淺談海上平臺二氧化碳滅火系統的設計優化

劉超

中海石油（中國）有限公司海南分公司 海南 海口 570100

海上平臺是海上油氣開發生產的基礎，它常常分為固定式平臺和浮式生產存儲裝置（FPSO）。在海上平臺上，含有全流程的生產處理設備單元，能夠將天然氣、原油、凝析油、水等進行分離處理、增壓外輸。除此之外，海上平臺還配有電力系統、儀表自動控制系統又是平臺的中心樞紐，主要包括中控室、主配電間、應急配電間、電池間等。為了實現對重點房間的火災保護，在通用設計方案中，常選用CO2作或者七氟丙烷作為為滅火劑，進行設計。本研究中僅討論選用二氧化碳作為滅火劑時的方案優化。

1 二氧化碳滅火系統簡介

1.1 系統的組成

在二氧化碳滅火系統的通用設計方案中，需要從本質安全的角度出發，設計基礎上考慮單次的設備失效，系統的設計需要進行冗余設計，以保證CO2滅火系統的可靠性。通常，CO2系統主要由N2驅動氣瓶、CO2氣瓶組、區域選擇電磁閥組、釋放瓶組電磁閥組、CO2聲光報警、CO2釋放管匯管線、壓力開關、CO2釋放按鈕和CO2抑制按鈕等組成[1]。

其中，氮氣瓶組稱為驅動瓶組，共兩瓶，采用冗余設計，一用一備，主要由N2氣瓶、瓶頭閥、壓力表、氣體單向閥組成，作用是利用瓶內的高壓氮氣作為能量源，驅動氣動執行機構，實現滅火劑的釋放。

滅火劑的配兩方面，儲存CO2的氣瓶組稱為儲存瓶組，滅火劑按照最大用量的一倍進行配備，并分成兩組，實現冗余設計。

電動設備方面，采用電磁閥作為電動執行單元，包括氮氣驅動氣瓶的電磁閥，區域選擇電磁閥組，瓶數選擇電磁閥組，電磁閥配置的數量隨硬件管路進行配置，實現驅動功能。特別地，因為海上平臺存在多個需要保護的區域，需要考慮滅火劑的最佳適配容量，所以，在設計時需要設置區域選擇電磁閥組，以得到最佳的滅火系統設計方案。

系統狀態檢測方面，主要考慮兩個因素：人員的安全和系統的安全。因CO2釋放時為氣態，常用壓力開關作為系統狀態檢測的傳感器。通用設計中，壓力開關包括CO2管匯的壓力開關，氮氣驅動瓶的壓力開關，作用是使報警信號傳入到中控，提醒操作員。

控制模式方面，海上平臺操作人員較少，需要考慮設備的自動化功能需求。綜合考慮各項設計要求，通常，CO2滅火系統主要有程序自動釋放模式、人工手動釋放模式和應急機械手動釋放模式。

2 通用設計方案的安全控制邏輯

海上平臺通用的CO2滅火系統控制邏輯，如圖1所示。

圖1 CO2系統控制流程圖

2.1 氮氣驅動安全邏輯

CO2滅火系統，主要有3個壓力開關，分別是氮氣管匯上的一個壓力高開關，氮氣瓶配置的兩個壓力低開關。當可編程邏輯控制器（PLC）發出指令打開主氮氣驅動瓶后，而壓力高開關未動作，說明主瓶的氮氣未釋放，此時延時5s，命令備瓶的電磁閥動作，主備可以通過中控畫面切換，并且兩瓶互為主備。當壓力低開關動作時，說明氣瓶壓力低于設定點時，中控產生報警，提醒進行氣瓶的充壓或者更換。

2.2 主備CO2氣瓶組釋放安全邏輯

主要有每個氣瓶組的電磁閥，以及一個壓力高開關組成。當系統發出指令打開主CO2氣瓶時，而壓力高開關未動作，說明主瓶的CO2未釋放，此時延時5S，命令備瓶的電磁閥動作，主備可以通過中控畫面切換，和氮氣驅動主備為同一按鈕。

2.3 區域選擇電磁閥組監控邏輯

區域選擇電磁閥組，主要由區域選擇電磁閥和壓力開關高組成，每個區域對應一個壓力高開關，當某個區域的壓力高開關動作時，觸發這個區域的聲光報警，喇叭長鳴，燈長亮。

2.4 聲光報警模塊

CO2對人員有窒息作用，進行系統設計時，即使是無人的保護區域，也需要對照有人的保護區域來進行設計，配置相應的警報裝置。海上平臺配置的報警裝置，主要由室外防爆的聲光報警和室內的聲光報警組成，聲光報警的模式：觸發釋放條件的30s內，聲音為1s間隔的連續聲，報警燈狀態燈為1S間隔的閃爍，30s后聲音為連續長聲，報警燈長亮。

3 滅火劑設計要求

3.1 設計要求

以A平臺為例，使用的是全淹沒式CO2滅火系統，保護的區域一共有7個。根據規范NFPA 12（2000 版）計算防護區用量，參照NFPA 12（1-8.5.4）的規定，確定鋼瓶充裝藥劑量為45.4kg；參照NFPA 12（1-8.5.4）并且把保護區分為2種表面火災型和深位型，根據火災類型不同和燃燒物質不同又選擇不同的CO2濃度，例如：表面型的且燃燒物質為；參考GB50193—93《二氧化碳滅火系統設計規范》，確定滅火劑用量為最大防護區用量的一倍，并分組配置。

3.2 計算公式

CO2用量按照一下公式計算：

式中：Q——CO2用量，kg；

α——泄漏補償系數，取1.08；

K——體積系數，kg/m3；

V——保護房間的體積，m3

瓶數=Q/45.4。

3.3 計算案例

以A平臺為例，以鋼瓶充裝藥劑量為45.4kg為基礎，對各個受保護房間的藥劑瓶數進行計算，利用式（1）以及表1的參數得出各個區域的瓶數（利用進一法），但是考慮到氣瓶組的安裝簡單化，因此主變壓器間（計算得11瓶），中控室（計算得13瓶），電池間（計算得10瓶）都用13瓶的氣瓶組。計算結果詳見表1。

表1 A平臺CO2滅火劑用量

4 通用方案中存在的問題

4.1 系統缺少就地模式切換開關

海上平臺實際應用CO2滅火系統的過程中，發現當某一個受保護的房間長期處于檢修的過程中，CO2滅火系統將需要長期處于人工手動釋放模式的狀態，存在一定的安全隱患。在CO2滅火系統的通用設計方案中，人工手動釋放模式，是對應整個滅火系統的。當系統處于該模式下，則全部受保護的房間都將需要由人員在控制盤上，執行釋放動作。系統缺少了在房間本地的模式控制開關，無法實現單個房間是人工手動釋放模式保護，而其他受保護的房間采用自動保護的功能。

4.2 人員對CO2存在心理恐懼

海上平臺部分受CO2保護的房間，是長期有人駐守的房間，如中央控制室。CO2滅火劑在釋放的過程中，會發出巨大的噪聲，產生低溫，變成氣態的CO2氣體存在導致人員窒息的風險。這些特點，會對長期駐守的操作人員造成一定的心理負擔。這樣的心理負擔，可能會引起以下結果：

1）操作人員違反安全規定，將CO2滅火系統長期處于手動控制模式，造成一定程度上的安全隱患；

2）在進行系統測試時，主動規避系統自動釋放模式的測試，造成一定程度上的安全隱患；

3）長期存在的心理壓力對操作人員的身心健康造成一定的影響，不利于海上作業的安全進行。

5 通用方案的優化措施

5.1 系統增加就地模式切換開關

在每個受保護房間的外，增加當個房間的保護模式切換開關。增加受保護房間的自動模式和手動模式，或者增加更為智能化的隔離開關[3]。

自動保護模式（房間）：當房間門外就地保護模式開關處于自動模式時，整個房間的CO2保護，跟隨整個CO2滅火系統當前的運行模式。當房間門外就地保護模式開關處于手動模式時，該房間的CO2滅火保護機制，只能從位于房間門外的手動釋放按鈕進行釋放或者直接從CO2滅火劑瓶上進行解機械手動釋放。CO2滅火系統的自動釋放程序，不再對該房間生效。

增加針對房間的模式開關，需要重新修改CO2滅火系統控制程序，需要對程序的安全性從新進行分析評估后，方能執行。通過增加該模式開關，雖然提高了系統程序的復雜性，但能夠有效解決受保護房間在運維過程中存在的安全隱患。

5.2 選用更為安全的滅火劑

CO2滅火劑的選用，可以考慮使用七氟丙烷來進行替代[4]。相比于CO2，七氟丙烷是更為安全的滅火劑，其物理特性上，到降低氧氣濃度，起到控制火勢，逐步滅火的功能，不會導致人員窒息等優點，在使用的過程中，不容易讓使用者產生心理負擔，在海上平臺應用更具優勢。

6 結束語

從系統設計的角度出發，對海上平臺CO2滅火系統通用設計方案進行介紹和分析，介紹CO2用量的計算方法以及控制邏輯，著重分析了當前通用設計方案中存在的硬件缺陷及CO2滅火劑本身特性給操作人員帶來的心理負擔，并提出了相應的解決方案。通過被研究，能夠使人們對這套系統有更加深入的認識，通過不斷優化和升級海上平臺重要設備房間的火氣保護系統，最終達到本質安全的目的。