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摘要：消防安全是海洋石油生產、作業設施的前沿生命線,在火災初期控制火情能有效避免造成災難性的事故,減少人員傷害和對昂貴設施設備的損壞。本文旨在通過對高壓細水霧消防系統的技術特性分析,闡明該系統在海洋石油生產作業設施消防安全運用的適用性,為高壓細水霧消防技術在海洋石油生產作業設施上的運用提供一定的借鑒。

關鍵詞：消防;高壓細水霧;海洋石油

1引言

海洋石油生產現場為火災高風險場所,易造成災難性后果,對社會和生態環境易造成嚴重傷害。海洋石油經國內外幾十年發展,其在消防系統設計及選配上已日趨成熟。目前海洋石油生產現場一般室外采用開式自動噴水滅火系統。海洋石油生產作業設施室內電氣設備用房因設備昂貴,滅火系統一般采用氣體滅火系統,主要為二氧化碳及七氟丙烷滅火系統。海上油氣生產設施遠離陸地,受自然條件等客觀因素及物流交通因素制約,實際生產運行及維護管理一直存在較大挑戰,且無法避免。同樣,氣體滅火系統在實際運行維護中,除受上述因素影響外,由于其本身的技術特性和要求,也存在一定局限性和缺陷。經研究發現細水霧滅火系統因其獨特的技術特性及與海洋石油生產的契合性,其在海洋石油生產作業設施室內電氣設備用房火災消防應用上具有較強的適用性。

2高壓細水霧滅火機理及技術特性

高壓細水霧滅火系統是指系統工作壓力≥3.45MPa的細水霧系統,利用高壓水泵或高壓氣體使高壓水從特制噴嘴噴出,形成直徑極小霧滴,噴灑到保護區域,通過冷卻、窒息等作用而達到滅火和控制火災的目的。用于消防滅火的細水霧的定義與分級,目前國際主要參照美國國家消防委員會標準NFPA750,在最小設計工作壓力下,距噴嘴軸線下方1米處的平面上形成水霧粒徑Dv0.99不大于1000μm[1]。高壓細水霧滅火系統滅火介質為淡水,也可以采用海水,從造價成本及綠色環保等方面優于哈龍氣體滅火系統。與傳統水噴淋滅火系統相比,高壓細水霧滅火系統具有滅火效率高、節水、水漬損失小等優點[2]。在經過大量滅火試驗后西方工業發達國家將高壓單相細水霧滅火系統作為一種高效環保的新消防技術,世界各地推廣,尤其受到船舶消防設計者的重視,國際人命安全公約(SOLAS)規定:500噸級以上的客輪和2000噸級以上的貨輪必須安裝細水霧滅火系統。高壓細水霧滅火系統突破了傳統水基滅火系統不能滅電氣火災等局限,美國、加拿大及我國多家研究機構實驗研究表明高壓細水霧具有良好的電絕緣性,能有效撲滅電氣火災。火災發生時,高壓細水霧滅火系統在瞬間噴射出表面積極大的霧流進行滅火,其滅火機理是綜合性的:(1)冷卻。燃燒機理研究表明,大部分燃燒為可燃氣受熱分解產物的燃燒,多為氣態。高壓細水霧的冷卻作用主要體現在對燃燒物表面火焰部分及對氣態可燃物的冷卻與吸熱。高壓細水霧從噴嘴噴射出來后,具有足夠的動能,能穿透熱氣流到達燃燒火焰區及可燃物表面,瞬間蒸發,吸收大量熱。研究表明,燃燒溫度為1000K時,霧粒直徑為100μm的細水霧蒸發時間僅為0.011秒。另外,高壓細水霧通過熱傳導和熱對流的形式大量吸收燃燃燒過程產生高溫氣流熱量,迅速降低火場溫度。(2)窒息。細水霧粒徑小,比表面積大,在吸收熱量后汽化形成原體積1680倍的水蒸氣,最大限度的擠占空間,排斥火場的空氣,且阻止外部空氣進入,降低燃燒物質周圍的含氧量,燃燒因缺少助燃物而受到抑制或中斷。細水霧窒息作用的效果取決于水蒸氣完全覆蓋整個燃燒面的時間。相關研究表明,細水霧因比表面積大汽化幾乎在瞬間完成,當火場溫度為1000K時,不同粒徑霧滴的汽化時間見表1[3]。高壓細水霧霧滴粒徑一般在50-200μm之間,可看出細水霧的汽化時間在0.1秒左右,甚至更短。(3)衰減輻射熱。高密度的霧流進入火場后,細水霧在燃燒物區域迅速將可燃物、火焰及煙羽籠罩,形成可持續的吸熱屏障,極好的阻斷了輻射熱,且當細水霧直徑與輻射熱波長在一個量級上時衰減輻射熱能力最強,噴霧強度加大,衰減作用遞增。除上述作用外,高壓細水霧滅火還有浸濕、乳化作用,高速霧流對殘余火焰有較好的吹熄作用,滅火時是幾種作用并存,主要取決于冷卻和窒息作用。

3高壓細水霧滅火技術與海洋石油作業契合性

目前,海上油氣生產設施室內電氣設備用房一般采用二氧化碳或者FM200氣體滅火系統,系統結構多為管網式。海上電氣設備價格昂貴,在選擇滅火系統時,主要滅火性能、安全可靠性、運行維護成本及環保等因素。

3.1滅火性能受導電因素影響,傳統水基類滅火系統如水噴淋系統、水噴霧系統無法應用于電氣火災撲救,主要采用氣體滅火系統,但對于電壓高于600V的電氣設備場所,二氧化碳有被擊穿風險。我國在高壓細水霧技術方面的研究及實際應用起步較晚,西方發達國家研究機構如NIST和NRC開展了許多細水霧抑制、撲滅電子設備火災方面的研究,對電器的傷害極小。國際火災安全機構對配電轉換開關開展了細水霧滅火的有效性和安全性試驗。試驗表明高壓情況下單流體噴嘴產生的細水霧在抑制、撲滅電氣火災效果顯著,且不會造成電氣設備的損壞,火災結束后,對電氣設備進行干燥處理,可以正常運行。高壓細水霧的這一技術特性表明,在技術層面上可以替代氣體滅火系統用于海洋石油電氣設備用房火災撲救。

3.2安全可靠性海洋石油生產設施造價成本昂貴,在設計時對空間的利用幾盡分毫,電氣設備用房的設備也想對集中,運行過程中,人員會不間斷進行巡檢,中央控制室需要保持人員24小時值班。那么在此類場所的滅火系統除了實現基本的滅火功能外,還需綜合考慮其安全可靠性,包括對人、設備的安全可靠性。高壓細水霧與CO2、FM200滅火系統安全可靠性對比詳見表2。從表中可以看出:(1)按照氣體滅火系統設計規范要求,CO2、FM200滅火系統應用場所應密封,或者在系統啟動前關閉開口,而高壓細水霧滅火系統對應用場所的密封無此嚴格要求,不存在因滅火劑泄露造成滅火失效。根據美國FM的研究表明氣體滅火系統應用于汽輪機房時,滅火失效率高達49%,其中37%是由于滅火介質泄漏所致。此外,高壓細水霧滅火介質易于獲取,能連續噴放,有效防止復燃或二次火災。(2)高壓細水霧滅火系統對人和設備傷害較小[4]。(3)高壓細水霧綜合防災性能更優良:細水霧比表面積大,能洗刷部分煙氣、提高可見度、稀釋毒氣,有效改善逃生環境。(4)氣體滅火系統在噴放后,系統的伺應狀態受制于滅火劑,由于海洋石油平臺距離陸地較遠,滅火劑的運送只能依靠船舶,運輸受海況影響較大。高壓細水霧滅火劑為淡水,易于獲取,系統能反復啟動,可靠性相對較高。

3.3運行維護（1）根據《氣體滅火系統設計規范》要求,氣體類滅火劑的滅火濃度一般要求較高,應用場所應密封,且圍護結構應至少能承壓1.2KPa,這不僅在施工成本上有較高要求,在平時運行管理中也要有相應投入。高壓細水霧對應用場所的密封沒有此嚴格要求。（2）氣體滅火系統系統組件中,如氣瓶等壓力容器需定期檢驗,且根據規范要求,氣體滅火系統運行5年后每3年應對金屬軟管(連接管)進行水壓強度試驗和氣密性試驗,應對釋放過滅火劑的儲瓶、相關閥門等部件進行一次水壓強度和氣體密封性試驗,試驗合格方可繼續使用;（3）氣體滅火系統所用滅火劑泄露后,受限于海上環境補充較為困難,且滅火劑存在有效期,失效后要及時更換,成本較高。高壓細水霧滅火劑為淡水,不存在類似困難。

3.4環保從滅火劑本身來看,高壓細水霧不會對環境產生危害,不會污染環境,在滅火過程中不會排放溫室氣體,產生有害氣體等,十分環保。4結論從前文分析來看,高壓細水霧滅火系統作為一種高效、環保的滅火系統,其在海上油氣設施室內電氣設備用房滅火應用上具有很好的契合性,不僅能有效撲滅、抑制火災,而且能減少運行維護方面的困難,有效降低生產運營成本。目前在海洋石油實際運用上,也有部分應用,如海洋石油981平臺、蓬萊油氣田等。高壓細水霧滅火系統相關技術規范在國外已基本成熟,相關的技術難點也基本攻克,我國在2013年出臺了《細水霧滅火系統技術》規范,為高壓細水霧實際運用提供了設計依據。希望通過上述分析,能為高壓細水霧滅火系統在海上油氣設施上的運用提供一點借鑒。

參考文獻: 

[3]徐曉楠．新型水系滅火劑的實驗研究[J]．化工進展,2003,22(7):717-720.

作者：余世雄 單位：中海石油有限公司上海分公司