楊　奧， 鄒世光， 劉子健

(大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司， 遼寧 大連 116113)

?

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(yuǎn)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(xiàng)目消防泵的計算方法分析，總結(jié)出海工項(xiàng)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(xiàng)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(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(jì)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(jìn)步。此外在邊際油田的勘探開發(fā)中,其移動式平臺的特點(diǎn)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(yán)等因素，一直是平臺項(xiàng)目輪機(jī)專業(yè)的設(shè)計難點(diǎn)。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(diǎn)，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(yuǎn)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(xiàng)目上的消防海水環(huán)管，進(jìn)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(xiàng)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(xì)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(hù))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(shí)際覆蓋面積，得出雨淋滅火系統(tǒng)鉆臺保護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(jī)平臺區(qū)域泡沫釋放速率的要求，結(jié)合對應(yīng)保護(hù)區(qū)域?qū)嶋H覆蓋面積，得出泡沫滅火系統(tǒng)直升機(jī)平臺保護(hù)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(jī)平臺保護(hù)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(shí)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(zhǔn)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(shí)際布置，分析其最長最遠(yuǎn)的特性，僅需考慮距離消防泵最遠(yuǎn)最長一段的管路(直升機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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。基于此，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(yuǎn)船務(wù)LETOUNEAU SUPER116E系列的自升式鉆井平臺項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用并通過了船級社、船東的審查。本文根據(jù)實(shí)船的設(shè)計情況對海洋工程項(xiàng)目的消防泵計算方法及適用規(guī)范、選型優(yōu)化等方面進(jìn)行了詳盡闡述和深入研究，最終形成了一套標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計指導(dǎo)性文件。本文可以為其他海洋工程項(xiàng)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(xiàn)

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

[2]ABS.MODU(美國船級社海上移動平臺入級規(guī)范)(第2版)[S].2013.

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

[4]朱明善.工程熱力學(xué)(第4版) [M].北京：高等教育出版社，1995.

[5]費(fèi)千，富貴根.船舶輔機(jī)(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(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目的輪機(jī)專業(yè)設(shè)計與建造技術(shù)研究。