海上油氣生產設施消防水噴淋系統優化設計

謝金洪，李 津，李艷華，祝皎琳

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海上油氣生產設施消防水噴淋系統優化設計

謝金洪，李 津，李艷華，祝皎琳

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

消防水噴淋系統是海上油氣生產設施的重要組成部分，其設計與海上油氣生產設施上的供電系統和總體布置等相互影響。海上油氣生產設施噴淋系統的噴頭選型和管網布置對整個消防水系統的設計和校核影響較大。從理論和實際工程設計角度出發，提出了優化噴頭選型和管網布置的方法，以求在滿足安全和規范要求的前提下，盡量降低消防水量，減小消防水噴淋系統的規模，節約工程投資。

海上油氣生產設施；噴淋系統；噴頭選型；管網優化

0 引 言

海上油氣生產設施設備高度集中，處理的介質是高溫、高壓的原油或者天然氣，因此海上油氣生產設施上存在較高的火災爆炸風險，一旦發生火災，火勢蔓延速度快，后果非常嚴重[1]。消防水噴淋系統是海上油氣生產設施上的重要安全系統。利用海水的冷卻、稀釋作用，消防水噴淋系統能夠有效地控制火災影響范圍，將危險消滅在初期階段[2]。消防水噴淋系統設計的重要內容之一是消防水流量的計算。消防水量計算是否合理，在很大程度上影響著整個海上油氣生產設施消防水系統設計。消防水量的大小決定了消防主管網的尺寸，對消防泵的功率大小也有著決定性的影響。如果消防泵采用電動消防泵，由于電動消防泵的啟動電流是額定工作電流的3～7倍，消防泵的功率大小對生產設施上電網的影響也是不可忽視的。由此可見消防水量的大小對工程投資和海上油氣生產設施的設計有著重要的影響。海上油氣生產設施的消防水量主要取決于消防水噴淋系統的水量，噴淋系統的優化設計對消防水量影響重大。因此，優化設計海上油氣生產設施噴淋系統對整個生產設施的工程投資有著重大的經濟意義和實踐意義。本文從噴頭選型和管網布置兩方面提出優化方法，以期降低消防水量，并減小消防水噴淋系統的規模。

1 消防水系統簡介

如圖1所示，海上油氣生產設施上的消防水系統由消防泵、濾器、主環路、噴淋閥、軟管站、消防栓等組成。如果生產設施上有直升機甲板，一般還有泡沫罐和泡沫炮。

圖1 海上油氣生產設施消防水系統示意圖Fig.1 Diagram of the fire water system on offshore oil and gas production facility

生產設施上消防水量主要由兩部分組成。一部分是消防水軟管站的水量，這部分水量是一個固定值(每個軟管站的額定流量是固定值)，對整個消防水系統的影響較小；另一部分是噴淋系統的水量，這部分水量是消防水量的主要組成部分，對消防水系統的設計有著決定性的影響。

噴淋系統的水量有理論水量和實際水量。理論水量是規范規定的最低噴淋水量，由噴淋強度[L/(min·m)2]與噴淋面積(m2)的乘積確定。實際的噴淋水量是由噴頭的個數和噴頭的流量來決定的，計算公式為

式中：QA為實際噴淋水量；N為第i個設備需要的噴頭個數；K為保護第i個設備的噴頭流量系數；p為噴頭的額定工作壓力。在設計過程中還需要在實際噴淋水量的基礎上考慮一定的安全系數作為最后的設計水量。這是因為除最遠點的噴頭外，其他噴頭的實際工作壓力值均會超過額定壓力，導致噴淋水量增加。如果噴淋管網布置較為均衡，其他各噴頭與最遠點噴頭間的工作壓力相差不大，則該系數可取小一些。

由上述討論可知，影響噴淋水量的主要因素有被保護設備面積、噴淋強度、噴頭選型和噴淋管網布置。簡單說來，保護設備的面積和噴淋強度根據相應規范確定即可[3-4]，優化的空間較小。本文主要關注噴頭選型和噴淋管網布置這兩個因素。

2 噴頭選型的原則和優化方法

2.1 噴頭選型原則

噴頭的選型一般要遵循以下三個原則：(1)保證設備完全覆蓋。規范規定[3]噴頭噴灑范圍應該相互重疊，即被保護設備表面要全部被覆蓋。(2)噴頭的實際噴淋水量要盡量接近理論水量，從而在滿足規范要求的條件下減少消防水量。當然，實際噴淋水量和理論水量之間的差距還與設備大小有關。由于單個噴頭的流量是固定值，設備被保護的面積越小，噴頭個數越少，實際噴淋水量和理論水量的偏離也就越大。(3)在同一個噴淋系統中，噴頭型號盡可能少，便于現場安裝和維護。

2.2 噴頭優化方法

噴頭的布置主要是根據噴頭的保護半徑與設備的噴淋面積確定噴頭的個數。噴頭的保護半徑與噴頭的型號以及噴頭安裝高度有關。以海洋工程中使用較多的BETE N系列噴頭為例。圖2是平臺上比較常用的三個系列噴頭的噴灑曲線。圖3是同一型號的噴頭在不同工作壓力下的噴灑曲線。在海上油氣生產設施上，空間位置是一個重要的制約因素，噴頭的安裝高度一般為0.6～0.8 m，最大距離不超過1 m。由圖2可知，在1 m的安裝高度內，不同噴頭的保護半徑相差不大。圖3表明，在不超過1 m的安裝高度內，不同工作壓力下的保護半徑幾乎相同。所以，在海上油氣生產設施上，噴頭的保護半徑與噴頭的型號、噴頭的工作壓力關系不大。在實際的設計工作中，可以先假定一個保護半徑，計算出噴頭的個數和每個噴頭的理論噴淋流量，根據式(1)就能夠計算出噴頭的流量系數K，從而進行噴頭的選型。根據噴頭選型的第三原則，同一個噴淋系統的噴頭型號要盡量少。若某種型號的噴頭數量較少，考慮安裝和維護方便，可以選擇其他型號的噴頭進行替代。

圖2 平臺上常見噴頭的噴灑曲線Fig.2 Performance curves of the spray nozzles used on offshore oil and gas production facility

圖3 不同工作壓力下N2W型噴頭的噴灑曲線Fig.3 Performance curves under different work pressures of the N2W spray nozzle

噴頭工作壓力的選擇對噴淋水量的影響較大。對固定水噴淋系統噴頭的工作壓力，不同的規范推薦值不同。NFPA 15[3]推薦值是1.4×105Pa，API RP 2030[4]推薦值是2.1×105Pa。國家標準GB 50219—2014要求，對于以滅火為目的的噴淋消防系統，噴頭設計壓力采用3.5×105Pa，對于以防護冷卻為目的的噴淋系統，噴頭設計壓力采用2×105Pa。目前海上油氣生產設施設計時均以滅火為設計目的，所以采用國家標準推薦的3.5×105Pa。如前所述,噴頭布置的重要原則是覆蓋設備表面，因覆蓋直徑與安裝高度關系最大，與壓力關系不大，對于同一個設備，不會因為噴頭的工作壓力增加而減少噴頭的個數。但采用較大的工作壓力時，實際噴淋水量較理論水量偏離較大，導致消防水系統水量增加，投資增加。

2.3 工程實例

下面以CFD WHPD井口平臺上的一個防火區域為例進行消防水量的計算，比較噴頭在不同工作壓力下實際噴淋水量偏離理論水量的大小。該防火區域內的設備以及相關參數見表1。

表1 某防火區域內需要水噴淋保護的設備及相關參數Table 1 Information about the equipment to be protected by fire water system on CFD WHPD platform

表1給出了各設備所需要的理論流量。實際噴淋流量必須不小于理論流量才能滿足規范的要求。但是實際噴淋水量偏離理論水量太大不僅造成水量的浪費，同時還使投資變大，增加了成本。優化噴頭工作條件，合理布置噴頭，使實際噴淋流量接近理論流量，在滿足規范要求的前提下減少投資、節約成本是在進行消防水系統設計時要考慮的問題。下面就噴頭在兩種不同工作壓力下的實際流量相對理論水量的偏離情況進行比較說明。

表2給出了分別在1.4×105Pa和3.5×105Pa工作壓力下實際噴淋水量的比較。由表2可知，在滿足規范要求的最低噴淋流量的條件下，選擇較小的噴頭工作壓力時實際噴淋流量和理論流量比較接近，能夠降低消防系統的水量。所以噴頭的優化布置和工作參數的合理選擇有利于降低噴淋水量，減少工程投資。

表2 不同工作壓力時的實際噴淋水量Table 2 Relationship between the fire water demand and work pressure of the spray nozzle

3 噴淋管網布置的原則和優化方法

噴淋管網的布置要考慮管網的均衡性，以保證最遠點與最近點噴頭之間的壓力損失最小，從而可以降低噴淋水量。管網的均衡性可以從以下幾個方面考慮。

首先是管道的空間布置。如果管道的空間布置對稱性較好，則各噴頭之間的壓力差較小，管網均衡性強。但是在海上油氣生產設施上空間有限，管道的布置受諸多因素限制，要布置成對稱性的管網，難度較大。

其次是管網管徑的選擇。管徑的選擇在實際工程中有兩種常用的方法：第一種是對一個噴淋區域采用一個管徑較大的主管，各個設備的噴淋管線從主管上直接引出；第二種方法是主管的管徑是變化的，隨著管道內流量的減少，管徑是逐漸縮小的。圖4示出了兩種不同的管徑選擇方式。第一種方法由于去各個設備的小管徑管道較長，壓力損失增加，從而導致了管網的非均衡性。第二種方法則由于到各個設備的小管徑管道較短，壓力損失較小，有利于增加管網的均衡性。

管網的均衡性還需要考慮噴淋閥相對設備的空間位置。噴頭多的設備盡量放在噴淋管網距離噴淋閥較遠的地方。這是因為距離噴淋閥較近的地方，壓力偏差更大，如果噴頭數量多，則水量偏差更多，從而導致消防水量的增加。

圖4 兩種不同的管徑選擇方法Fig.4 Diagram for two different ways to design fire water pipe diameter

4 結 語

從理論上分析，海上油氣生產設施的消防水流量計算可以從噴頭選型、噴頭工作壓力選擇、消防水噴淋管網的均衡性等方面進行優化。通過對渤海CFD WHPD固定生產平臺上的消防水噴淋系統的設計實例進行分析，可以發現噴頭型號的選擇和噴頭工作壓力的選擇對消防水流量的影響非常明顯，合理的噴頭選型和工作壓力選擇能夠在滿足規范和標準要求的前提下，減少消防水流量。

噴淋管網均衡優化布置對消防水量也有一定的影響。在實際工程設計中，應該根據海上油氣生產設施的總體布局，合理規劃消防水噴淋系統的管道走向；根據消防水流量從上游到下游逐漸遞減的規律，合理設計管道直徑，可以減少由于管道摩擦阻力損失帶來的壓力下降，從而提高管網的均衡性，降低噴頭偏離設計工作壓力的幅度，減少噴淋水量的浪費。

[1] 王少平.海上油氣田平臺安全定量分析[J].石油工業技術監督，2004(10)：20.

[2] 溫哲華.BZ25-1油田安全風險及其保障措施研究[D].成都：西南石油學院，2005.

[3] National Fire Protection Association. NFPA 15. Standard for water spray fixed systems for fire protection[S]. 2007.

[4] American Petroleum Institute. API RP 2030. Application of fixed water spray systems for fire protection in the petroleum and petrochemical industries[S]. 2005.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50219—2014.水噴霧滅火系統技術規范[S].2014.

DelugeSystemOptimizationDesignforOffshoreOilandGasProductionFacility

XIE Jin-hong, LI Jin, LI Yan-hua, ZHU Jiao-lin

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Deluge system is an important system on offshore oil and gas production facility. The design of deluge system is related with other offshore system design such as electric system and general layout design. Nozzle type selection and deluge distribution piping routing have much more impact on the fire water system design. We put forward an optimization method from the theoretical to the actual engineering design aspects. This method can decrease the water demand as much as possible and save the engineering cost on the premise of meeting the requirements of safety and standards.

offshore oil and gas production facility; deluge system; nozzle type selection; deluge distribution piping optimization

U664.88

A

2095-7297(2015)02-0128-05

2015-04-21

謝金洪(1979—)，男，工程師，主要從事海洋平臺設計方面的研究。