七氟丙烷系统在石油平台灭火系统改造中的应用

摘要：本文介绍了石油平台消防系统由原来的海伦灭火改造为七氟丙烷灭火的必要性，并着重阐述了七氟丙烷（FM200）气体灭火在石油平台消防系统改造过程中的改造范围、系统选型、控制方式、氮气启动等工程经验及对系统自动控制方面的思考。

关键词：海伦七氟丙烷自动控制氮气启动

中图分类号：F470.22 文献标识码：A

1、前言

众所周知，石油、天然气行业防火要求很高，再加上海上石油平台受空间和逃生途径的限制，使消防危险系数增大，因此平台上的消防设施在保障生产正常运行和员工生命财产安全方面发挥着重要作用。

2、海伦系统改造的必要性

多数海上平台（尤其上世纪是八九十年产使用的平台）气体灭火系统采用的灭火气体为海伦。海伦又名哈龙、指1211、1301（CBrF3，一溴三氟甲烷）等卤代烷灭火气体，其突出特点是灭火效率高、廉价，但对大气臭氧层产生损耗破坏。

为了保护臭氧层，保护环境，保护地球，1986年世界主要国家签订了著名的《蒙特利尔公约》，我国于1989年加入了《保护臭氧层维也纳公约》，1991年签署了《蒙特利尔议定书》。按照《中国对应气候变化国家方案》的要求，海伦气体已被列入国家ODS(消耗臭氧层物质)淘汰目录；同时我国应在2006年1月1 日停止生产和使用1211灭火剂，2010年1月1 日停止生产和使用1301灭火剂。因此，将当前使用的海伦灭火系统改造成其他形式的气体灭火系统势在必行。

3、替代产品的选择

目前，海伦的替代物多种多样，本文仅对CO2、七氟丙烷（FM-200）、气溶胶、烟烙尽IG541等四种主流替代产品进行对比。替代产品的选择要综合考虑环保、灭火效率、安全性等因素。

3.1 环保指标与经济可行性分析：

海伦的各种替代物环保指标（见表1）：

（其中： ODP值：对臭氧层的耗损潜能值； GWP值：温室效应潜能值；ALT值：合成物在大气中存留寿命）。

由上表可见，单从环境影响因素来看，气溶胶和烟烙尽明显优于另外两种灭火剂，但气溶胶微粒极为细小，且具有非常大的比表面积，吸附力极强，因此不宜用管道输送，且设备相对较多，占用建筑面积较大，投资大，不经济合理。

而烟烙尽系统对灭火药剂的气体配比、储存瓶、管路、阀门、喷嘴储存间以及周围环境、温度的要求严格，系统设备的制造及安装工艺相对复杂，灭火剂体积相当大，因而需要更多的储气瓶和更粗的管道，管道压力也特别高。就目前行情而言，其综合费用是最高的，这或多或少地制约了其广泛地推广使用

1301的三个环境特性指标值皆高，这正是其被淘汰的主要原因之一。CO2和FM-200对臭氧层不破坏，但大量的CO2和FM-200进入大气层后，对全球温室效应会有较大影响，美、英等国已将其列入受控使用计划之列，不宜作长期替代物考虑。这两种气体特别是CO2气体灭火系统现仍有一定的使用率。

3.2 灭火效率对比（见表2）：

设计灭火浓度、灭火剂用量、灭火时间是衡量气体灭火系统灭火效率高低的重要指标。

由于灭火剂的灭火机理不同，其灭火剂的灭火浓度、灭火时间也各不相同。CO2和烟烙尽是通过向被保护空间充满惰性气体降低氧的含量达到窒息灭火，而FM-200和气溶胶则是通过化学抑制作用终止燃烧反应达到灭火的目的。从上表可知，CO2和烟烙尽的最小设计灭火浓度相对较大，应用量相对容积比过高，使用量较大（通常，系统会占用很大的空间），灭火速度相对较慢，FM-200和气溶胶的灭火速度则明显要迅速。

3.3 安全性能对比

CO2的灭火机理是窒息中止燃烧。然而，CO2的这种窒息作用对人体有致命危害，其最小设计灭火浓度（34%）大大超过了人的致死浓度，危险性极大，故在经常有人的场所不宜使用。

FM-200在灭火过程中会释放出氢氟酸，在此环境内，超过一分钟，人就有生命危险。因此，在经常有人的场所慎重使用FM-200，如须使用，防护区的FM-200灭火设计浓度必须不大与9%。

气溶胶无毒，灭火时空气中氧的浓度不会降低，对人没有危害。不过，气溶胶释放后会形成浓重的烟雾，能见度极低（约小于1.0米），影响了火场人员的逃生（实践证明，火场能见度小于3.0米时，逃生很困难），这也正是气溶胶灭火剂的最大缺陷，故在经常有人的场所不宜使用。

烟烙尽的灭火机理与CO2一样，也是把药剂喷放到封闭空间内，降低氧的浓度，窒息燃烧扑灭火灾。但是烟烙尽掺入无毒害作用得了合适的气体混合物，人们在缺氧的气氛中能呼吸。通常状况下，通过人本身更深更快的呼吸来补偿环境中氧气浓度的降低，对未及时撤离的人来说是没有危害的。

综合环保指标、经济指标、灭火效率、安全性能等方面的因素，另外考虑到平台空间狭小，改造过程后系统占用的空间相对于原有的海伦系统不能太大，因此，七氟丙烷（FM200）是海上平台海伦灭火系统最理想的替代产品。

工程实践证明：七氟丙烷气体（HFC227ea）是一种高效灭火剂，具有无色、无味、低毒、电绝缘性好、无二次污染的特点，对臭氧层的耗损潜能值(ODP) 为0，符合环保要求。适用于平台上的中控室、发电机间、空调间、蓄电池间、开关间、锅炉间等场所，可扑救A、B、C各类火灾。

4、平台上海伦系统改造范围

气体灭火系统的工作原理、系统组成都基本相同，由火灾探测系统、灭火控制系统和灭火系统组成（见图1：气体灭火系统组成示意图）。 由于海上平台海伦系统改造有别于新建项目，本着对节约成本的原则，改造过程尽可能的使用原有海伦系统部件。

图3 七氟丙烷灭火系统改造示意图（作者：闫立峰）

经过消防工程分公司技术人员在SZ36-1平台群、埕北平台群、渤中34平台群、渤中友谊号等海上油气平台对原有海伦灭火系统的实地考察调研，认为原有海伦系统在火灾探测和控制线路部分与改造后的七氟丙烷灭火系统相同。

根据实际情况和以往的改造经验，我们认为只改造灭火系统部分就可以满足改造要求。即对海伦灭火装置、锈蚀的管线、喷头等部分进行改造，而不更换该系统的探测器、自动报警控制器等自动控制装置。（示意图所示的虚线框内的组件为改造范围）。这样一来，不仅节省了人力资源，而且也为天津分公司节约了大笔改造成本，得到了个作业区、天津分公司的肯定。

5、气体灭火系统选型

气体灭火系统主要分为单元独立系统和组合分配系统两种，改造时，需要结合海上平台空间结构和保护区分布等具体特点，灵活运用两种系统。

单元独立系统——指由一套七氟丙烷灭火剂储存装置对应一套管网系统，保护一个防护区域的构成形式。见图4所示：

组合分配系统——指由一套公共的七氟丙烷灭火剂储存装置对应几套管网系统，保护两个或两个以上防护区域的构成形式。见图5所示：

图4单元独立系统

图5 组合分配系统

（图4与图5中：1.声光报警器、2.火灾探测器、3.放气指示灯、4.紧急启停/手自动转换、5.气体灭火控制器、6.集流管、7.安全泄放阀、8.压力信号发生器、9.动力气连接管、10.控制连接管、11.电磁启动器、12.灭火剂瓶组支架、13.动力气瓶组、14.灭火剂瓶组、15.灭火剂连接管、16.灭火剂单向阀、17.管网、18.喷头、19.选择阀、20.启动气体单向阀、21.启动气瓶组、22.启动气瓶组支架）

以上两种系统在工程实际中都有应用。单元独立系统好处在于每个保护区都有自己独立的保护系统，当某一个保护区系统出现故障不会影响到其它保护区的安全，但其缺点是每个保护区都要设置一套气体灭火装置，占用了很多空间，相对于组合分配式系统，其药剂量大，工程造价高。

而组合分配式系统则是用最大单个保护区的药剂量，来保护所有的保护区，需要的药剂量大大小于单元独立系统，工程造价比较低廉。但是其设计的假象条件是：哪个保护区先失火，药剂被释放到哪个保护区去，药剂量不能满足各保护区同时失火的情况。随着防护区数量增多，系统可靠性降低，火灾发生的机率增加。另外，系统如果出现故障，将会导致所有保护区没有保护。

综合以上原因，我们针对于海上油气平台这样的保护区分区多，火灾危险系数大等特点，多采用了单元独立系统；当然，对于某些平台空间有限，也有采用组合分配式系统进行改造的。

6、控制方式

图6: 七氟丙烷灭火系统工作程序图

气体灭火控制方式共分为：自动、手动、机械应急三种控制方式，其中自动和手动都是通过电气控制启动氮气启动瓶的电磁阀，而机械应急则是人为直接启动氮气瓶容器阀或者直接启动区域选择阀和储气瓶瓶组容器阀。

过七氟丙烷灭火系统工作程序图（图6）所示。

6.1 自动控制方式

灭火控制器一般配有感烟火灾探测器和温感火灾探测器。控制器上有控制方式的选择锁，当将其置于“自动”位置时，灭火控制器处于自动控制状态。当只有一种探测器发出火灾信号时，控制器即发出火警声光信号，通知有异常情况发生，而不启动灭火装置释放灭火剂。如果确需启动灭火装置灭火时，可按下“紧急启动按钮”，即可启动灭火装置释放灭火剂，实施灭火。当两种探测器同时发出火警信号时，探测器发出火灾声光信号，通知有火灾发生，有关人员应撤离现场，并发出联动指令，关闭风机、防火阀等联动设备，经过一段时间延时后，即发出灭火指令，打开电磁阀，启动气体打开容器阀，释放灭火剂，实施灭火；如在报警过程中发现不需启动灭火装置，可按下保护区外的或控制面板上的“紧急停止按钮”，即可终止控制灭火指令的发生，不启动灭火装置。

6.2 手动控制方式

将控制器上的控制方式选择锁置于“手动”位置时，灭火控制器处于手动控制状态。这时，当火灾探测器发出火警信号时，控制器即发出火灾声光报警信号，而不启动灭火装置，需经人员观察，确认火灾已经发生时，可按下保护区外控制器操作面板上的“紧急启动按钮”，即可启动灭火装置，释放灭火剂，实施灭火；或者当职守人员发现火情时，而气体灭火控制器未发出声光报警信号时，应立即通知现场所有人员撤离，在确定所有人员撤离现场后，方可按下紧急启动/停止按钮，系统立即实施灭火操作。

无论装置处于自动或手动状态，按下任何紧急启动按钮，都可以启动灭火装置，释放灭火剂，实施灭火。同时控制器立即进入灭火报警状态。

当发现为误报火警时，或者火情已经消除时，可按下“紧急停止”按钮，系统将停止实施灭火操作，避免不必要的损失。

6.3 应急机械启动方式

用于控制器失效时，当职守人员判断为火灾时，应立即通知现场所有人员撤离现场，在确定所有人员撤离现场后，方可按以下步骤实施应急机械启动：①手动关闭联动设备并切断电源。②打开对应保护区选择阀。③成组或逐个打开对应保护区储瓶组上的容器阀，即刻实施灭火。

7、氮气启动瓶

氮气启动瓶（见图7）内装有高压氮气（5MPa以上），当有火灾需要启动灭火系统时，启动信号先启动氮气启动瓶，由启动瓶释放高压氮气统一触发七氟丙烷钢瓶组的各个瓶头阀，释放七氟丙烷药剂；另外，在组合分配式系统中，氮气还可以打开响应的区域选择阀，使药剂喷放到正在着火的保护区内。见图3所示：

图7：氮气瓶的作用

目前，国产气体灭火系统设备一般为此种形式，即灭火瓶由高压启动瓶中的高压氮气驱动。

然而，经过多年来对海上平台气体灭火系统的维修经验，我们发现启动瓶的故障率是相当高的，我们曾考察过几个国内大厂产品，发现它们的启动瓶普遍存在掉压现象，且电磁阀故障率较高。根据以往公司的维修项目记录中，启动瓶的故障率比灭火瓶组的故障率高出一倍以上。单个灭火剂贮瓶的掉压可能仅会对灭火效果产生影响，但启动瓶掉压或电磁阀故障会导致系统瘫痪。

因此，在气体灭火系统设计和改造过程中，对于系统的氮气瓶的配备也常常要做到一用一备。当氮气瓶掉压或电磁阀故障时，避免返回陆地维修过程中使整个系统处于瘫痪。

很多厂家也都开始意识到了氮气启动瓶存在的问题，开始研究生产直接可以从药剂瓶头阀直接启动的系统。这种系统灭火瓶组由主动瓶和从动瓶组成，启动信号开启主动瓶组容器阀，主动瓶组的高压气体再启动从动瓶组，很多进口设备也为此种形式。目前，我们公司对于埕北A、B平台的海伦系统改造中，某些保护区也采用了直接启动系统。

8、系统主备切换探讨

为了实现系统的不间断保护，《气体灭火系统设计规范》GB50370-2005规定：灭火系统的储存装置72小时内不能重新充装恢复工作的，应按系统原储存量的100%设置备用量。根据本条规定，七氟丙烷系统药剂瓶设置主备各一套。因此海上平台的气体灭火系统，每套系统都应该设置备用系统。

多年来的施工过程中，我们发现海上平台上的手动与自动之间转换是通过手动转换开关来实现的（见图8），而不是自动转换。如果发生火灾，而主系统发生故障不能正常启动的情况下，就需要人为的操作，将系统切换到备用系统状态来启用备用系统灭火，这很显然并不适合于无人值班（无人平台）和重要场所的保护。

那么怎样实现主备系统的自动切换？是下一步我们将要在工程实践中研究和解决的问题。目前，我们的思路是利用压力开关的信号反馈作用来达到这一目的。压力开关（见图3）是在药剂释放过程中，探测到管路里气体压力信号，反馈给火灾控制盘，表明药剂已成功释放。利用压力开关的信号反馈功能，在火灾控制盘中设置：如果释放主瓶药剂信号发出后，延迟一定时间（10S或30S）后仍未收到压力开关的返回信号，则确认主用瓶组启动失败，向火灾控制盘发送主用瓶组启动失败信号，并立即联动启动备用瓶组，这样一来就可以达到主备系统之间自动切换的功能。当然，这种方法是否科学可行，还要在下一步的工程实践中加以证明。

9、 结束语

按照《中国对应气候变化国家方案》的要求，我国将在2010年1月1 日停止生产和使用1301灭火剂，因此现在海油平台海伦系统改造工程目前已进入改造高峰期。

港口建设消防工程分公司作为海油总唯一一家从事消防产业的专业化公司，在海上气体灭火系统方面具有一批专业技术人员和丰富的设计、安装、维修、改造经验，积极地参与到海油平台海伦系统改造的项目中来，因为专业的服务、过硬的质量，多次获得业主的好评，树立了良好的信誉口碑，另外，我们还建立了“产品带服务”的深层服务举措，包括设计、采购、安装、调试、检测、维修维护、平台人员培训等全方位服务，努力创建中海油内独一无二的消防品牌。