石化企業(yè)穩(wěn)高壓消防給水控制系統(tǒng)研究

劉麗麗

（山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 255051）

1 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓工藝設(shè)計(jì)方案選擇

穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)保持一定的壓力，作用有兩方面：一是提高供水速度，二是自動起動消防給水泵，縮短水泵起動時(shí)間。在穩(wěn)高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高壓主泵及起動工藝都是相同的，不同的是系統(tǒng)穩(wěn)壓工藝設(shè)計(jì)。實(shí)際中主要有以下5種方案。

1）壓力控制穩(wěn)壓工藝。系統(tǒng)檢測到壓力低于某一給定值，起動穩(wěn)壓泵，高于某一給定值時(shí)，切斷穩(wěn)壓泵電源。通過自動起動和自動關(guān)閉將消防給水系統(tǒng)壓力控制在某一壓力范圍。該工藝操作費(fèi)用低，系統(tǒng)泄漏較大時(shí)，穩(wěn)壓泵容易頻繁的起動和停泵，不利于設(shè)備管理，甚至?xí)黾釉O(shè)備管理費(fèi)用。

2）常規(guī)穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓工藝。穩(wěn)壓泵24h運(yùn)行，通過控制泵出口回流閥的開度來控制穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，操作費(fèi)用很高，能耗很大。

3）變頻穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓工藝。變頻穩(wěn)壓泵24h運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)壓力超過一定值時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速減低，流量減少，系統(tǒng)壓力下降。當(dāng)系統(tǒng)壓力下降到一定值，電動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，流量增大，壓力上升，使系統(tǒng)壓力維持在一定的壓力范圍內(nèi)。在火災(zāi)時(shí)系統(tǒng)大量用水，主消防泵自動起動，直接供水。該工藝省電、操作費(fèi)用低，設(shè)計(jì)更合理。

4）新鮮水系統(tǒng)穩(wěn)壓工藝。通過單向閥將新鮮水系統(tǒng)和消防水系統(tǒng)連通，由新鮮水系統(tǒng)對消防水系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)壓。單向閥流量過大，消防給水泵無法自動起動，單向閥流量過少，壓力容易波動，造成消防給水泵頻繁起動，影響設(shè)備管理。

5）高位消防儲水罐液位穩(wěn)壓工藝。利用儲水罐與系統(tǒng)管線通過單向閥直接連通的方式對消防水系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)壓和控制，系統(tǒng)平時(shí)壓力由儲水罐液位高度控制,這種液位穩(wěn)壓工藝受儲水罐液位高度的影響，壓力只能穩(wěn)定在0.15Mpa左右。

以上五種工藝從系統(tǒng)可靠性、年運(yùn)行費(fèi)用兩方面比較，變頻穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓工藝是改造設(shè)計(jì)的首選。

2 控制方案選擇

對于石化企業(yè)穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的控制，目前國內(nèi)外應(yīng)用的控制技術(shù)較多，有采用繼電器與其他控制儀表組成的自動控制、PLC、單片機(jī)控制、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等多種多樣，PLC與其他控制器控制特點(diǎn)比較如下：

1）繼電器控制：連線多而復(fù)雜、體積大、功耗大、改變困難、觸點(diǎn)數(shù)目有限，因此靈活性和擴(kuò)展性很差。

2）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)：軟件編制復(fù)雜，不宜掌握，價(jià)格高，抗干擾能力不如PLC強(qiáng)。作為上位機(jī)使用為好。

3）單板計(jì)算機(jī)：具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格比較便宜等優(yōu)點(diǎn)。一般用于數(shù)字采集和工業(yè)控制。但不如PLC可靠，抗干擾能力差、編程復(fù)雜、不宜掌握。

4）PLC控制：可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，編制簡單、使用方便；設(shè)計(jì)、安裝容易、維護(hù)工作量少；功能完善、通用性強(qiáng)；體積小、能耗低、性價(jià)比高。

本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇遵循設(shè)計(jì)安裝投資小、操作使用簡單、運(yùn)行可靠穩(wěn)定、便于本廠電氣人員維護(hù)維修等原則，選擇PLC配合觸摸控制屏進(jìn)行控制。

3 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的整體構(gòu)成

齊魯石化儲運(yùn)場液體車間消防給水系統(tǒng)由三部分組成：一部分是由消防儲水池、消防栓、消防炮及管線組成的供水管網(wǎng)；另一部分是由消防泵組（兩臺消防泵）、穩(wěn)壓泵組（兩臺穩(wěn)壓泵）、出口電動閥構(gòu)成的電動機(jī)泵組；還有一部分PLC、變頻器、軟起動器、觸摸屏、控制切換設(shè)備、壓力變送器等組成的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

生產(chǎn)給水管道供應(yīng)的生產(chǎn)給水通過補(bǔ)充水管道進(jìn)入消防儲水池，正常情況下（無火災(zāi)時(shí)），一臺穩(wěn)壓泵變頻運(yùn)行穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，保證管網(wǎng)壓力不因滲漏而下降，維持壓力在0.7～0.8MPa之間。同時(shí)能夠供應(yīng)初期火災(zāi)的消防用水，但不能滿足消防設(shè)計(jì)流量。為確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，系統(tǒng)備有一臺備用泵，兩臺穩(wěn)壓泵實(shí)現(xiàn)24h輪值以延長設(shè)備使用壽命。若系統(tǒng)出現(xiàn)大的泄漏，一臺穩(wěn)壓泵在變頻工作狀態(tài)下，另一臺泵軟啟動運(yùn)行保證系統(tǒng)壓力，加泵時(shí)間到壓力仍未到設(shè)定值下限，發(fā)出報(bào)警信息，提醒值班人員檢查管線是否滲漏。

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，使用消防水炮或高壓消火栓，管網(wǎng)壓力下降至設(shè)定值下限0.7MPa以下時(shí)，儀表給出開消防水泵的信號并在操作室報(bào)警（提示操作人員及時(shí)到現(xiàn)場，檢查消防水泵的運(yùn)行情況），自起動（軟起）一臺消防水泵，10s后，泵出口電磁閥自動開啟，向高壓消防水管網(wǎng)送水，供應(yīng)工藝裝置區(qū)、罐區(qū)的高壓消防用水。如果第一臺泵出現(xiàn)故障或出口壓力過高（設(shè)定為 1.0MPa，此時(shí)壓力高報(bào)警），則第一臺泵自動停，管網(wǎng)壓力低于0.95MPa時(shí)，30s后第二臺消防水泵自起動（軟起），從而實(shí)現(xiàn)主備用泵的自動切換。

系統(tǒng)設(shè)自動穩(wěn)壓控制、自動火警控制、PLC控制下的手動控制、緊急手動控制、就地控制五級安全控制模式，確保在各種情況、各種故障組合下均能保證管網(wǎng)的壓力。系統(tǒng)還設(shè)顯示報(bào)警和安全巡檢系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各泵、閥的狀態(tài)及報(bào)警信息，并定期對消防泵起動運(yùn)轉(zhuǎn)巡檢，且能保證巡檢過程中接到護(hù)防信號后自動退出巡檢進(jìn)入消防狀態(tài)，工頻巡檢時(shí)保證管網(wǎng)不超壓。

4 軟件系統(tǒng)組成

穩(wěn)高壓消防給水控制的軟件系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、顯示報(bào)警系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)等。

1）控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)包括自動控制系統(tǒng)和手動控制系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)包括自動恒壓控制、自動火警控制，手動控制包括 PLC控制下的手動控制，緊急手動控制、就地人工控制。

2）安全保護(hù)系統(tǒng)。在正常和非正常（或堿）及各種故障情況下均能保證管網(wǎng)壓力。

3）顯示報(bào)警系統(tǒng)。人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示各泵各閥的工作狀態(tài)，并對各種非正常情況報(bào)警。

4）巡檢系統(tǒng)。某設(shè)備檢修時(shí)，該設(shè)備自動退出系統(tǒng)。PLC軟件系統(tǒng)總體模塊流程如圖2所示。

圖2 PLC軟件系統(tǒng)總體模塊流程

5 石化企業(yè)穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)仿真研究

在本系統(tǒng)中采用S7-300PLC自帶的PID控制功能將壓力設(shè)定和壓力反饋的偏差信號進(jìn)行比例、積分、微分調(diào)節(jié)后作為頻率給定信號控制自動變頻恒壓過程，保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。常規(guī)PID控制器具有算法簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，對于確定性的被控對象通過對三個(gè)參數(shù)的調(diào)整就可以獲得比較滿意的控制效果。消防給水系統(tǒng)屬于時(shí)變的、有滯后的、非線性的系統(tǒng)，采用常規(guī)PID控制后與改造前的系統(tǒng)相比，穩(wěn)壓效果有了較大改善，穩(wěn)定性和可靠性有了很大程度的提高，但系統(tǒng)的動態(tài)性能較差，調(diào)節(jié)時(shí)間較長，有可能出現(xiàn)超調(diào)和振蕩，甚至系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，而且受PID控制規(guī)律本身的限制，其參數(shù)整定比較困難。

模糊控制具有不依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型的突出優(yōu)點(diǎn)，但是穩(wěn)態(tài)的精度較差。本系統(tǒng)中將模糊控制器與PID控制器結(jié)合起來，把精確PI控制引入模糊控制中組成 Fuzzy-PI復(fù)合控制器，在 FUZZY-PI控制器的隸屬函數(shù)、模糊規(guī)則和參數(shù)等的整定中，引入遺傳算法GA來實(shí)現(xiàn)對最優(yōu)參數(shù)組合的尋優(yōu)，以期達(dá)到滿意的管網(wǎng)穩(wěn)壓控制。用Matlab對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，圖 3為采用 Matlab仿真的遺傳尋優(yōu)的Fuzzy-PI控制效果圖。

圖3 遺傳尋優(yōu)的Fuzzy-PI控制效果圖

6 系統(tǒng)運(yùn)行情況

系統(tǒng)經(jīng)改造安裝后，已經(jīng)過多次實(shí)戰(zhàn)演習(xí)。演習(xí)一般模擬一個(gè)儲運(yùn)罐著火，一個(gè)著火罐需要開一個(gè)消防炮，每個(gè)相鄰的罐開炮降溫，這樣最多要需要開4個(gè)消防炮、多個(gè)消防栓供水。啟動自動火警控制按鈕，系統(tǒng)完全按照既定程序運(yùn)行。多次實(shí)戰(zhàn)演習(xí)證明，在火情情況復(fù)雜，多個(gè)消防栓、消防炮開啟的情況下，控制系統(tǒng)完全能控制管網(wǎng)壓力維持在1MPa。在各種故障組合中仍能維持0.7～1.2MPa的管網(wǎng)壓力。證明該系統(tǒng)在絕大多數(shù)正常和非正常情況下均能可靠工作。極大的提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。

7 結(jié)論

經(jīng)過一年多的運(yùn)行，該系統(tǒng)能夠滿足生產(chǎn)工藝的要求。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、工作狀況良好、穩(wěn)壓效果較好。人機(jī)界面清晰，操作者使用方便自如。自動恒壓、自動火警、手動控制等功能完善，故障率低，在各種運(yùn)行情況下沒發(fā)生壓力超出設(shè)定范圍等事故。使用了變頻調(diào)速系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著。本文對穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的理論控制進(jìn)行了探索研究。穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的整個(gè)控制對象無法建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，所以論文選用模糊控制理論對它的控制可能性進(jìn)行了有益的探索，并利用遺傳算法對模糊控制系統(tǒng)的控制規(guī)則進(jìn)行了優(yōu)化研究。

[1]GB50160-1992（1999年版）石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范.

[2]程振華,王文彬. 輕烴罐區(qū)消防穩(wěn)高壓給水消防設(shè)計(jì)[J].工業(yè)用水與廢水,2003,12(4)∶11-16.

[3]曾文慶,古才榮.茂名穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)改造方案優(yōu)選[J].安全·健康·環(huán)境, 2003,3(7)∶3-6.

[4]于華貴.石油化工企業(yè)穩(wěn)高壓消防給水設(shè)計(jì)[J].煉油技術(shù)與工程,2003,33(2)∶13-15.

[5]楊崎. 穩(wěn)高壓與臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)的主要區(qū)別[J]. 中國給水排水,2003,1(19)∶71-73.

[6]李士勇,夏承光. 模糊控制和智能控制理論與應(yīng)用[J].哈爾濱∶哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1990.

[7]王小平,曹黎明.遺傳算法-理論、應(yīng)用與軟件實(shí)現(xiàn)[J].西安：西安交通大學(xué)出版社,2002.

[8]樓順天,胡昌華,張偉.基于Matlab的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)-模糊系統(tǒng)[J].西安∶西安電子科技大學(xué)出版社,2001.

[9]胡學(xué)林. 可編程控制器教程[M].北京∶電子工業(yè)出版社,2006.