圓筒型浮式生產儲卸油裝置消防安全設計1

矯亞濤，竇培舉，高 鵬，宮景雯，秦逸涵

（中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

0 引言

浮式生產儲卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）是海上油氣田開發的重要生產裝置，被稱為“海上石油工廠”。FPSO可分為船型和圓筒型等兩種類型。目前，已有十幾艘船型FPSO 在中國南海海域進行作業。船型FPSO的單點系泊系統目前只能依賴進口，其價格非常昂貴。為解決系泊系統依賴進口的現狀，突破“卡脖子”技術，中國海洋石油集團有限公司自主研發設計了國內第一艘多點系泊的圓筒型FPSO。相對于船型FPSO，圓筒型FPSO 的主甲板層和部分工藝甲板層被擋浪板圍合，其密閉空間更多，設備布置更為緊湊，各種危險氣體更易于聚集，危險性更高。為確保系統設計的安全性，中國海洋石油集團有限公司委托挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）和中國船級社（China Classification Society，CCS）進行安全審查。

目前，國內外缺少專門針對圓筒型FPSO 的安全設計規范，本文結合圓筒型FPSO 的結構特點和國內外船級社的審查意見對消防系統的設計進行探討，以期為相似系統的設計提供一定參考。

1 圓筒型FPSO 布置與特點分析

1.1 主要工藝流程

圓筒型FPSO的工藝流程主要包含以下3方面：1）原油脫水；2）存儲與外輸；3）燃料油、燃料氣、生產水的處理。

預處理平臺的預處理液與電脫水器的高溫合格原油在換熱后依次進入一級分離器和二級分離器進行油-氣-水三相分離。分離器處理后的原油進入電脫水器，氣體經伴生氣脫硫裝置處理后供給鍋爐，水則進入生產水處理系統。電脫水器分離出的水會回摻到一級分離器。合格原油一部分進入燃料油處理系統進行脫硫處理，并用作電站燃料油，其余全部經換熱器冷卻后進入貨油艙進行儲存和外輸。

1.2 總體布置情況

圓筒型FPSO 主要由船體部分、上部組塊和生活樓組成，見圖1。

圖1 圓筒型FPSO 示意圖

船體部分的筒體直徑為72 m，主要由貨油艙、壓載艙、中空艙、淡水艙、飲用水艙、柴油艙、錨鏈艙、液壓油艙等公用艙組成。主甲板的直徑為82.8 m，布置有液壓泵站、機械設備間、分油機間、泡沫間、遙控液壓閥間、消防泵房等公用設備間。

上部組塊分為上下兩層，一層工藝甲板的直徑為90 m，二層甲板為不規則形狀。貫穿上下2 層甲板的A60 防火墻將上部組塊分為危險區和安全區。防火墻西側為危險區，主要布置原油處理系統、天然氣處理系統、生產水處理系統、清管球、天然氣脫硫撬、原油脫硫撬、硫黃儲存區等工藝處理模塊。防火墻東側為安全區，主要布置熱介質系統、惰性氣體系統等公用模塊，天然氣發電機、原油主機等電站模塊以及開關間、變壓器間、中控設備間等電氣模塊。

生活樓布置在FPSO 的最東側，主要包括廚房、餐廳、醫務室、洗衣間、廁所、庫房、健身房、資料室、會議室、宿舍、報務間、中控室、培訓室、I/O 柜間、候機廳和空調設備間等。其中，中控室、報務間、I/O 柜間、閱覽室與救生艇登艇口布置在同一層。在事故工況下，整層房間可作為臨時避難所供工作人員臨時集合、等待撤臺使用。

1.3 特點分析

從消防安全角度考慮，圓筒型FPSO 具有以下主要特點：1）工藝處理流程包含完整的原油處理流程、天然氣處理流程、燃料油處理流程和原油外輸處理流程等，各種工藝處理設備的種類繁多；2）FPSO 所在油田屬于高含硫油田，存在硫化氫（H2S）泄漏和硫黃火災風險；3）圓筒型FPSO 采用多點系泊系統，不能像單點系泊的船型FPSO 一樣通過旋轉船體始終使安全區位于上風向，一旦發生危險氣體泄漏、火災等事故，難以確保安全區工作人員的人身安全；4）與船型FPSO 不同，圓筒型FPSO 主甲板和一層工藝甲板的四周由擋浪墻圍合，通風條件極差，容易造成危險氣體聚集，增加事故風險；5）受甲板尺寸的限制，設備布置高度集中，逃生通道設置困難，一旦發生火災，人員逃生困難；6）船體為圓柱狀結構，與支持船或外輸油船碰撞的風險較大；7）船體外側附件較多，當船體破損傾覆時，逃生設施在下放過程中有可能與船體發生碰撞。

2 設計難點與解決方案

相較于船型FPSO，圓筒型FPSO 的危險性更高，人員逃生更加困難。因此，消防安全系統的設計尤為重要，必須給予足夠重視。目前國內外尚無專門針對圓筒型FPSO 的安全設計規范，本文參考現有FPSO 的設計規范，并結合圓筒型FPSO 的特點，對消防安全系統的設計難點進行探討。

2.1 水噴淋滅火系統噴灑分區原則

水噴淋滅火系統主要用于冷卻上部模塊的工藝設備和主甲板的公用設備，防止火災蔓延，為其他滅火措施爭取時間[1]。

目前尚無規范對水噴淋滅火系統的噴灑分區原則進行明確規定。在設計時，通常結合火區劃分、消防隔離及消防系統投資情況統籌決定。

對于船型FPSO，各工藝模塊一般由艏部到艉部依次布置[2]。國內通常先將工藝區內的不同工藝模塊劃分為單獨的小火區，再采用相鄰火區同時噴淋或獨立火區噴淋的原則。

1）相鄰火區同時噴淋原則

當某火區著火時，除著火區域開啟消防水噴淋外，與其相鄰的火區也同時開啟水噴淋，進而將著火區域與外界隔離[3]，見圖2。

圖2 相鄰火區噴淋原則示意圖

2）獨立火區噴淋原則

將各單獨火區采用水幕進行物理分隔。當某火區發生火災時，事故火區及火區分隔水幕同時噴水，將事故火區與其他火區單獨隔離，進而控制火勢蔓延，見圖3。

圖3 獨立火區噴淋原則示意圖

一層和二層工藝甲板工藝模塊的布置情況分別見圖4和圖5。FPSO的工藝模塊分為上下兩層布置，各模塊的布置較為緊湊、危險性較高。僅采用水幕對各模塊進行橫向物理分隔難以將事故火區與其他火區完全隔離。因此，獨立火區噴淋原則并不適用于圓筒型FPSO。

圖4 一層工藝甲板工藝模塊的布置情況

圖5 二層工藝甲板工藝模塊的布置情況

當采用相鄰火區同時噴淋原則時，最大消防水量發生在工藝模塊Ⅱ一層甲板著火工況下，此時除工藝模塊Ⅰ的二層甲板和丙烷瓶撬外，其余設備均需要噴淋，FPSO 的消防水量約為1 758 m3/h。

工藝模塊Ⅰ的二層甲板和丙烷瓶撬的噴淋水量僅為227 m3/h，所用消防水量較小。若采用全噴淋原則（即任一工藝模塊著火上部組塊的所有工藝模塊同時噴淋），FPSO 的消防水量約為1 985 m3/h。

相較于相鄰火區同時噴淋原則，全噴淋原則的安全性更強，劃分的火區更少，可節省4 套雨淋閥。因此，全噴淋原則更適用于圓筒型FPSO。

2.2 工藝甲板消防方式

在計算FPSO 的噴淋水量時，國內通常參照《浮式生產儲卸油裝置（FPSO）安全規則》[4]、Standard forWaterSprayFixedSystemsforFireProtection[5]和ApplicationofFixedWaterSpraySystemsforFire ProtectioninthePetroleumandPetrochemical Industries[6]的相關要求。為防止失火時工藝設備內的原油泄漏至甲板并引發流淌火災，DNV 要求同時對設備和空白甲板進行噴淋。

經計算，上部組塊工藝區的消防水量為3 500 m3/h，相對于僅對容器、設備和管匯進行噴淋，噴淋水量增加了1 781 m3/h，消防水量過大，對消防設備的選型、布置和采購造成了嚴重的影響。我國在設計各工藝模塊時，模塊的底部均設有擋油槽和排泄系統，原油擴散至甲板的可能性較小，故僅對油氣系統中的容器、設備以及管匯進行噴淋保護，不考慮外輸滾筒與工藝設備同時著火的情況。通過外輸滾筒周邊的原有消防炮和增設的消防炮對空白甲板區域進行保護，維持原設計消防水量不變。

2.3 甲板泡沫滅火系統噴灑裝置

根據《浮式儲油生產裝置（FPSO）安全規則》的相關要求，甲板泡沫滅火系統應能將泡沫輸送到整個原油區域甲板及甲板以上的原油處理模塊。此外，甲板泡沫滅火系統還應能將泡沫送入任何已破裂的原油艙內。

對于船型FPSO，通常將中間原油艙部分劃分為危險Ⅰ區，將甲板兩側的水艙部分劃分為安全區。因此，通常將手動泡沫消防炮布置在甲板兩側的安全區，以便對中間原油艙及甲板進行保護。

根據MobileandFixedOffshoreUnits-Electrical Installations-Part7:HazardousAreas[7]的相關要求，FPSO 和其他浮式生產裝置需要特別考慮主甲板和生產甲板之間的區域，除主甲板不受上層甲板的影響且能夠獲得自然通風的情況外，該區域均應劃分為危險Ⅰ區。

根據《海上浮式裝置入級規范》[8]的相關要求，將處于污油水艙上方并與之相鄰的圍蔽及半圍蔽處所劃分為危險Ⅰ區。由于圓筒型FPSO 主甲板四周被擋浪板圍合，屬于半圍蔽處所，不能保證充分通風，因此，圓筒型FPSO 的整個主甲板區域均屬于危險Ⅰ區，無安全區。

根據CCS[8]與DNV[9]的相關要求，手控消防炮應布置于受保護和工作人員易于到達的安全區。因此，傳統的手控消防炮并不能應用于圓筒型FPSO。

目前，遙控消防炮雖尚未應用于海洋平臺或浮式生產裝置，但已在陸上大量應用并取得了良好的效果。因此，可采用遙控消防炮替代手控消防炮，將其作為主甲板泡沫滅火系統的泡沫噴射裝置。

對于陸上應用遙控消防炮，操作人員可在遙控消防炮的附近設置遙控盤，在觀察火勢的同時通過遙控盤操作消防炮滅火。然而，由于圓筒型FPSO的整個主甲板均為危險Ⅰ區，設置遙控操作盤沒有實際意義。因此，圓筒型FPSO 的主甲板消防炮均不設置遙控操作盤，僅由操作人員根據工藝甲板底部攝像頭提供的信息對主甲板泡沫滅火系統進行操作，其滅火效率受攝像頭監控精度的影響較大。

2.4 氣體滅火系統規范

通常情況下，船型FPSO 的船體部分和上部組塊的氣體滅火系統需要分開設計。由于含有輪機艙等機械處所，船體部分通常采用二氧化碳（CO2）滅火系統；上部組塊通常采用七氟丙烷滅火系統。由于采用多點固定系泊系統，圓筒型FPSO 取消了輪機艙的設置，考慮到二氧化碳滅火系統存在儲存壓力高、在有人場所使用存在風險等缺點[10]，圓筒型FPSO 氣體滅火系統采用一體化設計模式，船體與上部組塊均采用七氟丙烷滅火系統。

由于船體部分涉及入級等問題，在設計氣體滅火系統時通常遵循國際消防規范Adoptionofthe InternationalCodeforFireSafetySystems[11]，在設計上部組塊時通常遵循國家標準GB 55036—2022[12]。這兩本標準規范對氣體滅火的規定有諸多矛盾之處，在采用一體化設計時，船體部分與上部組塊可統一按照GB 55036—2022 進行設計。

2.5 發電機房滅火系統

主發電機房是海上油氣生產設施最重要的場所之一，也是火災風險最高的場所之一。圓筒型FPSO采用了低閃點的原油發電機，其危險性高、空間大、火災爆炸難以控制，一旦發生火災將造成巨大的經濟損失。

目前國內規范對于主發電機房固定式滅火系統的規定并不是特別明確，采用氣體滅火系統或與之效果等同的系統均可?？紤]到產品的成熟性，該圓筒型FPSO 采用氣體滅火系統。

高壓細水霧滅火系統具有能承受一定自然或機械通風、安全、節能、環保、滅火性能可靠、對環境密閉性無特殊要求等優點[13]。相較于氣體滅火系統，高壓細水霧滅火系統的占地面積更小、荷載更輕。由于圓筒型FPSO 的設備布置過于緊湊，甲板面積較小，采用高壓細水霧滅火系統對發電機房進行保護更為合理、有效。

3 結論

由于國內外缺少專門針對圓筒型FPSO 的安全設計規范，各系統在設計時應結合實際情況進行探討。本文結合圓筒型FPSO 的結構形式和工藝布置對水噴淋系統的噴灑原則、甲板泡沫滅火系統的噴灑裝置設置、電氣房間的氣體滅火系統設置以及發電機房的滅火系統選擇進行了介紹與分析。針對圓筒型FPSO 的特點，在設計過程中進行了如下創新：

1）在FPSO 水噴淋系統中采用了全噴淋原則。

2）在甲板泡沫滅火系統中應用遙控消防炮。

3）在FPSO 氣體滅火系統中采用一體化設計并確定了設計原則。本文的研究成果可為圓筒型FPSO 的消防安全設計提供一定參考。