■ 王占軍 許偉成 褚麗麗

一、引言

FPSO是英文Floating Production Storage and Offloading的縮寫，中文譯為浮式生產(chǎn)、儲油、卸油船。這種船并不是一種真正意義上用于運輸?shù)拇?，它兼有生產(chǎn)、儲油、卸油的功能，一般與水下采油裝置和穿梭油船組成一套完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，是目前海洋工程船舶中的高技術產(chǎn)品。FPSO 的主要特點為機動性和運移性好，具有適應深水采油（與海底完井系統(tǒng)組合）的能力、在深水域中較大的抗風浪能力、大產(chǎn)量的油氣水生產(chǎn)處理能力和大的原油儲存能力。FPSO可以與導管架井口平臺組合，也可以與自升式鉆采平臺組合成為完整的海上采油、油氣處理和儲油、卸油系統(tǒng)，但更主要的是用于深水采油，與海底采油系統(tǒng)（包括海底采油樹、海底注水井、海底管匯等）和穿梭油輪組合成為完整的深水采油、油氣處理、原油儲存和卸油系統(tǒng)。浮式生產(chǎn)設施的應用已很普遍，在全世界已有100多艘FPSO正在操作運行，甚至有取代固定式平臺的趨勢。在中國海洋石油發(fā)展的能源產(chǎn)業(yè)板塊中，F(xiàn)PSO產(chǎn)業(yè)有著舉足輕重的地位，支持著海上油田近50 %的石油產(chǎn)能。目前在中國海域服務的FPSO共16艘，其中渤海海域7艘，南海西部海域2艘，南海東部海域7艘。

為了響應“十一五”節(jié)能減排工作計劃，中國海油石油公司對現(xiàn)有FPSO的柴油發(fā)動機余熱回收系統(tǒng)進行了升級改造，增加了主機尾氣余熱回收裝置，對主機排氣熱量進行二次回收。利用這些回收的熱量足以加熱燃油以及供船員日常生活用氣，并可避免冬季單靠廢氣鍋爐供熱，不能滿足船舶正常需要的情況發(fā)生。主機尾氣余熱回收裝置爐膛由氣、水、油管及煙道箱組成，它是利用熱管作為傳熱元件來回收船舶主機排氣余熱的。由于熱管的傳熱效率高，熱敏度高，又結構簡單、運行可靠，使其具有重量輕、體積小、蒸發(fā)量大等特點，這是其它型式的廢氣鍋爐無法比擬的。主機尾氣余熱回收裝置內(nèi)，用于燃油、氣、水加熱的柴油發(fā)動機尾氣排放溫度高達350℃，因設備故障引起火災的危險性很高。

從專業(yè)技術角度分析，造成火災的原因主要有：（1）鼓包、爆管引起火災；（2）泄漏引起火災；（3）停電時處理不當引起火災。

人們將FPSO比喻為一枚“定時炸彈”，船上存在大量易燃易爆的物質(zhì)，稍有不慎就會引發(fā)嚴重的后果，因此FPSO上所有設備的防火安全是重中之重。主機尾氣余熱回收裝置是火災危險性很高的設備，應配備合適的滅火裝置，并有專人檢查維護，確保滅火裝置能正常使用。從主機尾氣余熱回收裝置的結構特點及可燃介質(zhì)的成分分析，固定式氣體滅火系統(tǒng)是比較可靠的滅火設備。考慮到主機尾氣余熱回收裝置爐膛上部是開放式的，而七氟丙烷、惰性氣體等滅火系統(tǒng)對保護處所的密封性要求很高，因此選用固定式CO2滅火系統(tǒng)進行保護。以下結合工程的實例，對固定式CO2滅火系統(tǒng)的設計計算方法、系統(tǒng)結構和工作原理，進行詳細的介紹。

二、固定式CO2滅火系統(tǒng)的設計計算

《國際消防安全系統(tǒng)規(guī)則》（以下簡稱FSS規(guī)則）中規(guī)定的固定式CO2滅火系統(tǒng)滅火劑量計算方法，是基于基本密閉空間的保護處所。主機尾氣余熱回收裝置的爐膛，上部開口面積相對較大，按FSS規(guī)則的要求來計算CO2滅火劑淹沒用量，是不科學的，在噴放過程中從開口泄漏的CO2，應考慮補償量。NFPA12標準中CO2滅火劑用量的計算，對具有較大開口面積的保護處所，給出了明確的計算方法。因此爐膛固定式CO2滅火系統(tǒng)的設計計算，應參照NFPA12標準要求。下面結合某工程實例，進行設計計算的介紹。

（一）主機尾氣余熱回收裝置爐膛設計計算參數(shù)。

工作環(huán)境溫度——200℃

爐膛體積——13 m3

通風開口：

頂部開口面積——0.785 4 m2

底部開口面積——0.785 4 m2

設計噴放時間——1 min

設計濃度——37 %

淹沒系數(shù)——1.07 kg／m3

物質(zhì)變換系數(shù)——1.14

溫度補償系數(shù)——1.384

開口CO2泄漏速率——174kg／min·m2（根據(jù)NFPA12 圖A-2-3（b）查得）

（二）固定式CO2淹沒用量計算。

CO2滅火劑淹沒用量：

Q1=13×1.07×1.14×1.384=21.95 kg

CO2滅火劑泄漏補償量：

Q2=174×0.785 4=136.66 kg

（三）由于泄漏補償量超過了基本淹沒用量，因此，CO2滅火劑用量計算應按局部應用系統(tǒng)考慮，即采用體積噴射速率的方法計算。

固定式CO2局部應用系統(tǒng)設計計算參數(shù)如下：

爐膛體積——13 m3

通風開口：

頂部開口面積——0.785 4 m2

底部開口面積——0.785 4 m2

爐膛內(nèi)腔表面積——40.715 m2

設計噴放時間——0.5 min

物質(zhì)變換系數(shù)——1.14

裕度系數(shù)——1.4

（四）固定式CO2局部應用滅火劑用量計算。

噴射速率：

q=（16-4）×2×0.7854 ÷ 40.715 + 4

= 4.463 kg／min·m3

噴射流量：

q1=4.463×13=58.02 kg／min

CO2需要量：

Q=1.4×1.14×58.02×0.5=46.3 kg

（五）CO2滅火劑鋼瓶數(shù)量。

根據(jù)計算結果，CO2滅火劑鋼瓶數(shù)量：

N=46.3÷26=1.78≈2個

鋼瓶規(guī)格選用40 L，每瓶充裝CO2滅火劑26 kg。考慮到CO2滅火劑充裝困難，實際配置4個鋼瓶，2主2備。

（六）滅火劑噴放管路設計。

按照《船用CO2滅火裝置》（CB/T 3294—1998）附錄A的要求，選取CO2滅火劑噴放管路的主管徑。附錄A的噴放條件是2 min內(nèi)85 %的CO2注入保護處所，而主機尾氣余熱回收裝置爐膛固定式CO2滅火系統(tǒng)的噴放要求是0.5 min內(nèi)100 %的CO2注入保護處所，因此需要對管道CO2最大流通量進行換算：

W=（46.3÷0.5）×2÷0.85=217.88 kg

因此，選用DN32的管徑，其CO2滅火劑的最大流通量為275 kg，大于217.88 kg，能夠滿足噴放時間的要求。

（七）CO2噴嘴計算。

選用DN15接口的噴嘴，根據(jù)《船用CO2滅火裝置》（CB/T 3294—1998）附錄A的要求，DN15管徑的CO2最大流通量為60 kg，因此，噴嘴數(shù)量n=217.88÷60=3.63，實取4只噴嘴，單個噴嘴的流量=46.3÷4÷30=0.386 kg／s，噴嘴的具體型號可通過管網(wǎng)水力計算結果獲取。

三、固定式CO2滅火系統(tǒng)的結構及工作原理

（一）CO2滅火系統(tǒng)結構（見圖1）

圖1 固定式CO2滅火系統(tǒng)安裝示意圖

（二）工作原理

主機尾氣余熱回收裝置爐膛固定式CO2滅火系統(tǒng)，可通過自動控制、電氣手動控制和機械應急手動三種方式啟動，具體如下：

1．自動控制

主機尾氣余熱回收裝置，可設置火災事故監(jiān)測裝置，當發(fā)生火災后，由設在機艙集控室的火氣系統(tǒng)控制盤向火災現(xiàn)場和駕控臺發(fā)出火災聲光報警信號，并切斷燃油循環(huán)泵和非消防電源等設備，同時向固定式CO2滅火裝置電磁閥發(fā)出聯(lián)動指令，滅火鋼瓶即可打開，噴放CO2滅火劑至保護處所，實施滅火。CO2滅火裝置啟動后，集流管上的壓力開關動作，向機艙集控室的火氣系統(tǒng)控制盤上傳滅火系統(tǒng)釋放信號。

2．電氣手動控制

當人為發(fā)現(xiàn)主機尾氣余熱回收裝置爐膛發(fā)生火災，可按下機艙集控室火氣系統(tǒng)控制盤上或著火現(xiàn)場的啟動按鈕，火氣系統(tǒng)控制盤立即向火災現(xiàn)場和駕控臺發(fā)出火災聲光報警信號，并切斷燃油循環(huán)泵和非消防電源等設備，同時向固定式CO2滅火裝置電磁閥發(fā)出聯(lián)動指令，滅火鋼瓶即可打開，噴放CO2滅火劑至保護處所，實施滅火。CO2滅火裝置啟動后，集流管上的壓力開關動作，向機艙集控室的火氣系統(tǒng)控制盤上傳滅火系統(tǒng)釋放信號。

3．機械應急手動

當人為發(fā)現(xiàn)主機尾氣余熱回收裝置爐膛發(fā)生火災，且電氣控制功能失靈時，應通知機艙集控室值班人員，緊急切斷燃油循環(huán)泵和非消防電源等設備，確認聯(lián)動設備動作后，打開CO2滅火裝置箱體門，手動扳動滅火劑鋼瓶瓶頭閥手柄，即可打開滅火劑儲瓶，噴放CO2滅火劑至保護處所，實施滅火。