矯亞濤，竇培舉，高 鵬，宮景雯，秦逸涵

（中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）是海上油氣田開(kāi)發(fā)的重要生產(chǎn)裝置，被稱(chēng)為“海上石油工廠”。FPSO可分為船型和圓筒型等兩種類(lèi)型。目前，已有十幾艘船型FPSO 在中國(guó)南海海域進(jìn)行作業(yè)。船型FPSO的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)目前只能依賴(lài)進(jìn)口，其價(jià)格非常昂貴。為解決系泊系統(tǒng)依賴(lài)進(jìn)口的現(xiàn)狀，突破“卡脖子”技術(shù)，中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)第一艘多點(diǎn)系泊的圓筒型FPSO。相對(duì)于船型FPSO，圓筒型FPSO 的主甲板層和部分工藝甲板層被擋浪板圍合，其密閉空間更多，設(shè)備布置更為緊湊，各種危險(xiǎn)氣體更易于聚集，危險(xiǎn)性更高。為確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性，中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司委托挪威船級(jí)社（Det Norske Veritas，DNV）和中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society，CCS）進(jìn)行安全審查。

目前，國(guó)內(nèi)外缺少專(zhuān)門(mén)針對(duì)圓筒型FPSO 的安全設(shè)計(jì)規(guī)范，本文結(jié)合圓筒型FPSO 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外船級(jí)社的審查意見(jiàn)對(duì)消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，以期為相似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 圓筒型FPSO 布置與特點(diǎn)分析

1.1 主要工藝流程

圓筒型FPSO的工藝流程主要包含以下3方面：1）原油脫水；2）存儲(chǔ)與外輸；3）燃料油、燃料氣、生產(chǎn)水的處理。

預(yù)處理平臺(tái)的預(yù)處理液與電脫水器的高溫合格原油在換熱后依次進(jìn)入一級(jí)分離器和二級(jí)分離器進(jìn)行油-氣-水三相分離。分離器處理后的原油進(jìn)入電脫水器，氣體經(jīng)伴生氣脫硫裝置處理后供給鍋爐，水則進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)。電脫水器分離出的水會(huì)回?fù)降揭患?jí)分離器。合格原油一部分進(jìn)入燃料油處理系統(tǒng)進(jìn)行脫硫處理，并用作電站燃料油，其余全部經(jīng)換熱器冷卻后進(jìn)入貨油艙進(jìn)行儲(chǔ)存和外輸。

1.2 總體布置情況

圓筒型FPSO 主要由船體部分、上部組塊和生活樓組成，見(jiàn)圖1。

圖1 圓筒型FPSO 示意圖

船體部分的筒體直徑為72 m，主要由貨油艙、壓載艙、中空艙、淡水艙、飲用水艙、柴油艙、錨鏈艙、液壓油艙等公用艙組成。主甲板的直徑為82.8 m，布置有液壓泵站、機(jī)械設(shè)備間、分油機(jī)間、泡沫間、遙控液壓閥間、消防泵房等公用設(shè)備間。

上部組塊分為上下兩層，一層工藝甲板的直徑為90 m，二層甲板為不規(guī)則形狀。貫穿上下2 層甲板的A60 防火墻將上部組塊分為危險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)。防火墻西側(cè)為危險(xiǎn)區(qū)，主要布置原油處理系統(tǒng)、天然氣處理系統(tǒng)、生產(chǎn)水處理系統(tǒng)、清管球、天然氣脫硫撬、原油脫硫撬、硫黃儲(chǔ)存區(qū)等工藝處理模塊。防火墻東側(cè)為安全區(qū)，主要布置熱介質(zhì)系統(tǒng)、惰性氣體系統(tǒng)等公用模塊，天然氣發(fā)電機(jī)、原油主機(jī)等電站模塊以及開(kāi)關(guān)間、變壓器間、中控設(shè)備間等電氣模塊。

生活樓布置在FPSO 的最東側(cè)，主要包括廚房、餐廳、醫(yī)務(wù)室、洗衣間、廁所、庫(kù)房、健身房、資料室、會(huì)議室、宿舍、報(bào)務(wù)間、中控室、培訓(xùn)室、I/O 柜間、候機(jī)廳和空調(diào)設(shè)備間等。其中，中控室、報(bào)務(wù)間、I/O 柜間、閱覽室與救生艇登艇口布置在同一層。在事故工況下，整層房間可作為臨時(shí)避難所供工作人員臨時(shí)集合、等待撤臺(tái)使用。

1.3 特點(diǎn)分析

從消防安全角度考慮，圓筒型FPSO 具有以下主要特點(diǎn)：1）工藝處理流程包含完整的原油處理流程、天然氣處理流程、燃料油處理流程和原油外輸處理流程等，各種工藝處理設(shè)備的種類(lèi)繁多；2）FPSO 所在油田屬于高含硫油田，存在硫化氫（H2S）泄漏和硫黃火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；3）圓筒型FPSO 采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)，不能像單點(diǎn)系泊的船型FPSO 一樣通過(guò)旋轉(zhuǎn)船體始終使安全區(qū)位于上風(fēng)向，一旦發(fā)生危險(xiǎn)氣體泄漏、火災(zāi)等事故，難以確保安全區(qū)工作人員的人身安全；4）與船型FPSO 不同，圓筒型FPSO 主甲板和一層工藝甲板的四周由擋浪墻圍合，通風(fēng)條件極差，容易造成危險(xiǎn)氣體聚集，增加事故風(fēng)險(xiǎn)；5）受甲板尺寸的限制，設(shè)備布置高度集中，逃生通道設(shè)置困難，一旦發(fā)生火災(zāi)，人員逃生困難；6）船體為圓柱狀結(jié)構(gòu)，與支持船或外輸油船碰撞的風(fēng)險(xiǎn)較大；7）船體外側(cè)附件較多，當(dāng)船體破損傾覆時(shí)，逃生設(shè)施在下放過(guò)程中有可能與船體發(fā)生碰撞。

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)與解決方案

相較于船型FPSO，圓筒型FPSO 的危險(xiǎn)性更高，人員逃生更加困難。因此，消防安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要，必須給予足夠重視。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)專(zhuān)門(mén)針對(duì)圓筒型FPSO 的安全設(shè)計(jì)規(guī)范，本文參考現(xiàn)有FPSO 的設(shè)計(jì)規(guī)范，并結(jié)合圓筒型FPSO 的特點(diǎn)，對(duì)消防安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行探討。

2.1 水噴淋滅火系統(tǒng)噴灑分區(qū)原則

水噴淋滅火系統(tǒng)主要用于冷卻上部模塊的工藝設(shè)備和主甲板的公用設(shè)備，防止火災(zāi)蔓延，為其他滅火措施爭(zhēng)取時(shí)間[1]。

目前尚無(wú)規(guī)范對(duì)水噴淋滅火系統(tǒng)的噴灑分區(qū)原則進(jìn)行明確規(guī)定。在設(shè)計(jì)時(shí)，通常結(jié)合火區(qū)劃分、消防隔離及消防系統(tǒng)投資情況統(tǒng)籌決定。

對(duì)于船型FPSO，各工藝模塊一般由艏部到艉部依次布置[2]。國(guó)內(nèi)通常先將工藝區(qū)內(nèi)的不同工藝模塊劃分為單獨(dú)的小火區(qū)，再采用相鄰火區(qū)同時(shí)噴淋或獨(dú)立火區(qū)噴淋的原則。

1）相鄰火區(qū)同時(shí)噴淋原則

當(dāng)某火區(qū)著火時(shí)，除著火區(qū)域開(kāi)啟消防水噴淋外，與其相鄰的火區(qū)也同時(shí)開(kāi)啟水噴淋，進(jìn)而將著火區(qū)域與外界隔離[3]，見(jiàn)圖2。

圖2 相鄰火區(qū)噴淋原則示意圖

2）獨(dú)立火區(qū)噴淋原則

將各單獨(dú)火區(qū)采用水幕進(jìn)行物理分隔。當(dāng)某火區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，事故火區(qū)及火區(qū)分隔水幕同時(shí)噴水，將事故火區(qū)與其他火區(qū)單獨(dú)隔離，進(jìn)而控制火勢(shì)蔓延，見(jiàn)圖3。

圖3 獨(dú)立火區(qū)噴淋原則示意圖

一層和二層工藝甲板工藝模塊的布置情況分別見(jiàn)圖4和圖5。FPSO的工藝模塊分為上下兩層布置，各模塊的布置較為緊湊、危險(xiǎn)性較高。僅采用水幕對(duì)各模塊進(jìn)行橫向物理分隔難以將事故火區(qū)與其他火區(qū)完全隔離。因此，獨(dú)立火區(qū)噴淋原則并不適用于圓筒型FPSO。

圖4 一層工藝甲板工藝模塊的布置情況

圖5 二層工藝甲板工藝模塊的布置情況

當(dāng)采用相鄰火區(qū)同時(shí)噴淋原則時(shí)，最大消防水量發(fā)生在工藝模塊Ⅱ一層甲板著火工況下，此時(shí)除工藝模塊Ⅰ的二層甲板和丙烷瓶撬外，其余設(shè)備均需要噴淋，F(xiàn)PSO 的消防水量約為1 758 m3/h。

工藝模塊Ⅰ的二層甲板和丙烷瓶撬的噴淋水量?jī)H為227 m3/h，所用消防水量較小。若采用全噴淋原則（即任一工藝模塊著火上部組塊的所有工藝模塊同時(shí)噴淋），F(xiàn)PSO 的消防水量約為1 985 m3/h。

相較于相鄰火區(qū)同時(shí)噴淋原則，全噴淋原則的安全性更強(qiáng)，劃分的火區(qū)更少，可節(jié)省4 套雨淋閥。因此，全噴淋原則更適用于圓筒型FPSO。

2.2 工藝甲板消防方式

在計(jì)算FPSO 的噴淋水量時(shí)，國(guó)內(nèi)通常參照《浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（FPSO）安全規(guī)則》[4]、Standard forWaterSprayFixedSystemsforFireProtection[5]和ApplicationofFixedWaterSpraySystemsforFire ProtectioninthePetroleumandPetrochemical Industries[6]的相關(guān)要求。為防止失火時(shí)工藝設(shè)備內(nèi)的原油泄漏至甲板并引發(fā)流淌火災(zāi)，DNV 要求同時(shí)對(duì)設(shè)備和空白甲板進(jìn)行噴淋。

經(jīng)計(jì)算，上部組塊工藝區(qū)的消防水量為3 500 m3/h，相對(duì)于僅對(duì)容器、設(shè)備和管匯進(jìn)行噴淋，噴淋水量增加了1 781 m3/h，消防水量過(guò)大，對(duì)消防設(shè)備的選型、布置和采購(gòu)造成了嚴(yán)重的影響。我國(guó)在設(shè)計(jì)各工藝模塊時(shí)，模塊的底部均設(shè)有擋油槽和排泄系統(tǒng)，原油擴(kuò)散至甲板的可能性較小，故僅對(duì)油氣系統(tǒng)中的容器、設(shè)備以及管匯進(jìn)行噴淋保護(hù)，不考慮外輸滾筒與工藝設(shè)備同時(shí)著火的情況。通過(guò)外輸滾筒周邊的原有消防炮和增設(shè)的消防炮對(duì)空白甲板區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，維持原設(shè)計(jì)消防水量不變。

2.3 甲板泡沫滅火系統(tǒng)噴灑裝置

根據(jù)《浮式儲(chǔ)油生產(chǎn)裝置（FPSO）安全規(guī)則》的相關(guān)要求，甲板泡沫滅火系統(tǒng)應(yīng)能將泡沫輸送到整個(gè)原油區(qū)域甲板及甲板以上的原油處理模塊。此外，甲板泡沫滅火系統(tǒng)還應(yīng)能將泡沫送入任何已破裂的原油艙內(nèi)。

對(duì)于船型FPSO，通常將中間原油艙部分劃分為危險(xiǎn)Ⅰ區(qū)，將甲板兩側(cè)的水艙部分劃分為安全區(qū)。因此，通常將手動(dòng)泡沫消防炮布置在甲板兩側(cè)的安全區(qū)，以便對(duì)中間原油艙及甲板進(jìn)行保護(hù)。

根據(jù)MobileandFixedOffshoreUnits-Electrical Installations-Part7:HazardousAreas[7]的相關(guān)要求，F(xiàn)PSO 和其他浮式生產(chǎn)裝置需要特別考慮主甲板和生產(chǎn)甲板之間的區(qū)域，除主甲板不受上層甲板的影響且能夠獲得自然通風(fēng)的情況外，該區(qū)域均應(yīng)劃分為危險(xiǎn)Ⅰ區(qū)。

根據(jù)《海上浮式裝置入級(jí)規(guī)范》[8]的相關(guān)要求，將處于污油水艙上方并與之相鄰的圍蔽及半圍蔽處所劃分為危險(xiǎn)Ⅰ區(qū)。由于圓筒型FPSO 主甲板四周被擋浪板圍合，屬于半圍蔽處所，不能保證充分通風(fēng)，因此，圓筒型FPSO 的整個(gè)主甲板區(qū)域均屬于危險(xiǎn)Ⅰ區(qū)，無(wú)安全區(qū)。

根據(jù)CCS[8]與DNV[9]的相關(guān)要求，手控消防炮應(yīng)布置于受保護(hù)和工作人員易于到達(dá)的安全區(qū)。因此，傳統(tǒng)的手控消防炮并不能應(yīng)用于圓筒型FPSO。

目前，遙控消防炮雖尚未應(yīng)用于海洋平臺(tái)或浮式生產(chǎn)裝置，但已在陸上大量應(yīng)用并取得了良好的效果。因此，可采用遙控消防炮替代手控消防炮，將其作為主甲板泡沫滅火系統(tǒng)的泡沫噴射裝置。

對(duì)于陸上應(yīng)用遙控消防炮，操作人員可在遙控消防炮的附近設(shè)置遙控盤(pán)，在觀察火勢(shì)的同時(shí)通過(guò)遙控盤(pán)操作消防炮滅火。然而，由于圓筒型FPSO的整個(gè)主甲板均為危險(xiǎn)Ⅰ區(qū)，設(shè)置遙控操作盤(pán)沒(méi)有實(shí)際意義。因此，圓筒型FPSO 的主甲板消防炮均不設(shè)置遙控操作盤(pán)，僅由操作人員根據(jù)工藝甲板底部攝像頭提供的信息對(duì)主甲板泡沫滅火系統(tǒng)進(jìn)行操作，其滅火效率受攝像頭監(jiān)控精度的影響較大。

2.4 氣體滅火系統(tǒng)規(guī)范

通常情況下，船型FPSO 的船體部分和上部組塊的氣體滅火系統(tǒng)需要分開(kāi)設(shè)計(jì)。由于含有輪機(jī)艙等機(jī)械處所，船體部分通常采用二氧化碳（CO2）滅火系統(tǒng)；上部組塊通常采用七氟丙烷滅火系統(tǒng)。由于采用多點(diǎn)固定系泊系統(tǒng)，圓筒型FPSO 取消了輪機(jī)艙的設(shè)置，考慮到二氧化碳滅火系統(tǒng)存在儲(chǔ)存壓力高、在有人場(chǎng)所使用存在風(fēng)險(xiǎn)等缺點(diǎn)[10]，圓筒型FPSO 氣體滅火系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)模式，船體與上部組塊均采用七氟丙烷滅火系統(tǒng)。

由于船體部分涉及入級(jí)等問(wèn)題，在設(shè)計(jì)氣體滅火系統(tǒng)時(shí)通常遵循國(guó)際消防規(guī)范Adoptionofthe InternationalCodeforFireSafetySystems[11]，在設(shè)計(jì)上部組塊時(shí)通常遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 55036—2022[12]。這兩本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)氣體滅火的規(guī)定有諸多矛盾之處，在采用一體化設(shè)計(jì)時(shí)，船體部分與上部組塊可統(tǒng)一按照GB 55036—2022 進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.5 發(fā)電機(jī)房滅火系統(tǒng)

主發(fā)電機(jī)房是海上油氣生產(chǎn)設(shè)施最重要的場(chǎng)所之一，也是火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)最高的場(chǎng)所之一。圓筒型FPSO采用了低閃點(diǎn)的原油發(fā)電機(jī)，其危險(xiǎn)性高、空間大、火災(zāi)爆炸難以控制，一旦發(fā)生火災(zāi)將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)于主發(fā)電機(jī)房固定式滅火系統(tǒng)的規(guī)定并不是特別明確，采用氣體滅火系統(tǒng)或與之效果等同的系統(tǒng)均可?？紤]到產(chǎn)品的成熟性，該圓筒型FPSO 采用氣體滅火系統(tǒng)。

高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)具有能承受一定自然或機(jī)械通風(fēng)、安全、節(jié)能、環(huán)保、滅火性能可靠、對(duì)環(huán)境密閉性無(wú)特殊要求等優(yōu)點(diǎn)[13]。相較于氣體滅火系統(tǒng)，高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的占地面積更小、荷載更輕。由于圓筒型FPSO 的設(shè)備布置過(guò)于緊湊，甲板面積較小，采用高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)房進(jìn)行保護(hù)更為合理、有效。

3 結(jié)論

由于國(guó)內(nèi)外缺少專(zhuān)門(mén)針對(duì)圓筒型FPSO 的安全設(shè)計(jì)規(guī)范，各系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行探討。本文結(jié)合圓筒型FPSO 的結(jié)構(gòu)形式和工藝布置對(duì)水噴淋系統(tǒng)的噴灑原則、甲板泡沫滅火系統(tǒng)的噴灑裝置設(shè)置、電氣房間的氣體滅火系統(tǒng)設(shè)置以及發(fā)電機(jī)房的滅火系統(tǒng)選擇進(jìn)行了介紹與分析。針對(duì)圓筒型FPSO 的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了如下創(chuàng)新：

1）在FPSO 水噴淋系統(tǒng)中采用了全噴淋原則。

2）在甲板泡沫滅火系統(tǒng)中應(yīng)用遙控消防炮。

3）在FPSO 氣體滅火系統(tǒng)中采用一體化設(shè)計(jì)并確定了設(shè)計(jì)原則。本文的研究成果可為圓筒型FPSO 的消防安全設(shè)計(jì)提供一定參考。