海洋石油工程股份有限公司,天津 300451
中图分类号: U664.88
文献标识码: A
文章编号: 2095-7297(2015)02-0128-05
收稿日期: 2015-04-21
网络出版日期: 2015-04-10
版权声明: 2015 海洋工程装备与技术编辑部 版权所有
作者简介:
作者简介:谢金洪(1979--),男,工程师,主要从事海洋平台设计方面的研究.
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摘要
消防水喷淋系统是海上油气生产设施的重要组成部分,其设计与海上油气生产设施上的供电系统和总体布置等相互影响.海上油气生产设施喷淋系统的喷头选型和管网布置对整个消防水系统的设计和校核影响较大.从理论和实际工程设计角度出发,提出了优化喷头选型和管网布置的方法,以求在满足安全和规范要求的前提下,尽量降低消防水量,减小消防水喷淋系统的规模,节约工程投资.
关键词：
Abstract
Deluge system is an important system on offshore oil and gas production facility. The design of deluge system is related with other offshore system design such as electric system and general layout design. Nozzle type selection and deluge distribution piping routing have much more impact on the fire water system design. We put forward an optimization method from the theoretical to the actual engineering design aspects. This method can decrease the water demand as much as possible and save the engineering cost on the premise of meeting the requirements of safety and standards.
Keywords：
海上油气生产设施设备高度集中,处理的介质是高温,高压的原油或者天然气,因此海上油气生产设施上存在较高的火灾爆炸风险,一旦发生火灾,火势蔓延速度快,后果非常严重[1].消防水喷淋系统是海上油气生产设施上的重要安全系统.利用海水的冷却,稀释作用,消防水喷淋系统能够有效地控制火灾影响范围,将危险消灭在初期阶段[2].消防水喷淋系统设计的重要内容之一是消防水流量的计算.消防水量计算是否合理,在很大程度上影响着整个海上油气生产设施消防水系统设计.消防水量的大小决定了消防主管网的尺寸,对消防泵的功率大小也有着决定性的影响.如果消防泵采用电动消防泵,由于电动消防泵的启动电流是额定工作电流的3~7倍,消防泵的功率大小对生产设施上电网的影响也是不可忽视的.由此可见消防水量的大小对工程投资和海上油气生产设施的设计有着重要的影响.海上油气生产设施的消防水量主要取决于消防水喷淋系统的水量,喷淋系统的优化设计对消防水量影响重大.因此,优化设计海上油气生产设施喷淋系统对整个生产设施的工程投资有着重大的经济意义和实践意义.本文从喷头选型和管网布置两方面提出优化方法,以期降低消防水量,并减小消防水喷淋系统的规模.
如图1所示,海上油气生产设施上的消防水系统由消防泵,滤器,主环路,喷淋阀,软管站,消防栓等组成.如果生产设施上有直升机甲板,一般还有泡沫罐和泡沫炮.
图1 海上油气生产设施消防水系统示意图
Fig.1 Diagram of the fire water system on offshore oil and gas production facility
生产设施上消防水量主要由两部分组成.一部分是消防水软管站的水量,这部分水量是一个固定值(每个软管站的额定流量是固定值),对整个消防水系统的影响较小;另一部分是喷淋系统的水量,这部分水量是消防水量的主要组成部分,对消防水系统的设计有着决定性的影响.
喷淋系统的水量有理论水量和实际水量.理论水量是规范规定的最低喷淋水量,由喷淋强度[L/(min·m)2]与喷淋面积(m2)的乘积确定.实际的喷淋水量是由喷头的个数和喷头的流量来决定的,计算公式为
式中:QA为实际喷淋水量;N为第i个设备需要的喷头个数;K为保护第i个设备的喷头流量系数;p为喷头的额定工作压力.在设计过程中还需要在实际喷淋水量的基础上考虑一定的安全系数作为最后的设计水量.这是因为除最远点的喷头外,其他喷头的实际工作压力值均会超过额定压力,导致喷淋水量增加.如果喷淋管网布置较为均衡,其他各喷头与最远点喷头间的工作压力相差不大,则该系数可取小一些.
由上述讨论可知,影响喷淋水量的主要因素有被保护设备面积,喷淋强度,喷头选型和喷淋管网布置.简单说来,保护设备的面积和喷淋强度根据相应规范确定即可[3-4],优化的空间较小.本文主要关注喷头选型和喷淋管网布置这两个因素.
喷头的选型一般要遵循以下三个原则:(1)保证设备完全覆盖.规范规定[3]喷头喷洒范围应该相互重叠,即被保护设备表面要全部被覆盖.(2)喷头的实际喷淋水量要尽量接近理论水量,从而在满足规范要求的条件下减少消防水量.当然,实际喷淋水量和理论水量之间的差距还与设备大小有关.由于单个喷头的流量是固定值,设备被保护的面积越小,喷头个数越少,实际喷淋水量和理论水量的偏离也就越大.(3)在同一个喷淋系统中,喷头型号尽可能少,便于现场安装和维护.
喷头的布置主要是根据喷头的保护半径与设备的喷淋面积确定喷头的个数.喷头的保护半径与喷头的型号以及喷头安装高度有关.以海洋工程中使用较多的BETE N系列喷头为例.图2是平台上比较常用的三个系列喷头的喷洒曲线.图3是同一型号的喷头在不同工作压力下的喷洒曲线.在海上油气生产设施上,空间位置是一个重要的制约因素,喷头的安装高度一般为0.6~0.8m,最大距离不超过1m.由图2可知,在1m的安装高度内,不同喷头的保护半径相差不大.图3表明,在不超过1m的安装高度内,不同工作压力下的保护半径几乎相同.所以,在海上油气生产设施上,喷头的保护半径与喷头的型号,喷头的工作压力关系不大.在实际的设计工作中,可以先假定一个保护半径,计算出喷头的个数和每个喷头的理论喷淋流量,根据式(1)就能够计算出喷头的流量系数K,从而进行喷头的选型.根据喷头选型的第三原则,同一个喷淋系统的喷头型号要尽量少.若某种型号的喷头数量较少,考虑安装和维护方便,可以选择其他型号的喷头进行替代.
图2 平台上常见喷头的喷洒曲线
Fig.2 Performance curves of the spray nozzles used on offshore oil and gas production facility
图3 不同工作压力下N2W型喷头的喷洒曲线
Fig.3 Performance curves under different work pressures of the N2W spray nozzle
喷头工作压力的选择对喷淋水量的影响较大.对固定水喷淋系统喷头的工作压力,不同的规范推荐值不同.NFPA 15[3]推荐值是1.4×105Pa,API RP 2030[4]推荐值是2.1×105Pa.国家标准GB 50219--2014要求,对于以灭火为目的的喷淋消防系统,喷头设计压力采用3.5×105Pa,对于以防护冷却为目的的喷淋系统,喷头设计压力采用2×105Pa.目前海上油气生产设施设计时均以灭火为设计目的,所以采用国家标准推荐的3.5×105Pa.如前所述,喷头布置的重要原则是覆盖设备表面,因覆盖直径与安装高度关系最大,与压力关系不大,对于同一个设备,不会因为喷头的工作压力增加而减少喷头的个数.但采用较大的工作压力时,实际喷淋水量较理论水量偏离较大,导致消防水系统水量增加,投资增加.
下面以CFD WHPD井口平台上的一个防火区域为例进行消防水量的计算,比较喷头在不同工作压力下实际喷淋水量偏离理论水量的大小.该防火区域内的设备以及相关参数见表1.
表1 某防火区域内需要水喷淋保护的设备及相关参数
Table 1 Information about the equipment to be protected by fire water system on CFD WHPD platform
| 设备名称 | 设备尺寸 | 面积 /m2 | 喷淋强度 /(L·min-1·m-2) | 理论水量 /(L·min-1) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| L/m | H(D)/m | W/m | ||||
| 测试分离器 | 2 | 5 | 40.5 | 10.2 | 413.1 | |
| 闭式排放罐 | 4.2 | 16 | 250.5 | 10.2 | 2555.1 | |
| 测试加热器 | 7 | 5 | 35 | 10.2 | 357 | |
| 柴油泵 | 1 | 0.4 | 0.4 | 20.4 | 8.16 | |
表1给出了各设备所需要的理论流量.实际喷淋流量必须不小于理论流量才能满足规范的要求.但是实际喷淋水量偏离理论水量太大不仅造成水量的浪费,同时还使投资变大,增加了成本.优化喷头工作条件,合理布置喷头,使实际喷淋流量接近理论流量,在满足规范要求的前提下减少投资,节约成本是在进行消防水系统设计时要考虑的问题.下面就喷头在两种不同工作压力下的实际流量相对理论水量的偏离情况进行比较说明.
表2给出了分别在1.4×105Pa和3.5×105Pa工作压力下实际喷淋水量的比较.由表2可知,在满足规范要求的最低喷淋流量的条件下,选择较小的喷头工作压力时实际喷淋流量和理论流量比较接近,能够降低消防系统的水量.所以喷头的优化布置和工作参数的合理选择有利于降低喷淋水量,减少工程投资.
表2 不同工作压力时的实际喷淋水量
Table 2 Relationship between the fire water demand and work pressure of the spray nozzle
| 设备名称 | 喷头个数 | 喷头型号 | 实际水量/(L·min-1) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 3.5×105Pa | 1.4×105Pa | 3.5×105Pa | 1.4×105Pa | 3.5×105Pa | 1.4×105Pa | |
| 测试分离器 | 16 | 16 | N2W | N2W | 724.0 | 458.0 |
| 闭式排放罐 | 40 | 40 | N3W | N4W | 2814.0 | 2598.0 |
| 测试加热器 | 10 | 14 | N2W | N2W | 453.0 | 401.0 |
| 柴油泵 | 1 | 1 | N2W | N2W | 45.2 | 29.0 |
喷淋管网的布置要考虑管网的均衡性,以保证最远点与最近点喷头之间的压力损失最小,从而可以降低喷淋水量.管网的均衡性可以从以下几个方面考虑.
首先是管道的空间布置.如果管道的空间布置对称性较好,则各喷头之间的压力差较小,管网均衡性强.但是在海上油气生产设施上空间有限,管道的布置受诸多因素限制,要布置成对称性的管网,难度较大.
其次是管网管径的选择.管径的选择在实际工程中有两种常用的方法:第一种是对一个喷淋区域采用一个管径较大的主管,各个设备的喷淋管线从主管上直接引出;第二种方法是主管的管径是变化的,随着管道内流量的减少,管径是逐渐缩小的.图4示出了两种不同的管径选择方式.第一种方法由于去各个设备的小管径管道较长,压力损失增加,从而导致了管网的非均衡性.第二种方法则由于到各个设备的小管径管道较短,压力损失较小,有利于增加管网的均衡性.
管网的均衡性还需要考虑喷淋阀相对设备的空间位置.喷头多的设备尽量放在喷淋管网距离喷淋阀较远的地方.这是因为距离喷淋阀较近的地方,压力偏差更大,如果喷头数量多,则水量偏差更多,从而导致消防水量的增加.
图4 两种不同的管径选择方法
Fig.4 Diagram for two different ways to design fire water pipe diameter
从理论上分析,海上油气生产设施的消防水流量计算可以从喷头选型,喷头工作压力选择,消防水喷淋管网的均衡性等方面进行优化.通过对渤海CFD WHPD固定生产平台上的消防水喷淋系统的设计实例进行分析,可以发现喷头型号的选择和喷头工作压力的选择对消防水流量的影响非常明显,合理的喷头选型和工作压力选择能够在满足规范和标准要求的前提下,减少消防水流量.
喷淋管网均衡优化布置对消防水量也有一定的影响.在实际工程设计中,应该根据海上油气生产设施的总体布局,合理规划消防水喷淋系统的管道走向;根据消防水流量从上游到下游逐渐递减的规律,合理设计管道直径,可以减少由于管道摩擦阻力损失带来的压力下降,从而提高管网的均衡性,降低喷头偏离设计工作压力的幅度,减少喷淋水量的浪费.
The authors have declared that no competing interests exist.
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海上油气田平台安全定量分析 [J]. |
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