油庫消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李智文 潘啟昌 羅俏

1 前言

隨著國家能源安全的需要以及現(xiàn)代物流業(yè)的發(fā)展，一座座大型的油庫在我國沿海等地拔地而起。新建或改擴(kuò)建的油庫往往具有庫容大、油品類別多的特點(diǎn)。一旦出現(xiàn)火災(zāi)事故，將對周圍人民的生活、生產(chǎn)和環(huán)境造成極大的危害?，F(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》對油庫消防自動化部分闡述較少，國內(nèi)油庫消防系統(tǒng)大部分自動化程度不高，不能很好地實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時綜合監(jiān)控。為防止和減少油庫火災(zāi)危害，依照“安全第一、預(yù)防為主、防消結(jié)合”的消防原則，建設(shè)一套穩(wěn)定可靠、能在實(shí)際滅火作戰(zhàn)中發(fā)揮效用的消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行。

2 消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)的組成

伴隨微電子技術(shù)、檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用到消防領(lǐng)域，消防系統(tǒng)已從過去簡單、被動的體系演變?yōu)榻裉熳詣犹綔y、自動報(bào)警、自動滅火的智能化綜合監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由動力監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動檢測系統(tǒng)、可燃?xì)怏w監(jiān)控系統(tǒng)、滅火自控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成，通過把各子系統(tǒng)集成到同一個工作平臺，實(shí)現(xiàn)儲罐區(qū)、碼頭、輸油管線、裝車平臺、鐵路裝卸等環(huán)節(jié)的消防系統(tǒng)綜合管理、統(tǒng)一調(diào)度、互相協(xié)作，發(fā)揮1+1>2的功效。

2.1 動力設(shè)備監(jiān)控

由于火警發(fā)生時可能會切斷市電接入，為保證消防設(shè)備的動力供應(yīng)，確保滅火設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備在火警時能提供穩(wěn)定電源并正常工作，所有滅火設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備的電源必須由市電和應(yīng)急發(fā)電機(jī)兩路供給。這是整個消防監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。消防動力設(shè)備包括應(yīng)急發(fā)電機(jī)及相關(guān)的配電屏。應(yīng)急發(fā)電機(jī)是由啟動電池供電發(fā)動后燃燒油料發(fā)電的，故日常需對應(yīng)急發(fā)電機(jī)的啟動電池電壓以及油箱油位高度、油壓等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，確保發(fā)動機(jī)能正常啟動工作。當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動并正常發(fā)電后，可對發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控內(nèi)容包括：三相電壓、頻率、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、油箱液位、油壓、發(fā)電機(jī)是否存在故障等。

2.2 火災(zāi)自動檢測系統(tǒng)

由于油品、化工品燃燒后能迅速釋放能量使環(huán)境溫度升高，故油庫常以溫度突然急劇升高作為火災(zāi)發(fā)生的判定標(biāo)準(zhǔn)。感溫電纜等溫度感測器是常用的火災(zāi)探測器。光纖光柵火災(zāi)探測器[1]是一種新型的火災(zāi)自動檢測設(shè)備，已在國內(nèi)多處石油化工企業(yè)的大型油庫及儲油罐上應(yīng)用。該探測器所采用的光纖光柵屬于光纖傳感器，是一種先進(jìn)的無電化溫度傳感技術(shù)，具有本質(zhì)防爆、測量精度高、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫等特點(diǎn)。通過在罐頂外壁和罐頂入孔分別安裝光柵探頭，綜合監(jiān)測罐頂外壁和罐內(nèi)油氣的溫度，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的報(bào)警溫度設(shè)定值和報(bào)警溫升速率實(shí)時給出過熱預(yù)警和火災(zāi)報(bào)警信號。為避免誤報(bào)警，應(yīng)結(jié)合該儲罐上其余探測器進(jìn)行綜合判斷，以確定是否真正失火。

2.3 可燃?xì)怏w監(jiān)控系統(tǒng)

在庫區(qū)內(nèi)可能積聚可燃?xì)怏w或可能泄漏可燃?xì)怏w的場所設(shè)置可燃?xì)怏w濃度變送器，把現(xiàn)場檢測到的可燃?xì)怏w濃度信號傳輸至消防監(jiān)控中心。一旦現(xiàn)場的某一氣體濃度達(dá)到或超過設(shè)定值，系統(tǒng)給出報(bào)警信號，并在可燃?xì)怏w探頭布置圖上顯示報(bào)警現(xiàn)場地點(diǎn)。當(dāng)報(bào)警發(fā)生后，須通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)確認(rèn)或立即派人前往現(xiàn)場確認(rèn)，必要時自動啟動消防設(shè)施。

2.4 滅火控制系統(tǒng)

滅火控制系統(tǒng)有“手動”和“自動”兩種模式。當(dāng)控制系統(tǒng)接收到火災(zāi)報(bào)警控制器發(fā)出的確認(rèn)信號后，在“自動”模式下，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序自動啟動消防冷卻水泵和泡沫混合液泵，并按預(yù)定的邏輯順序開、閉相關(guān)的電動閥門，將泡沫液以最快速度噴灑到事故罐，并對事故罐附近的儲罐噴淋降溫。在手動狀態(tài)下，操作人員可直接在操作控制臺啟動消防泵及相應(yīng)的消防水閥、泡沫液閥等實(shí)現(xiàn)人工手動控制滅火。在整個滅火過程可實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控消防泵的工作狀態(tài)、管網(wǎng)壓力、消防水罐液位等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)連鎖控制。

2.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

由于油庫規(guī)模越來越大，僅靠管理人員現(xiàn)場巡查已不能滿足現(xiàn)代企業(yè)安全生產(chǎn)管理要求。數(shù)字化視頻監(jiān)控技術(shù)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，通過安裝防爆彩色攝像機(jī)，可實(shí)現(xiàn)以下功能：1）、對油庫內(nèi)重要的、高危的生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行集中監(jiān)視，減少現(xiàn)場巡查人員；2）、配合視頻煙霧、火苗監(jiān)測分析軟件，實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)初期的煙霧、火苗及時偵測，有利于發(fā)現(xiàn)初期火災(zāi)；3）、安裝在高塔上的全天候彩色夜視攝像機(jī)，可實(shí)現(xiàn)手動云臺控制、鏡頭控制，因其掃描半徑大，可實(shí)現(xiàn)整個庫區(qū)的視頻監(jiān)控；4）、在火災(zāi)狀態(tài)下該系統(tǒng)可鎖定方位并進(jìn)行錄像，提供實(shí)時火場資料，掌握火災(zāi)動態(tài)，更好地指揮滅火救災(zāi)。

3 消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)

消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用了大量工業(yè)自動化控制技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，以確保整個系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。監(jiān)控系統(tǒng)采用通用的三層結(jié)構(gòu)（見圖1）[2]，即信息層、控制層和設(shè)備層(傳感/執(zhí)行層)，來實(shí)現(xiàn)把各子系統(tǒng)集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)中。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）、現(xiàn)場前端設(shè)備層：完成物理量的測量和控制命令的執(zhí)行。油罐溫度、可燃?xì)怏w濃度等傳感器通過 RS485等現(xiàn)場總線連接到控制器相應(yīng)的 I/O模塊，并由控制器通過現(xiàn)場總線發(fā)送命令對滅火設(shè)備進(jìn)行控制。新型的I/O模塊通用性強(qiáng)、集成度高，能滿足串口通訊在內(nèi)等各種輸入輸出的需要；模塊自帶CPU芯片，單個模塊就能實(shí)現(xiàn)多路輸入、輸出，并且能有效降低控制器的負(fù)荷。

（2）、控制層：負(fù)責(zé)對現(xiàn)場設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)的采集。控制層由一個或多個控制器組成，可采用各種可編程控制器（PLC、PAC）進(jìn)行控制?？刂破鞲鶕?jù)現(xiàn)場采集到的各種數(shù)據(jù)及系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的邏輯關(guān)系，自動控制滅火設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。為保證整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，要求控制器、電源模塊、通訊模塊必須1：1冗余。

（3）、信息層：由中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)控軟件等組成。它能夠?qū)崿F(xiàn)對自動控制設(shè)備進(jìn)行高速而有效地監(jiān)視和控制，同時可以對各類型數(shù)據(jù)作統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理。運(yùn)用組態(tài)軟件能建立全部場景的人機(jī)界面的外觀，可顯示整個控制流程或局部環(huán)節(jié)的直觀動態(tài)彩色畫面，并能實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控站和現(xiàn)場控制界面組成了強(qiáng)大的信息管理系統(tǒng)，同時配合視頻監(jiān)控、廣播對講系統(tǒng)等其他系統(tǒng)，在中央控制室就可以實(shí)現(xiàn)對全局的指揮調(diào)度與集中監(jiān)控。

信息管理層采用遵循TCP/IP 協(xié)議的100Mb/s 工業(yè)以太網(wǎng)為主干網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議（Ethernet Industrial Protocol，Ethernet/IP）是開放的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，支持實(shí)時I/O控制與消息傳遞功能，能滿足視頻傳輸所需的大吞吐量的數(shù)據(jù)交換，而且接口開放，兼容性非常好，能外接符合國際網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)布線產(chǎn)品各種不同類型的設(shè)備。

4 消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動工作流程

第一步、災(zāi)情確認(rèn)。

當(dāng)出現(xiàn)以下四種緊急情況時：

（1）、油庫范圍內(nèi)四周道路邊設(shè)置防爆型手動火災(zāi)報(bào)警按鈕，當(dāng)現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時，可通過火災(zāi)報(bào)警按鈕手動報(bào)警；

（2）、儲罐區(qū)設(shè)置的火災(zāi)自動檢測報(bào)警裝置探測并輸送火災(zāi)情報(bào)；

（3）、可燃?xì)怏w監(jiān)控系統(tǒng)檢測到某區(qū)域可燃?xì)怏w濃度超限；

（4）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)對煙霧、火苗監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)火災(zāi)或值班人員通過視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情。

報(bào)警信號傳送到消防監(jiān)控中心的報(bào)警器，發(fā)出聲光報(bào)警，由值班人員通過視頻監(jiān)控或通訊系統(tǒng)確認(rèn)著火后，或超時系統(tǒng)自動確認(rèn)后，啟動滅火控制系統(tǒng)。

第二步、動力監(jiān)控系統(tǒng)判斷市電是否已被切斷，如市電已被切斷，馬上啟動應(yīng)急發(fā)電機(jī)，數(shù)十秒后發(fā)電機(jī)正常工作并提供穩(wěn)定電源。

第三步、在消防監(jiān)控中心人機(jī)接口(HMI)顯示消防工藝流程、設(shè)備狀態(tài)及各種參數(shù)，操作人員通過觸摸屏手動或自動下發(fā)各種消防設(shè)備的啟停命令及啟動相應(yīng)滅火控制流程。同時在監(jiān)控中心大屏幕拼接墻顯示現(xiàn)場火災(zāi)情況，并由硬盤錄像機(jī)進(jìn)行錄像。

第四步、滅火設(shè)備執(zhí)行滅火控制系統(tǒng)發(fā)出的命令，啟動消防冷卻水泵及泡沫混合液泵，打開相應(yīng)罐上的泡沫混合液管道和消防冷卻水的電動閥，對火罐進(jìn)行滅火，對相鄰罐進(jìn)行冷卻保護(hù)。

第五步、通知消防部門，疏散油庫工作人員及附近群眾，組織油庫消防人員投入現(xiàn)場滅火撲救工作。

5 工程實(shí)例及結(jié)語

某新建油庫，儲存有重質(zhì)原油、燃料油、汽油、柴油以及對二甲苯、烷基苯等化工品，庫容為120 m3×104 m3。主要消防設(shè)備有柴油機(jī)消防冷卻水泵兩臺（流量為160L/s）、柴油機(jī)泡沫混合液泵兩臺（流量為100L/s）、平衡壓力式泡沫比例混合裝置一套（最大泡沫混液也用量260L/s）、消防水罐4000m3兩座。罐區(qū)設(shè)消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w檢測報(bào)警、火災(zāi)自動檢測報(bào)警、滅火設(shè)備連鎖控制、電視監(jiān)視等功能?？刂葡到y(tǒng)采用西門子 S7-400系列PLC+WINCC組態(tài)軟件。在多次消防模擬演習(xí)中，從火災(zāi)初期發(fā)現(xiàn)到啟動消防設(shè)備，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)作正常，滅火效果良好。

消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)的投入使用大大提高了油庫消防自動化水平，為油庫的安全運(yùn)營提供了強(qiáng)有力的保障。為了使系統(tǒng)能正常工作，在滅火撲救過程中能真正發(fā)揮效用，我們必須做到以下兩點(diǎn)：第一，定期保養(yǎng)維護(hù)。必須定期檢查易燃?xì)怏w氣探頭、感溫電纜等傳感器是否正常工作，并進(jìn)行校正。第二，定期進(jìn)行消防演練。通過對滅火過程進(jìn)行模擬訓(xùn)練，一方面檢查消防系統(tǒng)工作是否正常；另一方面使全體員工了解如何防火、救火，將火災(zāi)迅速控制和撲滅，把火災(zāi)的損失降到最低。

[1] 劉建興.大型可燃液體罐區(qū)消防及自動控制設(shè)計(jì)[J].工業(yè)用水與廢水,2007,26(01):86-89.

[2] 郭華芳,李智文.消防模擬訓(xùn)練系統(tǒng)初探[J].消防科學(xué)與技術(shù),2007,38(6):97-100.