周科偉，丁天祥

(江蘇新?lián)P子造船有限公司，江蘇 靖江214532)

0 引言

由于海洋平臺工作海域離陸地較遠(yuǎn)，又通常無自航能力，所以需要發(fā)電機來給平臺提供所有的生活、生產(chǎn)能源。發(fā)電機作為平臺的重要設(shè)備，其安全保護措施一直是設(shè)計和運行管理中的重點。 發(fā)電機傳統(tǒng)的消防保護方式有：固定式泡沫滅火、固定式二氧化碳滅火、 FM200滅火系統(tǒng)、水噴淋和低壓水霧局部滅火。這些滅火方式在一定程度上解決了發(fā)電機消防安全問題，但是在人身安全、環(huán)境保護及平臺整體設(shè)計上逐漸顯現(xiàn)劣勢, 通常體現(xiàn)在消耗后無法得到及時補充，工作區(qū)域無法快速恢復(fù)生產(chǎn)(如CO2釋放后需要長時間通風(fēng)或艙室大量積水)及滅火介質(zhì)對環(huán)境的影響等。隨著消防技術(shù)的日益成熟和發(fā)展，在火勢抑制的方法上提出了更高的要求，即：快速反應(yīng)和相關(guān)系統(tǒng)的連鎖、滅火的有效性、經(jīng)濟性以及對環(huán)境保護的考慮等。近年來，高壓細(xì)水霧以其低耗水量、滅火效率高、無污染、良好的阻電性等優(yōu)點在海洋平臺領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

半潛式修井及生活平臺Delta CAT500主要面對墨西哥灣，同時適用全世界范圍的淺水、深水作業(yè)。該平臺采用非對稱的機翼型浮體，以減少波浪阻力及受風(fēng)面積、提高平臺的運動性能及整體的居住舒適度，并通過預(yù)制模塊化艙室試驗，實現(xiàn)可容納500人居住的海上酒店設(shè)計，達(dá)到居住艙室45 dB以下的超靜音要求。另外在設(shè)計階段，根據(jù)墨西哥船東的要求，針對墨西哥灣稠油油田的特點，為其專門設(shè)計和配置了特種修井服務(wù)設(shè)備及系統(tǒng)，尤其是其中的大型液態(tài)氮的儲存及使用控制系統(tǒng)，屬國內(nèi)首創(chuàng)。由于平臺通常離岸較遠(yuǎn)，故對于作業(yè)和生活要求都比較高的半潛式平臺Delta CAT500，消防十分重要。

本文通過對高壓細(xì)水霧滅火原理的探討，對比傳統(tǒng)的低壓水霧系統(tǒng)的用水量、布置、重量和效果等，分析高壓細(xì)水霧的優(yōu)缺點以及在海洋平臺上的可適用性。

1 高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的定義和滅火機理

細(xì)水霧是相對于水噴霧的概念，通過特殊噴頭，使用高壓產(chǎn)生的水微粒。在美國消防協(xié)會細(xì)水霧消防系統(tǒng)規(guī)范NFPA750中，細(xì)水霧是指在最小的設(shè)計工作壓力產(chǎn)生的，距噴頭1 m處的平面上，99%的霧滴直徑不超過1 000 μm，以Dv0.99<1 000 μm來表示(Dv0.99表示體積比占99%的水微粒直徑)。根據(jù)國標(biāo)GB/T 22241—2008，按水霧中的水粒大小，細(xì)水霧分為3級：第1級細(xì)水霧的體積累積分布直徑Dv0.99小于200 μm ; 第二級細(xì)水霧的體積累積分布直徑Dv0.99大于等于200 μm且小于等于400 μm；第三級細(xì)水霧的體積累積分布直徑Dv0.99大于400 μm小于1 000 μm。

高壓細(xì)水霧系統(tǒng)接收釋放信號后，高壓泵將水流加壓并經(jīng)過特殊的噴頭將水流霧化。由于霧化后的細(xì)水霧霧滴直徑很小，相比于同樣體積的水，其表面積劇增，熱交換接觸面放大很多倍，從而加強了熱交換功能，可以起到很好的降溫效果。 霧滴吸收熱量后被迅速汽化，體積急劇加大，通?？梢赃_(dá)到原來的1 700多倍，從而降低了空氣中的氧氣濃度并降低燃燒中的氧化反應(yīng)速度，起到對火勢窒息的作用。由此可見，細(xì)水霧的滅火機理：一是吸收熱量并迅速降溫；二是抑制氧化反應(yīng)。

2 海洋平臺發(fā)電機室的適用性

由于海洋平臺的發(fā)電機燃燒所使用的燃料通常為0#柴油，也有部分使用重油作燃料，以天然氣為燃料的平臺比較少，故其火災(zāi)的主要類型為油類火災(zāi)、電氣類火災(zāi)。電氣類火災(zāi)通常由線路短路、高負(fù)荷引起的線路燃燒等故障引發(fā)。而油類火災(zāi)是指在發(fā)電機工作過程中柴油、燃油泄漏，或者油氣透氣過程中遇熱引發(fā)的失火。針對發(fā)電機電氣類失火的情況，完全可以選用可產(chǎn)生Dv0.99小于200 μm水霧的噴頭，其水微粒極小，具有明顯的阻電功能。另外，該海洋平臺高壓水霧系統(tǒng)的水源主要是指經(jīng)過造水機、礦化裝置等處理過的淡水，離子濃度低，可以防止在水霧釋放過程中可能出現(xiàn)的電離現(xiàn)象，即在水霧釋放時，房間內(nèi)的設(shè)備即使處于通電工作狀態(tài)，人員也無需進行疏散，有利于防火控制及人員生命安全。

3 實船高壓細(xì)水霧消防系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 水霧系統(tǒng)的消防計算分析

半潛式修井及生活平臺Delta CAT500主要面對墨西哥灣，同時適用淺水和深水作業(yè)。其底層甲板共有6個發(fā)電機間，左右舷各3個。單個發(fā)電機間的長×寬×高為12.2 m×5 m×6.4 m ，凈容積為390.4 m3。 每個房間布置1臺W8L32E發(fā)電機，房間采用A60防火分隔。6臺發(fā)電機的燃油系統(tǒng)、啟動空氣系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等互相獨立，故每個房間的消防也需設(shè)計獨立保護系統(tǒng)，不與其他房間串聯(lián)。在選用固定式滅火系統(tǒng)過程中，若選用CO2系統(tǒng)，CO2釋放時和釋放后短時間內(nèi)都不允許人員進入，且對于海洋平臺，尤其是深海平臺，CO2瓶屬于一次性使用品，后續(xù)補給相對困難，故主要對比了在保護整個機械處所的情況下，水噴霧系統(tǒng)和高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的設(shè)計。

若使用水噴霧系統(tǒng)(全覆蓋)， 系統(tǒng)采用均衡管網(wǎng)，管道通常采用熱鍍鋅鋼管，用卡套或者法蘭連接。系統(tǒng)工作壓力為1.6 MPa，噴頭安裝高度為5 m。 根據(jù)船級社規(guī)范，系統(tǒng)設(shè)計噴霧量為5 L/(min·m2), 持續(xù)時間T=20 min, 則系統(tǒng)的設(shè)計流量為Q=18.3 m3/h, 消防水量V=6.1 m3。

若使用高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)(全淹沒)，采用均衡管網(wǎng)全淹沒方式的開式系統(tǒng)，管線通常采用熔點較高的316L不銹鋼管。系統(tǒng)工作壓力為15 MPa，噴頭安裝高度為5 m。根據(jù)船規(guī)要求，系統(tǒng)設(shè)計噴霧強度為0.156 L/(min·m3)，持續(xù)噴霧時間為T=20 min，則系統(tǒng)的設(shè)計流量Q=3.65 m3/h，消防水量V=1.22 m3。

由以上計算可知，相對于水噴霧滅火系統(tǒng)所需的設(shè)計流量18.3 m3/h和消防水量6.1 m3，高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計流量和消防水量均為其1/5。而在配備水噴霧的消防系統(tǒng)上，根據(jù)船級社規(guī)范需要配置相應(yīng)的消防水源，通常為蒸餾水艙或者淡水艙，且水艙需設(shè)置最低水位。根據(jù)以上關(guān)于水噴霧系統(tǒng)的計算，艙內(nèi)預(yù)留最低水量比較大。 另外一種情況為局部低壓水噴霧與CO2系統(tǒng)的結(jié)合來保護整個發(fā)電機室。按此種情況計算，低壓水噴霧所需的水量相比于全覆蓋式相對減少，但增加了CO2滅火。 而若選用高壓細(xì)水霧，則可以用極少的水量來保護整個發(fā)電機間，其水源可來自于淡水、蒸餾水系統(tǒng)，應(yīng)急的情況還可以從消防系統(tǒng)供水，且無需預(yù)留水量。由高壓和特殊噴頭產(chǎn)生的細(xì)小水顆粒對電氣設(shè)備有良好的阻電功能。相對于低壓水噴霧滅火系統(tǒng)，細(xì)水霧滅火還具有阻隔熱輻射的作用，滅火能力更強。

3.2 系統(tǒng)組成

半潛式修井及生活平臺Delta CAT500高壓細(xì)水霧系統(tǒng)主要包括高壓泵、泵組控制柜、進水電磁閥、儲水罐、補水增壓裝置、供水管網(wǎng)、區(qū)域控制閥、噴頭、火災(zāi)探測報警系統(tǒng)等。

高壓細(xì)水霧噴頭是高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，每個噴頭包含一個或多個噴頭，由噴頭本體、噴頭座、噴頭、導(dǎo)流裝置和濾網(wǎng)組成。在高壓作用下，利用離心、撞擊或射流等機械方式將水霧化為微米級別的水霧。在實際設(shè)計過程中，需結(jié)合實際預(yù)安裝高度以及廠家提供的各型噴頭參數(shù)進行合理選型。根據(jù)國際海事組織(IMO)要求，平臺發(fā)電機室設(shè)計為全淹沒式滅火，故噴頭布置時需考慮到房間角落、設(shè)備遮擋處的水霧濃度效果。在遇上阻擋物(管子、風(fēng)管、燈具燈)的情況下，需保證噴頭下沿與阻擋物的下沿垂直距離不能低于0.1 m，水平距離不能低于垂直距離的1.6倍(噴頭安裝要求)。由于噴射水霧直徑微小，為保證良好的水霧效果，水質(zhì)和噴頭保護顯得尤為重要，因此造水機生產(chǎn)的淡水經(jīng)過重重過濾后，使其水質(zhì)相對純凈,滿足噴霧要求。水從噴頭中噴出前會經(jīng)過水霧系統(tǒng)的過濾，有利于保護噴頭。設(shè)計上給出三路水源與其他系統(tǒng)相連：飲用水、淡水、消防水(海水)。海水在作為極端應(yīng)急的情況下選擇的一種水源，水質(zhì)相對其他兩種水源雜質(zhì)較多。 另外，高壓細(xì)水霧的實際管網(wǎng)布置需要經(jīng)過壓降計算，且選取最遠(yuǎn)點并計算出口壓力來保證所有噴頭噴射效果。

高壓泵組為整個系統(tǒng)的核心部件之一，是產(chǎn)生高壓水的關(guān)鍵設(shè)備。通常高壓泵主要部件采用不銹鋼制成，泵的活動部件通過水或者油進行潤滑。通過泵組組合可實現(xiàn)多種流量輸出。泵組控制柜的功能用于對高壓細(xì)水霧泵組、補水增壓泵、穩(wěn)壓泵進行控制?？刂乒褡詭щp電源自動轉(zhuǎn)換裝置，具有手動、自動切換功能，并與火災(zāi)自動報警系統(tǒng)聯(lián)動控制。 高壓水霧系統(tǒng)由于不設(shè)置特定的儲水艙，它的水源來自于別的供水系統(tǒng)，所以在選用水源的時候需考慮到高壓水霧單元的流量與其他水源流量的匹配問題，防止出現(xiàn)供水量大或者供水量不足的問題。設(shè)計時，在泵組單元的補水處設(shè)置一個補水增壓裝置，其目的一是控制進水量；二是給高壓泵組正壓供水，即把水箱里的靜壓水加壓到0.2～0.6 MPa后供應(yīng)給高壓柱塞泵，保證柱塞泵的高效率工作。通過區(qū)域控制閥來選擇水霧釋放區(qū)域，控制方式分為手動和自動兩種，均可向控制室反饋信號?？刂崎y在自動操作失效的情況可手動快速打開閥門。實船高壓細(xì)水霧系統(tǒng)見圖1。

圖1 實船高壓細(xì)水霧系統(tǒng)原理圖

3.3 工作過程

在每個主發(fā)電機室分布數(shù)個熱探頭和煙霧探頭，當(dāng)這兩種探頭只接收到一種信號時并不會觸發(fā)報警信號，只有當(dāng)兩種探頭都接收到了各自報警信號的時候才會觸發(fā)報警，并將信號傳輸給控制中心和水霧單元，打開相應(yīng)的區(qū)域閥，發(fā)出聲光報警，釋放高壓水霧。 釋放過程中，水霧單元的水箱水位下降，補水裝置自動打開與水源連接的電動閥門進行補水，高位停低位補，保證系統(tǒng)水量。由于設(shè)計為全淹沒式滅火，若使用的水源為海水，海水具備電離性，結(jié)合考慮到發(fā)電機的IP等級而進行手動釋放。海水作為最終的備用水源，使用海水進行滅火，需盡量停止運行發(fā)電機，且需在水霧釋放后將房間清潔然后再啟動發(fā)電機，而使用淡水則無需停止發(fā)電機。在房間著火的情況下，也可直接手動就地啟動。根據(jù)船級社規(guī)范，就地啟動控制箱不得置于失火房間內(nèi)，故啟動開關(guān)布置在該房間的緊鄰易到達(dá)區(qū)域。另外考慮到失火區(qū)域不易到達(dá)，該系統(tǒng)所有的手動閥門等附件均需被集中布置于易達(dá)到和失火區(qū)域以外的敞開區(qū)域集中控制。除就地啟動和自動啟動外，該系統(tǒng)還配置了遠(yuǎn)程啟動和監(jiān)控。該系統(tǒng)不配備蓄電池，故水霧單元的電源需要由480 V的應(yīng)急配電板或主配電板供電。

由于高壓細(xì)水霧系統(tǒng)是全淹沒式滅火，針對有油水產(chǎn)生的房間，個別船級社建議在房間內(nèi)的污水井上方布置第二種滅火方式，如泡沫。 通過低量的泡沫與水以一定比例的混合來確保流入污水井的液體不會繼續(xù)燃燒。

4 高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的優(yōu)缺點

(1)用水量減少易于清潔。常規(guī)水噴霧的用水量是水噴淋的70%～90%，高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的用水量可以達(dá)到常規(guī)水噴霧的20%以下；且易于清潔，可在系統(tǒng)工作后快速地投入工作，節(jié)省時間。

(2)滅火效率高。由于水粒經(jīng)過高壓泵和高壓水霧噴頭，其直徑非常小，大大地增加了其與火源接觸的表面積。

(3)節(jié)省空間重量。高壓細(xì)水霧系統(tǒng)使用的小管徑不銹鋼管相比傳統(tǒng)水噴淋系統(tǒng)的大管徑管道可以減少50%的管道重量。另外，可節(jié)省大量的布置空間，無需布置額外的水量用于消防滅火。對于大多數(shù)空間都較為緊湊的海洋平臺，這樣的設(shè)計可以使平臺設(shè)備布置得更加合理高效。

(4)降低滅火損失和提高電氣安全性。對于水滅火系統(tǒng)，有些情況下由于使用大量水滅火造成的水漬損失會大于火災(zāi)本身造成的損失。而高壓細(xì)水霧噴頭選用可產(chǎn)生Dv0.99小于200 μm水霧的類型具有明顯的阻電功能，可用于電力設(shè)備保護。

(5)安全環(huán)保。細(xì)水霧對人體無害，對環(huán)境無影響，即使人員呼吸到水霧也不會對人造成損傷，這是相對于采用CO2消防系統(tǒng)的最大優(yōu)勢。多年來，CO2消防系統(tǒng)一直被用于各種鉆井平臺和石油生產(chǎn)平臺，但也曾多次發(fā)生CO2對保護區(qū)域不能及時撤離的相關(guān)工作人員產(chǎn)生致命傷害的事例。

(6)具有很強的穩(wěn)定性和持續(xù)性。采用細(xì)水霧消防，滅火后可以很快恢復(fù)生產(chǎn)和生活。10 min水霧消防排放產(chǎn)生的積水通常不會超過25.4 mm，很快可以清理干凈，繼而恢復(fù)工作。

(7)局限性。因噴頭孔徑小，為避免噴頭堵塞，對水質(zhì)要求非常高。高壓細(xì)水霧系統(tǒng)由于其水粒微小，在海工領(lǐng)域上通常用于一些封閉的空間的消防保護，如主發(fā)電機室或者生活區(qū)域等。

5 結(jié)語

半潛式修井及生活平臺Delta CAT500采用的這種高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)與泡沫、二氧化碳等滅火系統(tǒng)相比，具有滅火性能高、安全性高、經(jīng)濟性好、安裝使用方便等優(yōu)點，是一種安全、清潔、環(huán)保、高效的滅火系統(tǒng)。在實際的設(shè)計工作中，高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的可持續(xù)性解決了深海平臺的消防滅火問題，在不特意設(shè)計用水艙的情況給平臺提供了一種可反復(fù)使用而無需額外補充的滅火方式，為降低平臺建造成本、節(jié)省空間布置和提高平臺可變載荷等方面起到了積極作用。這種滅火效率高，對人員無傷害，有利于電氣設(shè)備保護且對環(huán)境無影響的滅火技術(shù)，非常適合海洋平臺，尤其是深海平臺的應(yīng)用。