海上半潜储油生产平台安全消防系统设计

李艳华， 许晓丽， 覃柳莎， 蒋薇

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

陵水17－2 气田是国内首个自营深水气田， 水深大约为1 400～1 500 m， 采用世界首例带储油功能的半潜生产平台进行开发。 平台由上部生产模块和船体组成， 上部模块重约2 万t， 船体重约3 万t。 平台具备油气处理和凝析油储存功能， 工艺流程完备， 设备种类和数量多。 受浮式装置稳性要求限制， 上部生产模块由传统生产平台的3 层甲板调整为2 层甲板， 设备布置高度集中， 火灾爆炸风险高。 本文在总结陵水17－2 平台安全消防系统设计的基础上， 分析了半潜平台的安全设计与传统固定平台的不同之处， 为类似平台的设计提供参考。

1 陵水17－2 平台简介

1.1 平台主要工艺流程简介

陵水17－2 平台是一个中心处理平台， 工艺流程包括凝析油、 天然气处理以及乙二醇再生。 深水井口物流通过立管登平台后进入平台上的段塞流捕集器进行气液分离。 分离出来的天然气经过湿气压缩机增压（投产初期天然气压力较高， 不需要增压）后依次进行天然气脱水、 烃露点控制和干气增压后， 进入平台的外输海底管道。 段塞流液相通过三级油水分离稳定后， 含水率合格的凝析油进入半潜平台船体立柱内的凝析油舱储存， 通过半潜平台上的凝析油外输系统定期外输。 油水分离器分离出来的闪蒸气进入闪蒸气回收压缩机增压后作为平台的燃料气。 分离器分离出来的富乙二醇进入回收系统， 回收水中的乙二醇后达标排放。 回收的乙二醇进入储存舱， 通过脐带缆回注水下生产系统。

1.2 平台总体布置简介

陵水17－2 半潜平台由船体和上部组块两部分组成。 船体是柱稳式浮式装置， 由4 个立柱和4 个浮筒组成。 浮筒内部是压载海水舱室， 立柱内部设置了压载海水舱室、 凝析油储存舱室、 柴油舱室、乙二醇储存舱室以及相应的机械设备房间、 电气仪表设备房间、 楼梯间等。 上部组块是主要的工艺公用设备、 中控室、 电气房间以及生活楼等设施。 上部组块由2 层甲板组成， 每层甲板长91.5 m， 宽49.0 m。 上层甲板西北方位布置有凝析油外输软管，西南方位布置有乙二醇回收单元。 在乙二醇回收单元的西侧布置有备用救生艇， 备用救生艇与乙二醇回收单元采用防火防爆墙进行隔离。 上层甲板东侧是生活楼和主救生艇。 生活楼与乙二醇和外输软管站之间布置有湿气压缩机、 干气压缩机以及主电站。 下层甲板布置的是工艺处理相关设备， 下层甲板的东侧布置有平台的中控室以及电气仪表房间，房间与工艺设备之间采用防火防爆墙进行隔离。

1.3 半潜平台的特点分析

从安全消防的角度分析， 陵水17－2 半潜平台具有如下特点： ①平台工艺处理流程包括了完整的凝析油处理， 天然气脱水、 压缩， 乙二醇回收， 凝析油外输等各类工艺流程， 工艺设备类型和数量多。②由于浮式平台稳性和重量控制的要求， 平台比传统的中心平台少一层甲板， 设备布置高度集中， 发生火灾后， 传播速度快， 影响范围大。 ③与传统的导管架平台不同， 船体4 个立柱内储存凝析油，立柱顶部布置有凝析油外输和储存的相关管汇和设备， 立柱顶部是潜在的火灾爆炸风险源， 生活楼和集合区距离立柱顶部距离较近， 且无法在总体布置上避免。 ④上层甲板西侧设置有备用的救生艇和集合区， 该区域距离平台火炬和乙二醇回收装置较近， 存在热辐射超标和受工艺区火灾影响的问题。⑤平台吊机操作可能产生的落物撞击对船体的浮筒以及浮筒上的立管影响较大。 ⑥外输油轮或者生活支持船潜在的撞船风险， 可能导致船体立柱破舱， 船体失稳。

2 平台安全分析

陵水17－2 项目作为国内首个自营深水和世界首例带储油功能的半潜平台， 风险识别和管理是安全设计重要工作内容之一。 陵水17－2 项目开展了全面、 系统的风险分析， 主要包括如下11 项： 风险识别分析， 危险和可操作性分析， 安全仪表完整性分析， 定量火灾分析， 爆炸概率和后果分析， 落物风险分析， 撞船风险分析， 逃生救生和撤离风险分析， 可燃气体扩散分析， 失效模式和影响分析以及定量风险分析。

这11 项安全分析涵盖了国际海上油气田开发主流的安全分析内容， 采用半定量和定量风险分析技术［1］对设计阶段的风险进行识别。 对设计阶段已有的风险防范和风险控制措施的充分性和可靠性进行评估， 对需要进一步采取措施降低后果和频率的风险进行重点跟踪， 在设计中进行落实。 通过11 项安全分析， 共产生了327 条优化建议措施， 有效减少了设计中的缺陷， 提升了平台的安全水平。

陵水17－2 半潜平台在某些设计方案上没有可以借鉴的设计经验和参考的标准规范。 安全分析可以在基于行业统计数据的基础上提供定量的概率计算和后果模拟， 为方案设计提供科学的参考依据。安全分析为平台防落物保护架设计方案， 船体防撞保护装置， 第二集合区热辐射超标解决方案， 平台临时避难所庇护时长， 平台结构， 管线的被动防火方案设计， 硫化氢气体探头优化布置等多个设计方案提供了决策和设计依据。

3 平台主动消防系统设计

平台主动消防系统的设计原则是一次只考虑一次事故， 在消防系统设计合理的前提下， 火势不会从一个火区蔓延到另外一个火区。 船体和上部组块主动消防系统作为整体， 相互协同和配合。依据平台的火灾风险分析结果和相关标准规范的要求［2－5］， 陵水17－2 半潜平台配置的主动消防系统包括： ①消防水系统； ②固定气体灭火系统； ③固定泡沫灭火系统； ④湿粉灭火系统； ⑤灭火器。

3.1 消防水系统设计

消防水系统由自动喷水系统和手动消防水系统两部分组成。 自动喷水系统采用室外开式喷头系统， 保护对象是上层甲板和生产甲板的工艺设备，该系统的作用是冷却设备， 控制火势的蔓延， 为采取其他的灭火措施争取时间［6-8］。 手动消防水系统包括平台生产区的消防软管站， 生活楼内的消防栓以及船体内的消防栓。 软管站和消防栓的布置原则是对于保护区域内任何可能发生火灾的位置， 均有两股来自不同软管站或者消防栓的水流可以进行保护［3－4］。 消防水系统的组成以及各设备的主要设计参数如表1 所示。

3.2 固定气体灭火系统设计

气体灭火系统采用的是组合分配式的固定七氟丙烷灭火系统， 保护平台上可能存在电气火灾的房间。 气体灭火系统采用手动控制模式［4］， 系统启动后有30 s 的延迟， 保障各房间内的人员有足够的时间撤离［9］。 各系统灭火药剂均采用100% 备用。平台上七氟丙烷灭火系统的设计参数见表2 所示。

表2 七氟丙烷灭火系统设计参数Tab. 2 Design parameters of heptafluoropropane firefighting system

3.3 固定泡沫灭火系统

固定泡沫灭火系统保护平台上的直升机甲板和船体立柱凝析油舱顶部甲板， 平台上的凝析油外输站配置2 台泡沫炮进行保护。 泡沫灭火系统采用低倍泡沫， 3% 的混合比， 泡沫混合液的喷淋强度为6 L／（min·m2）， 持续喷淋时间为直升机甲板10 min， 立柱凝析油舱顶20 min［3－4］。 泡沫灭火系统采用手动控制。 船体立柱顶部各设置一柄泡沫枪作为泡沫炮的补充， 泡沫枪喷射流量为25 m3／h， 喷射持续时间为20 min［4］。 固定泡沫灭火系统设计参数见表3。

表1 消防水系统组成和主要设计参数Tab. 1 Components and main design parameters of firefighting water system

表3 固定泡沫灭火系统设计参数Tab. 3 Design parameters of fixed foam firefighting system

3.4 湿粉灭火系统设计

湿粉灭火系统用于对厨房的油脂类火灾进行灭火。 保护对象包括厨房内的烟道、 集气罩以及各类烹饪设备。 启动方式包括手动和自动2 种。 自动方式利用设置在保护对象上方的热敏元件启动， 热敏元件设定启动点是为162 ℃。 手动方式是厨房门口的手动启动按钮。 湿粉储存量采用100%的备用。

3.5 平台灭火器配置

陵水17-2 半潜平台上可能存在的火灾类型有A类、 B 类和C 类火灾。 根据不同区域可能存在火灾类型， 选择不同灭火器。 灭火器的位置和数量保证平台上人员能到达的任何一点到灭火器的步行距离不超过10 m［2］。 平台灭火器的类型和数量见表4。

表4 陵水17-2 半潜平台灭火器布置Tab. 4 Fire extinguisher layout on Lingshui 17-2 semi-submersible production platform

4 平台被动防火设计

被动防火系统是平台安全设计的重要组成部分， 其主要作用是在火灾爆炸发生时保护平台上的安全关键设备， 限制火灾爆炸事故的扩散范围， 为人员施救、 撤离等争取足够的时间。 陵水17－2 半潜平台上的被动防火系统包括防火防爆墙、 防火油漆以及防火夹克3 类。 平台上的防火防爆墙布置见图1。

图1 防火防爆墙布置Fig. 1 Layout of fire-proof and blast wall

防火防爆墙的主要作用是保护平台上的工作人员。 在平台主甲板的西侧救生艇和第二集合区附近设置了防火墙， 该防火墙可以承受烃类物质火灾60 min（即H60 防火墙）， 根据平台火灾爆炸分析结果确定该防火墙的防爆压力为0.01 MPa。 主甲板东侧的生活楼， 除面向大海的一侧之外， 其余各侧面整体采用H60 的防火墙和0.15 MPa 的防爆墙进行保护。 生产甲板和夹层甲板的电气房间、 中控室等房间， 采用H60 防火墙与工艺区进行分隔， 根据火灾爆炸分析结果， 该防火墙采用0.01 MPa 防爆压力等级。

防火油漆的作用是当发生火灾后保护重要的结构和设备， 避免结构失效或者设备管线失效释放更多的燃料， 导致事故进一步的恶化［1］。 陵水17－2平台被动防火油漆的保护对象包括： 主要钢结构，受火灾影响的工艺设备的支撑结构， 受火灾影响的工艺设备的放空管线， 工艺设备进出口关断阀门之间的工艺管线， 平台立管到平台段塞流捕集器之间的管线， 火炬臂根部。 根据项目火灾爆炸分析的结果， 全平台防火油漆的涂刷面积约超过10 000 m2，防火油漆规格包括J15、 J30 两种类型。

采用防火夹克的主要考虑因素是在日常操作和检修的时候可以不破坏被动防火保护层。 平台上防火夹克保护对象包括紧急关断阀和部分钢结构节点。 与常规固定平台钢结构采用防火油漆保护不同， 浮式平台上部组块钢结构节点要进行定期的疲劳检测， 采用被动防火油漆影响钢结构定期的检测。 根据火灾爆炸分析结论， 共有42 台关断阀和12 处钢结构节点需要采用防火夹克进行保护， 防火夹克规格包括J15、 J30 和J60 三种类型。

5 平台个人防护系统和设备

个人防护系统和设备的作用是发生紧急情况时为人员提供庇护和防护。 陵水17－2 平台上的个人防护系统和设备包括临时避难所、 硫化氢气体防护设备以及个人紧急逃生设备。 临时避难所设置在生活楼1 楼， 利用生活楼的防火防爆墙提供保护［10］。临时避难所的面积保证每人实用面积为1.5 m2， 能够为人员提供60 min 的庇护。 临时避难所内设置压缩空气瓶组提供空气， 空气供给量为1 400 L／（h·人）。 工艺系统内还有低浓度的硫化氢气体， 但是由于工艺流程的富集作用， 部分设备内的硫化氢质量浓度可能达到1 300 mg／L， 超过了硫化氢气体对人体有害的质量浓度（100 mg／L）， 因此平台上设置了应急逃生呼吸器和正压式空气呼吸器。 应急逃生呼吸器按照平台定员每人1 个， 支持时间为15 min。 根据硫化氢气体扩散分析的结论， 按照平台上硫化氢气体浓度的分布， 在工艺设备区域设置16个正压式空气呼吸器， 支持时间30 min［11］。 平台上设置专用空气压缩机为呼吸器充气。 个人逃生设备按照平台定员配置， 每套设备包括手电筒、 手套和呼吸面罩， 用于火灾情况下人员逃生的自我防护。

6 结语

海上油气生产设施的安全设计是一个包括风险识别、 危害等级划分、 系统设计、 个人防护系统配置等多个过程和阶段的系统工程。 陵水17－2 半潜平台作为国内首个半潜生产平台， 同时也是世界首例带凝析油储存功能的半潜生产平台， 在安全设计阶段加强风险识别和危害等级划分， 重点识别本项目风险与常规项目的不同之处并采取针对性的保护措施， 这是本项目安全设计的主要思路。 在安全系统上， 在海上平台上首次采用了临时避难所和空气供给系统为人员提供庇护； 将船型浮式结构的甲板泡沫灭火系统进行改进后使用到本项目。 将基于风险的评判规则引入本项目的安全设计， 为解决没有规范标准和业界经验参考的问题提供了科学的依据。 在最低合理可行的原则上， 平衡安全和技术经济成本， 在经济可行的前提下， 最大限度地提升平台的整体安全水平。