FPSO水消防系統設計

陳國剛

0 引言

PETROBRAS 70是一條排水量為35.35萬噸的新建FPSO，總長307.5 m，型寬54 m，型深31.5 m，最大操作吃水23.146 m，搭載16個上部模塊（不包括火炬塔和管廊），入籍ABS船級社，用于巴西桑托斯盆地鹽下油田開采。

FPSO是集人員居住、生產指揮、石油裝載、油氣水分離、油氣外輸等為一體的海上石油生產基地，設計壽命25年，長期在各種工況的海上油田作業，火災和爆炸隱患多，所以消防系統為保護人員安全和設備的正常運行顯得尤為重要。本船配備的消防系統主要由消防水系統、低倍泡沫系統、固定式二氧化碳滅火系統及便攜式滅火設備等組成。本文詳細介紹本船水消防系統的設備組成、管網布置及設備參數設計等，為后續設計提供借鑒和參考。

1 消防水系統

消防水系統是FPSO普遍應用的滅火系統之一，系統的主要目的是向主船體、上部模塊、生活區、機艙、主甲板等區域的消防栓和消防炮提供水源，以及為低倍泡沫滅火系統、水噴淋系統等供給海水。系統通過消防炮和消防栓噴射一定壓力的水柱對著火源進行降溫、冷卻，達到滅火的目的。

1.1 主要設備

1）主消防水泵

PETROBRAS 70 FPSO水消防系統主要配備了2套柴油機驅動的液壓消防泵組，分別位于生活區外部左右舷處，每套消防泵組由浸沒式液壓驅動海水提升泵、及位于集裝箱單元內的柴油機、柴油機驅動液壓動力單元和海水增壓泵、燃油柜、獨立通風系統、控制系統等組成，并在外部配備獨立的固定式二氧化碳滅火設備。

工作原理是柴油機啟動后一邊驅動液壓動力單元，從而提供海水提升泵的能量，一邊驅動海水增壓泵工作，確保系統提供所需壓力。其他輔助設備為柴油機的運行、操作、安全等方面提供保障。主消防水泵的自動啟動是通過主消防環路上的壓力傳感器控制，壓力低到設定值時，主消防水泵自動啟動，消防水泵停止要通過手動關閉實現。

柴油機型號為卡特皮勒3512C-HD，最大持續功率為1 895 kW，轉速為1 800 r/min。

2）消防水保壓泵

配備2臺。當系統出現泄漏，保壓罐液位降低到設定值時，自動啟動，維持管道系統壓力。

3）消防水保壓罐

配備1個。存儲部分海水，避免保壓泵頻繁啟動，同時控制保壓泵的啟動和停止。

4）設備參數表（表1）

表1 設備參數表

1.2 消防水系統管路布置

20″銅鎳材料的消防水環路布置在主甲板左右舷的管廊上，確保消防水可以從兩個方向供給。銅鎳材料有很好的耐腐蝕性，滿足了船舶服務年限的要求。系統設計采用濕式管道系統，上部模塊的消防水供給通過主消防環路上的18個銜接點來實現，同時根據 ABS規范要求，主甲板左右舷各配備 1個國際通岸接頭[1-2]。

1.3 水消防系統計算

水消防系統計算從四個方面進行分析：1）主消防水泵參數計算；2）消防水保壓泵參數計算；3）消防水保壓柜參數計算；4）消防系統管徑校核。

1.3.1 海水參數

1）海水操作溫度：25℃；

2）含鹽度：37 g/kg；

3）密度：1 025 kg/m3；

4）汽化壓力：3.22 kPa；

5）黏度：0.941×10-3Pa·s。

1.3.2 主消防水泵參數計算

消防水量計算要考慮全船各個區域，包括各個上部模塊滅火的最大需水量和兩股消防栓水量的總和（考慮40 m3/h）。根據巴西石油和ABS船級社要求，一個上部模塊著火所需要水量要考慮該模塊本身加臨近模塊及模塊下部所在主甲板圍欄滅火所需要水量的總和，可以不考慮對角模塊滅火需要水量。全船最大滅火區域為模塊M5/M6區域及其臨近的模塊M08/M09，及其下部所在主甲板圍欄外加兩股消防栓水量的總和（考慮40 m3/h），需要水量為2 278 m3/h，壓力為0.63 MPa。

消防水壓力計算考慮全船壓力最高點，即直升機甲板區域消防炮壓力。管道壓降計算參照 NFPA 15 8.5.1.1 要求[3]，通過Hazen-Williams方程求得[4]：

式中，Pm為管道壓降，MPa/m；Qm為體積流量，L/min；C為壓降系數（Hazen-Williams model），取150；dm為管道內徑，mm。

整個管網采用 PIPENET軟件進行分析，結合NFPA 15 8.5.2.1等效管長表（見表1），對管路附件和閥門的壓降進行考慮[4]。

表1 閥門和管附件當量管道長度

直升機甲板泡沫滅火系統流量計算公式：

式中，W為消防水流量，l/min；A為直升機甲板有效面積，m2；Q為消防水釋放量，取6 L/min·m2；M為泡沫含量，取3。

最終求得所需流量為136 m3/h。考慮泵出口和消防炮之間高度方向壓降及管道沿程損失，最終泵出口壓力為1.23 MPa。

結合泵的性能曲線（見圖1），對如上兩種特殊工況的評估都在泵的工況范圍之內，消防泵的選擇滿足系統要求。

圖1 泵的性能曲線

1.3.3 消防水保壓泵參數計算

濕式消防系統法蘭和消防栓等連接處有泄露的風險，消防主環路的壓力通過消防水保壓泵來維持，2臺消防水保壓泵（2×100%）位于機艙與海底總管相連處，保壓泵通過供給海水給保壓柜來維持消防環路壓力，消防水保壓泵排量計算公式：

式中，Qps為泵排量，L/min；N為消防栓數量。

全船消防栓數量為 126個，單處泄漏量為0.15 l/min。同時考慮到最遠處消防栓即直升機甲板消防栓保持靜態0.1 MPa的壓力。

選擇保壓泵參數為20 m3/h，壓力為0.78 MPa。

1.3.4 消防保壓柜參數計算

消防保壓柜總容積計算公式：

式中，V為消防保壓柜總容積，L；Qps為消防保壓泵流量，L/min；N1為消防保壓泵每小時啟動次數，取8；Pa為消防保壓泵啟動壓力，取0.77 MPa；Pb為消防保壓泵停止壓力，取0.7 MPa。

消防保壓柜有效容積計算公式：

最終，A= 1 129 L，選型消防保壓柜容積為1 200 L。

同時消防保壓柜的設計和建造參照 ASME VIII-1進行，同時滿足巴西NR-13和ABS船級社規范要求。

1.3.5 消防水管網的尺寸分析

消防水管網采用 PIPENET軟件進行分析，確認各個支路的尺寸、壓力及流量等信息，這里不具體闡述。

2 結論

FPSO水消防系統的是一個綜合性的復雜系統，設計人員要結合船級社規范、國際公約及業主要求，發揮自身的智慧和創造性，不斷優化設計，消除潛在危險，為后續船舶安全運行提供保障。

[1]ABS.Steel Vessel Rules[S].2016.

[2]IMO.International Convention for the Safety of Life at Sea (SOLAS)[S].2004.

[3]National Fire Protection Association.Standard for Water Spray Fixed Systems for Fire Protection: NFPA 15[S].2007.

[4]National Fire Protection Association.Installation of Stationary Pumps for Fire Protection: NFPA 20[S].2010.