CJ50自升式鉆井平臺火氣探測系統設計

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

1 系統概述

海上石油鉆井平臺含有大量高壓系統，系統的工作介質是高溫、高壓、易燃、易爆的氣體或液體，一旦發生事故，海上逃生和救援的難度均比陸地大很多。火氣探測系統是通過檢測、分析平臺環境中發生火災或可燃氣體泄漏情況，通過一系列動作等手段來預防及控制事故，消除潛在隱患。火災&氣體探測系統對潛在火災或氣體事故點提供一個可靠的前期探測預警。一旦在平臺上檢測到火災、可燃氣或有毒氣體泄漏，系統中執行“表決確認邏輯”，進而激活相應消防設備，發出報警。與此同時，確認火災&氣體報警信號會發送到ESD系統，根據預設邏輯執行風、油等設備切斷動作。

2 系統設計的準則

2.1 設計規范及標準

CJ50自升式鉆井平臺是本公司建造的全新產品，由荷蘭GustoMSC公司提供基本設計，詳細設計由設計所和Maric聯合承擔，船長、型寬都接近100 m，最大作業水深超過120 m，船員數量在150人，滿足UK-HSE、挪威北海要求，入ABS級。CJ50自升式鉆井平臺具有具備三重化、冗錯功能、系統集成化、設備自診斷以及更好的可用性和經濟性等特點，同時滿足SIL2的所有要求。根據對項目規格書進行梳理，CJ50項目中火氣探測系統涉及法規、標準如下。

1)ABS美國船級社鋼制船規范。

2)ABS MODU CODE美國船級社海上移動平臺入級與建造規范。

3)CCS中國船級社鋼質海船入級與建造規范。

4)CCS MODU CODE 中國船級社海上移動平臺入級與建造規范。

5)SOLAS海上生命安全公約。

6)國際海事組織(IMO)標準、公約。

7)國際電工組織IEC6108, IEC61511，IEC61892等

8)UK-HSE。

除了滿足上述法規外，還應考慮不同的掛旗國、工作水域的要求以及其他約定。

2.2 設計技術要求及配置原則

2.2.1 系統技術要求

1)系統應該具備獨立性，安全性。

2)應選用UPS電源。

3)具備自診斷功能。操作界面上可全面、準確地反映系統信息。

4)根據平臺房間的位置，通風系統的獨立性，設備關聯關系，將平臺劃分為若干火區。

5)將煙、溫探頭和報警按鈕根據所屬火區分為若干回路，分別連接在火災報警板上。

2.2.2 系統的配置原則

1)應具有冗余性或滿足可靠性驗證，并獨立于其他系統。

2)電源應滿足規格書、規范的要求，至少兩路供電電路。主應急電源應分別從主配電板和應急配電板供電，不經過二次配電系統。如應急電源為蓄電池，則應在圖紙中標識。

3)可尋址型探測器回路的設計應具有回路監測功能(如接地故障檢測，短路檢測和斷路檢測等)，并保證回路中任一單點故障不會造成整個回路失效。

4)選用防火電纜。

3 系統詳細設計

3.1 典型結構設計

目前在CJ50自升式平臺上火氣系統采用的是由控制板、回路驅動器、火氣探頭以及中控系統和操作站組成的結構形式，見圖1。

圖1 典型火氣探測結構形式

3.2 選型與布置

3.2.1 感煙探頭

在CJ50項目中，在船員起居處所、走廊、控制室，機艙、貨艙及其他類似場所都應布置感煙探頭，而在整個鉆井平臺上感煙探頭的使用比例高達80%。根據船級社規范要求，其布置應滿足最大覆蓋區域不超過74 m2,兩探測器中心距離應不超過11 m，距艙壁不超過5.5 m的要求，以控制室為例，設計方案見圖2，艙室的長度、寬度分別為：7.5 m和7.0 m,計算后認為，此控制室只需要布置一個感煙探頭。同時需注意的是機艙或者房間內的感煙探頭的布置位置應距離風管的風口至少1 m遠，對于層高高于12 m的處所，不推薦使用感煙探頭，而對于危險區域要使用本安型感煙探頭[1]。

圖2 感煙探頭布置示意

3.2.2 感溫探頭

感溫探頭在布置時應考慮其安裝間距與探頭安裝高度之間的相互影響，見表1。

在CJ50項目中，在廚房、洗衣間(帶烘干功能)、娛樂室(可吸煙)、茶水間(可吸煙)、吸煙室、焊接間及其他類似場所都應布置感溫探頭。例如在生活區的廚房間，平時內部產生大量的油煙等氣體，如果使用感煙探頭，會造成誤報警，因而選擇單獨配備感溫探頭。此外根據規范要求對于重要處所如機艙等機械處所，不允許單獨配備溫度探頭，以應急發電機間為例，其設計方案見圖3。作為鉆井平臺的核心艙室之一，采用了以感煙探頭為主，感溫式探頭為輔的組合設計，從而達到更安全有效的火災檢測，確保鉆井平臺在應急狀態下的運行及人員安全。

表1 安裝高度與間距 mm

圖3 感溫探頭布置示意

3.2.3 火焰探頭

火焰探頭主要用于檢測油類儲存、高燃火風險的設備及一些露天處所[2]。探頭的有效覆蓋范圍是一個圓錐體，水平方向100°，垂直方向75°。需要注意的是在布置火焰探頭時在其視野范圍內不能有遮擋物。在CJ50項目中，以應急發電機間為例，除了上述中采用感煙、感溫探頭組合設計外，由于發電機在工作時需要大量的燃油和滑油，一旦發生火災時，會造成整個平臺處于幾乎癱瘓狀態，因此在發電機柴油機側上方布置1個火焰探頭。

3.2.4 手動就地火災報警按鈕

手動就地火災報警按鈕應遍及起居場所、服務處所和控制站以及每個房間的進、出口或走道上，其位置應便于操作。甲板走廊內任何相鄰兩個按鈕之間的距離不大于20 m。在CJ50項目中，以應急發電機間為例，在應急發電機間的逃口處放置了手動報警按鈕，一旦發生失火，現場工作人員可以在逃生時第一時間觸發按鈕報警。

3.2.5 可燃氣、硫化氫探頭

在CJ50項目中，可燃氣探頭設定的測量范圍0～100%，LEL：20%為低報，40%為高報。硫化氫探頭設定的測量范圍0～100%，LEL：5%為低報，10%為高報。以廚房餐廳為例，設計方案見圖4。由于廚房對外的新風口是輸入新鮮空氣的主要來源，因此，在在新風口附近分別布置了可燃氣、硫化氫探頭，配合組合使用。考慮到可燃氣及硫化氫比空氣輕，可燃氣及硫化氫探頭應安裝在低位處，同時為減少探頭內部氣室積水對探頭的影響，可燃氣、硫化氫探頭應水平安裝。

圖4 廚房新風口可燃氣、硫化氫探頭布置示意

3.3 回路設計要點

1)覆蓋起居處所、服務處所和控制站探測器分區回路不應包括A 類機械處所探測器的分區。

2)回路不應兩次通過同一處所，當有特殊情況無法避免時(例如：一些較大的公共處所)，則第兩次需要通過該處所回路部分應盡量遠離回路的另一部分。

3)若探火系統是非可尋址型時，一般不允許一個分區在起居處所、服務處所和控制站內超過一層甲板，但包含圍閉梯道的分區除外。在任何情況下，不允許一個分區內多于50 個圍閉處所。若探火系統配備帶有遠距離及逐一識別能力的探測器(可尋址型)，則分區可覆蓋多層甲板，且所服務的圍閉處所數目不受限制[3]。

在CJ50項目中，火氣系統根據火區布置一共分為五個回路，分別是生活區左右區域各一個回路，機艙左右區域各一個回路，及逃生通道一個回路，全部接入火災控制板，典型回路見圖5。

回路中的感煙探頭屬于可尋址型，覆蓋C、B層的甲板區域，感煙探頭、就地報警按鈕一一相連，形成C形回路，其優點是當其中一個探頭故障時，通過環形回路使其他探頭不受影響，同時輸出端的感煙探頭(電纜編號為811BS-A21)與輸入端的感煙探頭(電纜編號為811BS-A45)屬于不同甲板的兩個不同處所，避免了同一回路兩次通過同一處所，提高了系統安全性。

而可燃氣、硫化氫探頭屬于非可尋址型，采用的是單一連接方式，全部接入安全系統控制站，典型回路圖見圖6。在鉆井工況時往往會發生可燃氣、硫化氫泄漏情況，這時只要單一可燃氣、硫化氫探頭檢測后發出報警，就可實施后續分級切斷動作，它具有一定的實效性。回路中的可燃氣體、硫化氫探頭分別布置在生活區主進出風口、廚房新風口以及機艙入口處等。一旦檢測出有可燃氣、硫化氫氣體，迅速報警并切斷相應風閘，阻止可燃氣、硫化氫體進入人員密集區域，實現對人員的安全保護。

圖5 感煙、感溫探頭典型回路

圖6 可燃氣、硫化氫探頭典型回路

3.4 火區劃分

根據功能和平臺設施的布置，通常應把平臺分為若干火區，每一火區都有適當的設施和防火隔堵以限制火災的蔓延。劃分火區時應綜合考慮平臺各處所的功能、內部的機電裝置以及通風系統等多方面的因素，通過合理劃分以最大限度地保持平臺的安全和作業能力，避免火氣關斷范圍被擴大。

整個CJ50項目劃分為24個火區。每個火區不超過一層甲板及一個主豎區，對于A類機械處所與控制站，服務處所和起居處所設在不同的火區中，同時廚房也設為一個獨立的火區。

3.5 分級切斷設計

對于感煙、感溫等探頭，為避免在火區內頻繁報警和非正常切斷，表決系統(邏輯處理器)在輸入端采用2ooN表決結構。對于可燃氣等探頭，考慮平臺爆炸氣體的危險性[4-5]，表決系統(邏輯處理器)在輸入端采用了2oo3表決結構，兩者輸出端統一采用了1oo1表決結構，執行風、油切斷動作及報警。通過1oo1、2ooN及2oo3等表決結構來增加系統的可靠性，所構成的典型詳細流程見圖7。手動切斷流程主要通過就地切斷按鈕以及中控系統的控制面板上進行手動操作來完成。

圖7 分級切斷觸發流程