網(wǎng)相連，以增加系統(tǒng)可靠性。

2.3 消防管網(wǎng)及閥門

該平臺的消防環(huán)網(wǎng)設(shè)計原則與有人平臺濕式管網(wǎng)保持一致，消防總管以環(huán)狀型式布置并以蝶閥隔離開。最高點處設(shè)置自動排氣閥，以保證在使用時管網(wǎng)內(nèi)能保持壓力穩(wěn)定。最低點設(shè)置了排水管線，用于消防工作完成后排出環(huán)網(wǎng)內(nèi)消防水[9]。

需要注意的是，本平臺在各防火分區(qū)并未設(shè)置雨淋閥，而是用電磁閥代替，主要原因是雨淋閥需要設(shè)置在帶壓的管網(wǎng)中，在完全干式管網(wǎng)中失去了快速啟動的優(yōu)勢。因此本平臺設(shè)置了1個8寸和1個4寸的電磁閥，用于不同火區(qū)探測到火災(zāi)時消防動作。該電磁閥應(yīng)具備自動開啟和遠程或手動開啟的功能。

同時2.1節(jié)中提到消防泵作為海水備用泵的同時，也兼顧了平臺的應(yīng)急置換泵，在去海水管路以及海管的支管均設(shè)置了關(guān)斷閥門，可保證消防泵在作為其他用途時，若發(fā)生火災(zāi)，能緊急切換到消防滅火狀態(tài)中以保障平臺的安全。

2.4 控制與操作

2.4.1 消防泵的啟停

有人平臺消防泵啟動方式包括自動啟動和手動啟動（現(xiàn)場控制盤或中控盤），可以通過開/閉式壓力開關(guān)實現(xiàn)自動啟動，也可以通過緊急關(guān)斷系統(tǒng)、易熔回路或其它火災(zāi)探測系統(tǒng)的動作啟動[9]。無人平臺消防泵的啟動方式與有人平臺基本一致，在停泵方式上，目前規(guī)范對于消防泵的停泵方式規(guī)定見表2。

表2 消防泵停泵要求

從表2可以看出，對于消防泵停泵的條文不管是針對陸上還是海上，在消防泵出現(xiàn)啟動以后，都不允許出現(xiàn)自動停泵的情況，需要人工停泵，這主要考慮如果消防泵突然自動停泵，可能造成火災(zāi)撲救的失敗，同時也會給在現(xiàn)場撲救火災(zāi)的消防隊員造成危險。

對于本平臺而言，在消防泵出現(xiàn)啟動后(不管是火災(zāi)啟動或是誤啟動)，相關(guān)人員均無法及時到達現(xiàn)場判斷火情。根據(jù)NFPA20規(guī)定“Manual Electric Control at Remote Station. Where additional control stations for causing nonautomatic continuousoperation of the pumping unit, independent of the pressure-actuated switch or control valve, are provided at locations remote from the controller, such stations shall not beoperable to stop the engine”[11]，消防泵也不可遠程停泵。即使通過合理布置監(jiān)控判斷滅火進度，考慮到監(jiān)控布置存在盲區(qū)或火災(zāi)狀態(tài)下監(jiān)控可能遭到損壞，存在消防狀態(tài)下誤停泵或者是無法現(xiàn)場確認火情情況下盲目停泵的可能性。因此，對于無人平臺的消防泵，建議維持人工就地停泵的方式。

2.4.2 消防泵的維修和巡檢

根據(jù)API14G規(guī)定[12]，，對于常規(guī)平臺，消防泵需要每周啟動一次以維持性能。對于無人平臺、作業(yè)人員登臺的頻率較低，多數(shù)情況下都無法做到每周登臺測試。因此建議按照NFPA20中關(guān)于消防泵測試期間的自動啟停規(guī)定，增加消防泵自動巡檢功能，即在消防泵的現(xiàn)場控制盤內(nèi)增加自動巡檢的功能，同時把檢測數(shù)據(jù)發(fā)回遠程中控，該做法可有效減少人員現(xiàn)場維護巡檢工作量，未來可做為無人平臺消防泵巡檢的研究方向。需注意的是，測試期間需要保證有視頻等設(shè)施監(jiān)控消防泵運行狀態(tài)。

3 直升機甲板消防

對于設(shè)置直升機甲板的無人平臺，以往的做法是設(shè)置消防炮，而無人平臺只有巡檢、維修才會上人，那么起降時沒有現(xiàn)場人員操作消防炮，無法滿足實際的直升機起降時的消防要求。本平臺設(shè)置一種自動式直升機甲板綜合消防系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要設(shè)備包括泡沫比例混合器，泡沫罐、電磁蝶閥等，在直升機甲板下設(shè)置彈出式噴頭。消防水源來自消防泵，流程圖如圖2所示。

圖2 南海某無人平臺直升機甲板消防系統(tǒng)示意圖

周邊有人平臺中控人員通過CCTV攝像頭遠程確認火災(zāi)后，可啟動噴淋保護。本系統(tǒng)相對于消防炮，具有響應(yīng)時間短、動作快、全面積噴淋覆蓋、無需人員操控的優(yōu)勢。填補了無人平臺直升機甲板消防的短板，極大增加了直升機甲板消防系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)論

在進行無人平臺消防設(shè)計時，對其消防安全系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)嚴謹對待，需要充分根據(jù)平臺的系統(tǒng)設(shè)置特點，比如系統(tǒng)是否復雜，依托設(shè)施是夠可靠，識別火災(zāi)危險因素。

本平臺在考慮消防系統(tǒng)設(shè)計方案時，除了根據(jù)國內(nèi)外規(guī)范設(shè)置外，還充分考慮了其他專業(yè)（工藝、海管）的需求，無人平臺空間緊張，維修保護條件受限，各個系統(tǒng)都力求簡化。消防系統(tǒng)在有一定安全保護的前提下，允許作為海水泵或應(yīng)急置換泵的備用泵，可減少動設(shè)備數(shù)量，增加平臺可靠性。

此外無人平臺的設(shè)計和管理理念直接影響平臺簡易化程度，管理上需要制定針對無人化平臺的風險可接受的準則以及平臺消防泵維護策略，這些應(yīng)該有別于常規(guī)平臺。