高壓細水霧在半潛式修井及生活平臺上的應用

周科偉，丁天祥

(江蘇新揚子造船有限公司，江蘇 靖江214532)

0 引言

由于海洋平臺工作海域離陸地較遠，又通常無自航能力，所以需要發電機來給平臺提供所有的生活、生產能源。發電機作為平臺的重要設備，其安全保護措施一直是設計和運行管理中的重點。 發電機傳統的消防保護方式有：固定式泡沫滅火、固定式二氧化碳滅火、 FM200滅火系統、水噴淋和低壓水霧局部滅火。這些滅火方式在一定程度上解決了發電機消防安全問題，但是在人身安全、環境保護及平臺整體設計上逐漸顯現劣勢, 通常體現在消耗后無法得到及時補充，工作區域無法快速恢復生產(如CO2釋放后需要長時間通風或艙室大量積水)及滅火介質對環境的影響等。隨著消防技術的日益成熟和發展，在火勢抑制的方法上提出了更高的要求，即：快速反應和相關系統的連鎖、滅火的有效性、經濟性以及對環境保護的考慮等。近年來，高壓細水霧以其低耗水量、滅火效率高、無污染、良好的阻電性等優點在海洋平臺領域得到越來越廣泛的應用[1]。

半潛式修井及生活平臺Delta CAT500主要面對墨西哥灣，同時適用全世界范圍的淺水、深水作業。該平臺采用非對稱的機翼型浮體，以減少波浪阻力及受風面積、提高平臺的運動性能及整體的居住舒適度，并通過預制模塊化艙室試驗，實現可容納500人居住的海上酒店設計，達到居住艙室45 dB以下的超靜音要求。另外在設計階段，根據墨西哥船東的要求，針對墨西哥灣稠油油田的特點，為其專門設計和配置了特種修井服務設備及系統，尤其是其中的大型液態氮的儲存及使用控制系統，屬國內首創。由于平臺通常離岸較遠，故對于作業和生活要求都比較高的半潛式平臺Delta CAT500，消防十分重要。

本文通過對高壓細水霧滅火原理的探討，對比傳統的低壓水霧系統的用水量、布置、重量和效果等，分析高壓細水霧的優缺點以及在海洋平臺上的可適用性。

1 高壓細水霧系統的定義和滅火機理

細水霧是相對于水噴霧的概念，通過特殊噴頭，使用高壓產生的水微粒。在美國消防協會細水霧消防系統規范NFPA750中，細水霧是指在最小的設計工作壓力產生的，距噴頭1 m處的平面上，99%的霧滴直徑不超過1 000 μm，以Dv0.99<1 000 μm來表示(Dv0.99表示體積比占99%的水微粒直徑)。根據國標GB/T 22241—2008，按水霧中的水粒大小，細水霧分為3級：第1級細水霧的體積累積分布直徑Dv0.99小于200 μm ; 第二級細水霧的體積累積分布直徑Dv0.99大于等于200 μm且小于等于400 μm；第三級細水霧的體積累積分布直徑Dv0.99大于400 μm小于1 000 μm。

高壓細水霧系統接收釋放信號后，高壓泵將水流加壓并經過特殊的噴頭將水流霧化。由于霧化后的細水霧霧滴直徑很小，相比于同樣體積的水，其表面積劇增，熱交換接觸面放大很多倍，從而加強了熱交換功能，可以起到很好的降溫效果。 霧滴吸收熱量后被迅速汽化，體積急劇加大，通常可以達到原來的1 700多倍，從而降低了空氣中的氧氣濃度并降低燃燒中的氧化反應速度，起到對火勢窒息的作用。由此可見，細水霧的滅火機理：一是吸收熱量并迅速降溫；二是抑制氧化反應。

2 海洋平臺發電機室的適用性

由于海洋平臺的發電機燃燒所使用的燃料通常為0#柴油，也有部分使用重油作燃料，以天然氣為燃料的平臺比較少，故其火災的主要類型為油類火災、電氣類火災。電氣類火災通常由線路短路、高負荷引起的線路燃燒等故障引發。而油類火災是指在發電機工作過程中柴油、燃油泄漏，或者油氣透氣過程中遇熱引發的失火。針對發電機電氣類失火的情況，完全可以選用可產生Dv0.99小于200 μm水霧的噴頭，其水微粒極小，具有明顯的阻電功能。另外，該海洋平臺高壓水霧系統的水源主要是指經過造水機、礦化裝置等處理過的淡水，離子濃度低，可以防止在水霧釋放過程中可能出現的電離現象，即在水霧釋放時，房間內的設備即使處于通電工作狀態，人員也無需進行疏散，有利于防火控制及人員生命安全。

3 實船高壓細水霧消防系統的設計

3.1 水霧系統的消防計算分析

半潛式修井及生活平臺Delta CAT500主要面對墨西哥灣，同時適用淺水和深水作業。其底層甲板共有6個發電機間，左右舷各3個。單個發電機間的長×寬×高為12.2 m×5 m×6.4 m ，凈容積為390.4 m3。 每個房間布置1臺W8L32E發電機，房間采用A60防火分隔。6臺發電機的燃油系統、啟動空氣系統、電力系統等互相獨立，故每個房間的消防也需設計獨立保護系統，不與其他房間串聯。在選用固定式滅火系統過程中，若選用CO2系統，CO2釋放時和釋放后短時間內都不允許人員進入，且對于海洋平臺，尤其是深海平臺，CO2瓶屬于一次性使用品，后續補給相對困難，故主要對比了在保護整個機械處所的情況下，水噴霧系統和高壓細水霧系統的設計。

若使用水噴霧系統(全覆蓋)， 系統采用均衡管網，管道通常采用熱鍍鋅鋼管，用卡套或者法蘭連接。系統工作壓力為1.6 MPa，噴頭安裝高度為5 m。 根據船級社規范，系統設計噴霧量為5 L/(min·m2), 持續時間T=20 min, 則系統的設計流量為Q=18.3 m3/h, 消防水量V=6.1 m3。

若使用高壓細水霧滅火系統(全淹沒)，采用均衡管網全淹沒方式的開式系統，管線通常采用熔點較高的316L不銹鋼管。系統工作壓力為15 MPa，噴頭安裝高度為5 m。根據船規要求，系統設計噴霧強度為0.156 L/(min·m3)，持續噴霧時間為T=20 min，則系統的設計流量Q=3.65 m3/h，消防水量V=1.22 m3。

由以上計算可知，相對于水噴霧滅火系統所需的設計流量18.3 m3/h和消防水量6.1 m3，高壓細水霧滅火系統的設計流量和消防水量均為其1/5。而在配備水噴霧的消防系統上，根據船級社規范需要配置相應的消防水源，通常為蒸餾水艙或者淡水艙，且水艙需設置最低水位。根據以上關于水噴霧系統的計算，艙內預留最低水量比較大。 另外一種情況為局部低壓水噴霧與CO2系統的結合來保護整個發電機室。按此種情況計算，低壓水噴霧所需的水量相比于全覆蓋式相對減少，但增加了CO2滅火。 而若選用高壓細水霧，則可以用極少的水量來保護整個發電機間，其水源可來自于淡水、蒸餾水系統，應急的情況還可以從消防系統供水，且無需預留水量。由高壓和特殊噴頭產生的細小水顆粒對電氣設備有良好的阻電功能。相對于低壓水噴霧滅火系統，細水霧滅火還具有阻隔熱輻射的作用，滅火能力更強。

3.2 系統組成

半潛式修井及生活平臺Delta CAT500高壓細水霧系統主要包括高壓泵、泵組控制柜、進水電磁閥、儲水罐、補水增壓裝置、供水管網、區域控制閥、噴頭、火災探測報警系統等。

高壓細水霧噴頭是高壓細水霧滅火系統中的關鍵部件，每個噴頭包含一個或多個噴頭，由噴頭本體、噴頭座、噴頭、導流裝置和濾網組成。在高壓作用下，利用離心、撞擊或射流等機械方式將水霧化為微米級別的水霧。在實際設計過程中，需結合實際預安裝高度以及廠家提供的各型噴頭參數進行合理選型。根據國際海事組織(IMO)要求，平臺發電機室設計為全淹沒式滅火，故噴頭布置時需考慮到房間角落、設備遮擋處的水霧濃度效果。在遇上阻擋物(管子、風管、燈具燈)的情況下，需保證噴頭下沿與阻擋物的下沿垂直距離不能低于0.1 m，水平距離不能低于垂直距離的1.6倍(噴頭安裝要求)。由于噴射水霧直徑微小，為保證良好的水霧效果，水質和噴頭保護顯得尤為重要，因此造水機生產的淡水經過重重過濾后，使其水質相對純凈,滿足噴霧要求。水從噴頭中噴出前會經過水霧系統的過濾，有利于保護噴頭。設計上給出三路水源與其他系統相連：飲用水、淡水、消防水(海水)。海水在作為極端應急的情況下選擇的一種水源，水質相對其他兩種水源雜質較多。 另外，高壓細水霧的實際管網布置需要經過壓降計算，且選取最遠點并計算出口壓力來保證所有噴頭噴射效果。

高壓泵組為整個系統的核心部件之一，是產生高壓水的關鍵設備。通常高壓泵主要部件采用不銹鋼制成，泵的活動部件通過水或者油進行潤滑。通過泵組組合可實現多種流量輸出。泵組控制柜的功能用于對高壓細水霧泵組、補水增壓泵、穩壓泵進行控制。控制柜自帶雙電源自動轉換裝置，具有手動、自動切換功能，并與火災自動報警系統聯動控制。 高壓水霧系統由于不設置特定的儲水艙，它的水源來自于別的供水系統，所以在選用水源的時候需考慮到高壓水霧單元的流量與其他水源流量的匹配問題，防止出現供水量大或者供水量不足的問題。設計時，在泵組單元的補水處設置一個補水增壓裝置，其目的一是控制進水量；二是給高壓泵組正壓供水，即把水箱里的靜壓水加壓到0.2～0.6 MPa后供應給高壓柱塞泵，保證柱塞泵的高效率工作。通過區域控制閥來選擇水霧釋放區域，控制方式分為手動和自動兩種，均可向控制室反饋信號。控制閥在自動操作失效的情況可手動快速打開閥門。實船高壓細水霧系統見圖1。

圖1 實船高壓細水霧系統原理圖

3.3 工作過程

在每個主發電機室分布數個熱探頭和煙霧探頭，當這兩種探頭只接收到一種信號時并不會觸發報警信號，只有當兩種探頭都接收到了各自報警信號的時候才會觸發報警，并將信號傳輸給控制中心和水霧單元，打開相應的區域閥，發出聲光報警，釋放高壓水霧。 釋放過程中，水霧單元的水箱水位下降，補水裝置自動打開與水源連接的電動閥門進行補水，高位停低位補，保證系統水量。由于設計為全淹沒式滅火，若使用的水源為海水，海水具備電離性，結合考慮到發電機的IP等級而進行手動釋放。海水作為最終的備用水源，使用海水進行滅火，需盡量停止運行發電機，且需在水霧釋放后將房間清潔然后再啟動發電機，而使用淡水則無需停止發電機。在房間著火的情況下，也可直接手動就地啟動。根據船級社規范，就地啟動控制箱不得置于失火房間內，故啟動開關布置在該房間的緊鄰易到達區域。另外考慮到失火區域不易到達，該系統所有的手動閥門等附件均需被集中布置于易達到和失火區域以外的敞開區域集中控制。除就地啟動和自動啟動外，該系統還配置了遠程啟動和監控。該系統不配備蓄電池，故水霧單元的電源需要由480 V的應急配電板或主配電板供電。

由于高壓細水霧系統是全淹沒式滅火，針對有油水產生的房間，個別船級社建議在房間內的污水井上方布置第二種滅火方式，如泡沫。 通過低量的泡沫與水以一定比例的混合來確保流入污水井的液體不會繼續燃燒。

4 高壓細水霧系統的優缺點

(1)用水量減少易于清潔。常規水噴霧的用水量是水噴淋的70%～90%，高壓細水霧系統的用水量可以達到常規水噴霧的20%以下；且易于清潔，可在系統工作后快速地投入工作，節省時間。

(2)滅火效率高。由于水粒經過高壓泵和高壓水霧噴頭，其直徑非常小，大大地增加了其與火源接觸的表面積。

(3)節省空間重量。高壓細水霧系統使用的小管徑不銹鋼管相比傳統水噴淋系統的大管徑管道可以減少50%的管道重量。另外，可節省大量的布置空間，無需布置額外的水量用于消防滅火。對于大多數空間都較為緊湊的海洋平臺，這樣的設計可以使平臺設備布置得更加合理高效。

(4)降低滅火損失和提高電氣安全性。對于水滅火系統，有些情況下由于使用大量水滅火造成的水漬損失會大于火災本身造成的損失。而高壓細水霧噴頭選用可產生Dv0.99小于200 μm水霧的類型具有明顯的阻電功能，可用于電力設備保護。

(5)安全環保。細水霧對人體無害，對環境無影響，即使人員呼吸到水霧也不會對人造成損傷，這是相對于采用CO2消防系統的最大優勢。多年來，CO2消防系統一直被用于各種鉆井平臺和石油生產平臺，但也曾多次發生CO2對保護區域不能及時撤離的相關工作人員產生致命傷害的事例。

(6)具有很強的穩定性和持續性。采用細水霧消防，滅火后可以很快恢復生產和生活。10 min水霧消防排放產生的積水通常不會超過25.4 mm，很快可以清理干凈，繼而恢復工作。

(7)局限性。因噴頭孔徑小，為避免噴頭堵塞，對水質要求非常高。高壓細水霧系統由于其水粒微小，在海工領域上通常用于一些封閉的空間的消防保護，如主發電機室或者生活區域等。

5 結語

半潛式修井及生活平臺Delta CAT500采用的這種高壓細水霧滅火系統與泡沫、二氧化碳等滅火系統相比，具有滅火性能高、安全性高、經濟性好、安裝使用方便等優點，是一種安全、清潔、環保、高效的滅火系統。在實際的設計工作中，高壓細水霧系統的可持續性解決了深海平臺的消防滅火問題，在不特意設計用水艙的情況給平臺提供了一種可反復使用而無需額外補充的滅火方式，為降低平臺建造成本、節省空間布置和提高平臺可變載荷等方面起到了積極作用。這種滅火效率高，對人員無傷害，有利于電氣設備保護且對環境無影響的滅火技術，非常適合海洋平臺，尤其是深海平臺的應用。