劉超

中海石油（中國(guó)）有限公司海南分公司 海南 海口 570100

海上平臺(tái)是海上油氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，它常常分為固定式平臺(tái)和浮式生產(chǎn)存儲(chǔ)裝置（FPSO）。在海上平臺(tái)上，含有全流程的生產(chǎn)處理設(shè)備單元，能夠?qū)⑻烊粴?、原油、凝析油、水等進(jìn)行分離處理、增壓外輸。除此之外，海上平臺(tái)還配有電力系統(tǒng)、儀表自動(dòng)控制系統(tǒng)又是平臺(tái)的中心樞紐，主要包括中控室、主配電間、應(yīng)急配電間、電池間等。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)房間的火災(zāi)保護(hù)，在通用設(shè)計(jì)方案中，常選用CO2作或者七氟丙烷作為為滅火劑，進(jìn)行設(shè)計(jì)。本研究中僅討論選用二氧化碳作為滅火劑時(shí)的方案優(yōu)化。

1 二氧化碳滅火系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)的組成

在二氧化碳滅火系統(tǒng)的通用設(shè)計(jì)方案中，需要從本質(zhì)安全的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上考慮單次的設(shè)備失效，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，以保證CO2滅火系統(tǒng)的可靠性。通常，CO2系統(tǒng)主要由N2驅(qū)動(dòng)氣瓶、CO2氣瓶組、區(qū)域選擇電磁閥組、釋放瓶組電磁閥組、CO2聲光報(bào)警、CO2釋放管匯管線、壓力開(kāi)關(guān)、CO2釋放按鈕和CO2抑制按鈕等組成[1]。

其中，氮?dú)馄拷M稱為驅(qū)動(dòng)瓶組，共兩瓶，采用冗余設(shè)計(jì)，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?jī)?nèi)的高壓氮?dú)庾鳛槟芰吭?，?qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)滅火劑的釋放。

滅火劑的配兩方面，儲(chǔ)存CO2的氣瓶組稱為儲(chǔ)存瓶組，滅火劑按照最大用量的一倍進(jìn)行配備，并分成兩組，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)。

電動(dòng)設(shè)備方面，采用電磁閥作為電動(dòng)執(zhí)行單元，包括氮?dú)怛?qū)動(dòng)氣瓶的電磁閥，區(qū)域選擇電磁閥組，瓶數(shù)選擇電磁閥組，電磁閥配置的數(shù)量隨硬件管路進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能。特別地，因?yàn)楹Ｉ掀脚_(tái)存在多個(gè)需要保護(hù)的區(qū)域，需要考慮滅火劑的最佳適配容量，所以，在設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)置區(qū)域選擇電磁閥組，以得到最佳的滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)方面，主要考慮兩個(gè)因素：人員的安全和系統(tǒng)的安全。因CO2釋放時(shí)為氣態(tài)，常用壓力開(kāi)關(guān)作為系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)的傳感器。通用設(shè)計(jì)中，壓力開(kāi)關(guān)包括CO2管匯的壓力開(kāi)關(guān)，氮?dú)怛?qū)動(dòng)瓶的壓力開(kāi)關(guān)，作用是使報(bào)警信號(hào)傳入到中控，提醒操作員。

控制模式方面，海上平臺(tái)操作人員較少，需要考慮設(shè)備的自動(dòng)化功能需求。綜合考慮各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，通常，CO2滅火系統(tǒng)主要有程序自動(dòng)釋放模式、人工手動(dòng)釋放模式和應(yīng)急機(jī)械手動(dòng)釋放模式。

2 通用設(shè)計(jì)方案的安全控制邏輯

海上平臺(tái)通用的CO2滅火系統(tǒng)控制邏輯，如圖1所示。

圖1 CO2系統(tǒng)控制流程圖

2.1 氮?dú)怛?qū)動(dòng)安全邏輯

CO2滅火系統(tǒng)，主要有3個(gè)壓力開(kāi)關(guān)，分別是氮?dú)夤軈R上的一個(gè)壓力高開(kāi)關(guān)，氮?dú)馄颗渲玫膬蓚€(gè)壓力低開(kāi)關(guān)。當(dāng)可編程邏輯控制器（PLC）發(fā)出指令打開(kāi)主氮?dú)怛?qū)動(dòng)瓶后，而壓力高開(kāi)關(guān)未動(dòng)作，說(shuō)明主瓶的氮?dú)馕瘁尫?，此時(shí)延時(shí)5s，命令備瓶的電磁閥動(dòng)作，主備可以通過(guò)中控畫面切換，并且兩瓶互為主備。當(dāng)壓力低開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，說(shuō)明氣瓶壓力低于設(shè)定點(diǎn)時(shí)，中控產(chǎn)生報(bào)警，提醒進(jìn)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(gè)氣瓶組的電磁閥，以及一個(gè)壓力高開(kāi)關(guān)組成。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出指令打開(kāi)主CO2氣瓶時(shí)，而壓力高開(kāi)關(guān)未動(dòng)作，說(shuō)明主瓶的CO2未釋放，此時(shí)延時(shí)5S，命令備瓶的電磁閥動(dòng)作，主備可以通過(guò)中控畫面切換，和氮?dú)怛?qū)動(dòng)主備為同一按鈕。

2.3 區(qū)域選擇電磁閥組監(jiān)控邏輯

區(qū)域選擇電磁閥組，主要由區(qū)域選擇電磁閥和壓力開(kāi)關(guān)高組成，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)壓力高開(kāi)關(guān)，當(dāng)某個(gè)區(qū)域的壓力高開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，觸發(fā)這個(gè)區(qū)域的聲光報(bào)警，喇叭長(zhǎng)鳴，燈長(zhǎng)亮。

2.4 聲光報(bào)警模塊

CO2對(duì)人員有窒息作用，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，即使是無(wú)人的保護(hù)區(qū)域，也需要對(duì)照有人的保護(hù)區(qū)域來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，配置相應(yīng)的警報(bào)裝置。海上平臺(tái)配置的報(bào)警裝置，主要由室外防爆的聲光報(bào)警和室內(nèi)的聲光報(bào)警組成，聲光報(bào)警的模式：觸發(fā)釋放條件的30s內(nèi)，聲音為1s間隔的連續(xù)聲，報(bào)警燈狀態(tài)燈為1S間隔的閃爍，30s后聲音為連續(xù)長(zhǎng)聲，報(bào)警燈長(zhǎng)亮。

3 滅火劑設(shè)計(jì)要求

3.1 設(shè)計(jì)要求

以A平臺(tái)為例，使用的是全淹沒(méi)式CO2滅火系統(tǒng)，保護(hù)的區(qū)域一共有7個(gè)。根據(jù)規(guī)范NFPA 12（2000 版）計(jì)算防護(hù)區(qū)用量，參照NFPA 12（1-8.5.4）的規(guī)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(hù)區(qū)分為2種表面火災(zāi)型和深位型，根據(jù)火災(zāi)類型不同和燃燒物質(zhì)不同又選擇不同的CO2濃度，例如：表面型的且燃燒物質(zhì)為；參考GB50193—93《二氧化碳滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，確定滅火劑用量為最大防護(hù)區(qū)用量的一倍，并分組配置。

3.2 計(jì)算公式

CO2用量按照一下公式計(jì)算：

式中：Q——CO2用量，kg；

α——泄漏補(bǔ)償系數(shù)，取1.08；

K——體積系數(shù)，kg/m3；

V——保護(hù)房間的體積，m3

瓶數(shù)=Q/45.4。

3.3 計(jì)算案例

以A平臺(tái)為例，以鋼瓶充裝藥劑量為45.4kg為基礎(chǔ)，對(duì)各個(gè)受保護(hù)房間的藥劑瓶數(shù)進(jìn)行計(jì)算，利用式（1）以及表1的參數(shù)得出各個(gè)區(qū)域的瓶數(shù)（利用進(jìn)一法），但是考慮到氣瓶組的安裝簡(jiǎn)單化，因此主變壓器間（計(jì)算得11瓶），中控室（計(jì)算得13瓶），電池間（計(jì)算得10瓶）都用13瓶的氣瓶組。計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 A平臺(tái)CO2滅火劑用量

4 通用方案中存在的問(wèn)題

4.1 系統(tǒng)缺少就地模式切換開(kāi)關(guān)

海上平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用CO2滅火系統(tǒng)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)某一個(gè)受保護(hù)的房間長(zhǎng)期處于檢修的過(guò)程中，CO2滅火系統(tǒng)將需要長(zhǎng)期處于人工手動(dòng)釋放模式的狀態(tài)，存在一定的安全隱患。在CO2滅火系統(tǒng)的通用設(shè)計(jì)方案中，人工手動(dòng)釋放模式，是對(duì)應(yīng)整個(gè)滅火系統(tǒng)的。當(dāng)系統(tǒng)處于該模式下，則全部受保護(hù)的房間都將需要由人員在控制盤上，執(zhí)行釋放動(dòng)作。系統(tǒng)缺少了在房間本地的模式控制開(kāi)關(guān)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單個(gè)房間是人工手動(dòng)釋放模式保護(hù)，而其他受保護(hù)的房間采用自動(dòng)保護(hù)的功能。

4.2 人員對(duì)CO2存在心理恐懼

海上平臺(tái)部分受CO2保護(hù)的房間，是長(zhǎng)期有人駐守的房間，如中央控制室。CO2滅火劑在釋放的過(guò)程中，會(huì)發(fā)出巨大的噪聲，產(chǎn)生低溫，變成氣態(tài)的CO2氣體存在導(dǎo)致人員窒息的風(fēng)險(xiǎn)。這些特點(diǎn)，會(huì)對(duì)長(zhǎng)期駐守的操作人員造成一定的心理負(fù)擔(dān)。這樣的心理負(fù)擔(dān)，可能會(huì)引起以下結(jié)果：

1）操作人員違反安全規(guī)定，將CO2滅火系統(tǒng)長(zhǎng)期處于手動(dòng)控制模式，造成一定程度上的安全隱患；

2）在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，主動(dòng)規(guī)避系統(tǒng)自動(dòng)釋放模式的測(cè)試，造成一定程度上的安全隱患；

3）長(zhǎng)期存在的心理壓力對(duì)操作人員的身心健康造成一定的影響，不利于海上作業(yè)的安全進(jìn)行。

5 通用方案的優(yōu)化措施

5.1 系統(tǒng)增加就地模式切換開(kāi)關(guān)

在每個(gè)受保護(hù)房間的外，增加當(dāng)個(gè)房間的保護(hù)模式切換開(kāi)關(guān)。增加受保護(hù)房間的自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，或者增加更為智能化的隔離開(kāi)關(guān)[3]。

自動(dòng)保護(hù)模式（房間）：當(dāng)房間門外就地保護(hù)模式開(kāi)關(guān)處于自動(dòng)模式時(shí)，整個(gè)房間的CO2保護(hù)，跟隨整個(gè)CO2滅火系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行模式。當(dāng)房間門外就地保護(hù)模式開(kāi)關(guān)處于手動(dòng)模式時(shí)，該房間的CO2滅火保護(hù)機(jī)制，只能從位于房間門外的手動(dòng)釋放按鈕進(jìn)行釋放或者直接從CO2滅火劑瓶上進(jìn)行解機(jī)械手動(dòng)釋放。CO2滅火系統(tǒng)的自動(dòng)釋放程序，不再對(duì)該房間生效。

增加針對(duì)房間的模式開(kāi)關(guān)，需要重新修改CO2滅火系統(tǒng)控制程序，需要對(duì)程序的安全性從新進(jìn)行分析評(píng)估后，方能執(zhí)行。通過(guò)增加該模式開(kāi)關(guān)，雖然提高了系統(tǒng)程序的復(fù)雜性，但能夠有效解決受保護(hù)房間在運(yùn)維過(guò)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(lái)進(jìn)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(shì)，逐步滅火的功能，不會(huì)導(dǎo)致人員窒息等優(yōu)點(diǎn)，在使用的過(guò)程中，不容易讓使用者產(chǎn)生心理負(fù)擔(dān)，在海上平臺(tái)應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對(duì)海上平臺(tái)CO2滅火系統(tǒng)通用設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹和分析，介紹CO2用量的計(jì)算方法以及控制邏輯，著重分析了當(dāng)前通用設(shè)計(jì)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(lái)的心理負(fù)擔(dān)，并提出了相應(yīng)的解決方案。通過(guò)被研究，能夠使人們對(duì)這套系統(tǒng)有更加深入的認(rèn)識(shí)，通過(guò)不斷優(yōu)化和升級(jí)海上平臺(tái)重要設(shè)備房間的火氣保護(hù)系統(tǒng)，最終達(dá)到本質(zhì)安全的目的。