潔凈氣體滅火在FPSO上的應用

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(1.中船郵輪科技發展有限公司，上海 200137；2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

FPSO儲存和處理著大量的可燃液體和氣體，很多區域屬于高失火危險處所。所選用的最佳滅火方式應為氣體滅火方式[1]，為此主要分析新型潔凈氣體NOVEC 1230消防滅火系統在FPSO上的應用。

1 氣體滅火介質簡介

傳統氣體滅火介質主要分為兩大類。

1)不燃氣體滅火劑。這類滅火劑是燃燒呈惰性的氣體，通過大量釋放隔絕氧氣以達到滅火的目的。以現在較為常用的二氧化碳滅火劑為代表。

2)哈龍(鹵代烷)滅火劑[2-3]。哈龍滅火劑以鹵代烷1211及1301為代表，此類滅火劑通過消除維持燃燒所必須的自由基，從而達到滅火的目的，屬于化學抑制滅火。其本身就具有一定毒性，并且滅火過程中產生的物質對環境有傷害，早已退出市場。

由于鹵代烷滅火劑環境親和性差，而傳統的不燃氣體滅火具有一定的局限性；且人類對環境保護的越來越重視，新一代的潔凈氣體滅火劑應運而生。

潔凈氣體滅火介質成為一種主流的氣體滅火介質用以替代傳統的氣體滅火劑。相較于傳統滅火氣體有兩大優點：對環境無污染；在一定滅火濃度范圍內對人體無損害?，F在市場上常用的潔凈氣體主要分為兩大類。

1)惰性氣體 ,以IG-541(煙烙盡)為代表。

2)鹵化烴潔凈氣體，以HFC-227ea(七氟丙烷)和 FK-5-1-12(NOVEC 1230)為代表。

經過搜集調研船舶領域氣體滅火介質的使用情況，發現目前市場上主流的氣體滅火介質選擇還是二氧化碳氣體滅火；而自2001年3M公司推出Novec1230至今，隨著海洋和大氣環境保護的意識逐步提高，二氧化碳的使用情況相對于市場的對比并沒有看出增長的趨勢，而Novec1230的市場使用率卻在逐步增加，見圖1。七氟丙烷和煙烙盡的使用則相對較少。

1.1 常用氣體滅火介質特性對比

目前常用的固定式氣體滅火介質主要有4種：CO2、IG-541、HFC-227ea和 FK-5-1-12[4]。在同等體積(100 m3)的房間內進行4種介質滅火試驗得出的結論見表1。

Novec1230廣泛適用于全淹沒保護系統、局部應用保護系統、定向噴射滅火系統以及便攜式滅火器系統中。除了應用于常規的氮氣加壓的氣體滅火系統中，Novec1230也適用于泵組式的液態消防噴淋系統。

表1 4種介質特性對比

*NOAEL:無可見有害作用水平值(即濃度超過該數值后可能會對人體造成損害)

1.2 FPSO上的氣體滅火介質選擇

常規的FPSO上裝備了大量油氣處理系統，其中的設備和處理裝置大都是做成模塊化的，以便多艘FPSO可以共用這些模塊，降低使用成本。模塊后期的安裝都是在甲板面上的，所以甲板面上不能夠設置太多房間或大型設備。這就導致大部設備都需要放置在機艙內，機艙空間就相對比較擁擠。另外，此類FPSO的推進器也是采用通用模塊的形式，需要航行時將推進器模塊安裝上即可，但是除卻推進器以外，推進器所需要的發電機等動力源設備都需要在機艙內配置好，機艙空間非常有限。另外基于對安全的重視，FPSO上的滅火系統在系統設計上基本都會采用冗余設計的方式，即系統需要備用，所以系統中氣瓶的數量是實際需求數量的2倍。除卻氣體滅火系統以外，還配有消防泵，高倍泡沫系統，甲板泡沫系統等。具體為消防泵共4臺(3用4備)；高倍泡沫泵2臺(1用1備)；甲板泡沫泵2臺(1用1備)，甲板泡沫罐2個(1用1備)。

此類設備都需要設有獨立的儲存空間。

根據規范要求，集中存儲的氣體滅火介質只能放置在甲板面及以上或以下一層的獨立房間內，并且房間需要有一個逃生通道直達室外。在機艙空間較為緊湊的情況下不占用太多空間。

根據以上對比，首先二氧化碳氣體滅火要求達到一定濃度才能具備滅火效果，而到達這一濃度后會對人體有害，形成窒息；其次二氧化碳屬于大量需求，壓力存儲，存儲所需空間較大且盡可能獨立，對所存放瓶組的區域也有嚴格的設計要求。

在同等條件下，CO2和IG-541由于其本身特性的原因，氣瓶充注率較低，因此，所需氣瓶數量要比HFC-227ea和 FK-5-1-12多，占用的空間較大，不適用于常規FPSO上使用。

HFC-227ea和 FK-5-1-12兩者特性比較相似，但是FK-5-1-12優于HFC-227ea的最主要的一點在于FK-5-1-12的設計滅火濃度(%)范圍大于HFC-227ea。HFC-227ea的設計滅火濃度為8%～9%，低于8%濃度時可能無法達到滅火效果，高于9%是，對人體會造成一定傷害，因此，對房間體積等數值的精確度要求較高。而FK-5-1-12的設計滅火濃度為6%～10%，只要確保被保護區域的濃度在該范圍內就可以保證滅火效果，也可確保對人體無害。

因此，FK-5-1-12是一種無毒害，易存儲，高效安全的氣體滅火介質，非常適合FPSO上的應用場合。

2 NOVEC 1230氣體滅火系統的設計

2.1 應用對比

NOVEC 1230新型滅火劑經過多年的發展和應用，已經逐步成熟并應用于船舶固定式氣體消防系統。在不同船舶項目上，結合項目船型本身的特點，NOVEC 1230固定式氣體滅火系統的主要有以下幾種對比選擇。

1)集中式(有獨立的氣體儲存室)或模塊式(氣瓶放置在被保護區域內)。

2)外儲壓式(配有獨立的氮氣驅動瓶，可輸送較遠距離)或內儲壓式(氮氣與藥劑混合存儲，輸送距離相對較短)。

在LNG船和FPSO船上，電氣設備間由于經常有人，切電氣設備較精密，一般都采用了NOVEC1230氣體滅火系統。對于部分較為集中的處所，一般選用內儲壓集中式(管路長度不超過20 m,高差不超過5 m)，如果有個別房間距離較遠或高差較大，可結合實際情況選擇模塊式或外儲壓式來解決傳輸距離過長的問題。

在LNG船上，個別距離較遠的房間選用的是模塊式，主要原因有以下兩點：距離太遠，已經超出了外儲壓式的極限輸送距離；房間較大，即便外儲壓式的能夠到達，但是時間上也不能滿足規范10 s內完全釋放的要求。

而在FPSO上則選用外儲壓系統來解決個別房間距離氣瓶儲存間較遠的問題，因為這些房間體積并不大，而且距離也在外儲壓式可接受的范圍內。

相比較而言，能夠使用外儲壓式來解決距離問題的話，一般就不采用模塊式，因為模塊式對被保護區域的通風、溫度要求較高(因為藥劑瓶存儲在房間內)，而且藥劑不能與其他處所共用。

2.2 氣瓶種類選型(內儲壓與外儲壓)

結合實際被保護處所的位置分布情況，考慮被保護處所至氣瓶儲存間的空間距離，結合流體壓降計算，選擇內儲壓式或外儲壓式的氣瓶。內儲壓氣瓶即靠自身氣瓶內所蘊含的壓力，推動氣體進入滅火管道后，釋放至保護區域，適合被保護區域較小的情況；外儲壓氣瓶需要在壓力儲氣瓶外部增加一個壓力瓶，通常為氮氣瓶，來增加氣體輸送能力，適合被保護區域較大的場合。

由于FPSO上應發間、左舷推進器間和右舷推進器間距離氣瓶儲存間較遠，如果使用內儲壓式系統，會因為管路過長、氣壓不足導致氣體無法被送至被保護處所，無法達到滅火效果。因此，選擇外儲壓式氣瓶，即每瓶NOVEC1230藥劑瓶都配備一個氮氣驅動瓶。氮氣瓶瓶頭會安裝一個減壓裝置，壓力減至3 MPa后,氮氣將先進入NOVEC1230藥劑瓶內，然后推動NOVEC1230藥劑至保護區域釋放。

2.3 介質用量計算

首先要確定各個被保護區域的容積，以某型FPSO船上被保護處所為例，各空間容積見表2。

表2 被保護處所的體積

之后使用下式進行所需氣體量的計算。

W=(V/S)×C/(100-C)

式中：C為5.8%，0 ℃時所需要的滅火濃度；S為0.066 4+0.0002 741t，t為溫度，℃；W為滅火所需的氣體量，kg；V為被保護區域的凈容積， m3(為總容積的90%)。

規范要求，同一氣體滅火系統內的鋼瓶容積一致。Noeco1230最大充裝密度為1 419 kg/m3(2.5 MPa) 和1 397 kg/m3(2.5 MPa)，在滅火系統的設計過程中應考慮器充裝密度不大于該上線值。

根據公式(1)和規范要求，依次計算出被保護區域所需的氣體量，詳見表3。

表3 計算結果(每瓶內氣體量為130 kg)

同一個系統內不考慮多個處所同時滅火的情況，因此，根據以上計算結果選擇一個最大被保護處所的容量作為該系統的設計容量，根據以上對比，系統容量最終選擇的氣瓶數量為7瓶。

2.4 系統控制及組成

NOVEC 1230系統的主要組成部分為：氣瓶、總管、分配管路、區域閥、遙控釋放裝置、報警器、噴嘴及若干附件、銘牌等。

當系統藥劑瓶使用完或出現泄漏需要重新充注時，為防止該系統處于無法使用的情況，FPSO的NOVEC1230采用100%藥劑瓶備用的系統設計，分為主系統和備用系統[8]。在系統的控制板上配有一個選擇開關，用于選擇哪個系統(主系統和備用系統)在線可用，見圖2。

主系統和備用系統共用總管，區域閥和釋放按鈕、噴嘴等部件。

當控制板上的選擇開關選擇主系統時，遙控釋放裝置會直接作用在主系統藥劑瓶上，選擇備用時則作用在備用系統。

選擇主系統時，要確保主系統的隔斷閥處于打開狀態，備用系統的隔斷閥處于關閉狀態。如果選擇開關的選擇與隔斷閥的開關狀態不一致，控制板會有蜂鳴報警。

系統采用電動遙控控制釋放，釋放按鈕直接控制氮氣驅動瓶的瓶頭。系統釋放：激活按鈕后被保護區域的風機和風閘會自動關斷，30 s延遲后，氮氣瓶頭會打開，氮氣會驅動NOVEC 1230藥劑瓶的瓶頭開啟，進入NOVEC 1230藥劑瓶驅動藥劑至被保護處所。每個被保護處所配有3個這樣的電控釋放按鈕，分別放置在氣瓶儲存間、就地以及防火控制站內。另外氮氣瓶頭閥和區域閥也可手動操作打開，當遙控釋放失效的情況下可以手動釋放。

除卻上述電控釋放按鈕、總管和氣瓶外，每個被保護處所配有一個區域閥，若干噴嘴、報警器、操作警示銘牌等。其次每個被保護處所的釋放管路在進入被保護處所前的管段上都配有一個壓力開關用以監測系統是否正常釋放。

管路設計時首先根據房間位置和體積大小布置管路走向并確定管路尺寸，盡量減少彎頭和三通的使用以減少壓力損失。然后將初步方案的數據輸入管路計算軟件進行計算，調整管路走向和尺寸，確保介質能夠在10 s內釋放至保護處所并且同處所內的每個噴嘴的排量大致相同。

3 結論

對4種常用的氣體滅火介質對比表明，2種氣體存儲空間需求較大，不適用于該型FPSO；HFC-227ea(七氟丙烷)和 FK-5-1-12(NOVEC1230)，雖然適用于該型FPSO，但是HFC-227ea的設計滅火濃度范圍較小，這樣對各項參數精確度要求較高，一旦參數出現誤差可能會導致無法到達滅火濃度或者是超過無可見有害作用水平值從而對人體造成傷害。只有FK-5-1-12(NOVEC1230)的各項特性及系統配置等符合FPSO上的滅火需求。