天然氣液化廠消防給水控制系統(tǒng)改造

徐雙文，巴文愛

（中海油遼寧天然氣有限責任公司，遼寧營口 115009）

0 引言

天然氣液化是將高壓、常溫氣態(tài)天然氣通過深冷，標況體積約縮小至1/600，使其轉(zhuǎn)化為常壓、低溫（≤-162℃）的液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）。LNG強揮發(fā)性和天然氣易燃易爆性決定了其生產(chǎn)過程的火災(zāi)危險類別高、爆炸危害性大、影響范圍廣。某天然氣液化廠年生產(chǎn)LNG 33 000 t，其重大危險源LNG儲罐有效工作容積V=4500 m3，廠區(qū)高壓消防給水系統(tǒng)工作壓力0.60～0.80 MPa，一次火災(zāi)最大消防用水量183 L/s。

水泵是消防系統(tǒng)的“心臟”，其可靠性直接關(guān)系到“控火滅火”工作的成敗。實際使用過程中雖然穩(wěn)壓泵（Q=18 m3/h，H=80 m，一用一備）通過自動、間斷運行可以維持正常狀態(tài)下消防給水系統(tǒng)管網(wǎng)工作壓力，但在火災(zāi)模擬狀態(tài)下消防水泵（Q=360 m3/h，H=100 m，二用一備）啟動困難，且無自動啟動、自動巡檢功能。尤其是在首臺消防水泵運行的情況下，第2臺工作消防水泵啟動時常因沖擊電流過高導致上一級供電電源斷路器跳閘，消防給水系統(tǒng)癱瘓，無法保證消防給水管網(wǎng)所需的工作壓力和流量。不僅大幅度降低了消防給水系統(tǒng)安全運行的及時性和可靠性，甚至使整個消防給水系統(tǒng)失去應(yīng)有的“控火滅火”功能，給該廠正常生產(chǎn)運營帶來極大的安全隱患。本文研究的目的就在于針對該廠消防給水系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況分析，提出并落實經(jīng)濟有效的解決措施。

1 消防給水控制系統(tǒng)存在問題及原因分析

1.1 消防水泵啟動困難或無法啟動

該廠設(shè)計有3臺消防水泵（Q=360 m3/h，H=100 m，P=132 kW），2用1備，啟動方式均為自耦降壓啟動。但在實際生產(chǎn)過程中，如果啟動首臺工作消防水泵，會偶爾出現(xiàn)因沖擊電流過高導致本級供電電源斷路器跳閘；如果在首臺消防水泵運行的情況下，啟動第2臺工作消防水泵幾乎每次都會出現(xiàn)因沖擊電流過高而導致上一級供電電源斷路器跳閘，消防給水系統(tǒng)癱瘓。經(jīng)現(xiàn)場實際情況了解和分析，其原因概括為2個方面。

（1）自耦降壓啟動是利用有抽頭的自耦變壓器將電源電壓降低后，再加到電機定子繞組端，達到減小啟動電流的目的?，F(xiàn)有自耦變壓器額定功率135 kW，額定電壓380 V，啟動時首先接入65%的抽頭（U=247 V），延時60 s后再接入旁通回路（U=380 V）。雖然其結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低，但相對軟啟動器其調(diào)壓能力有限、啟動時間長、且不宜頻繁操作，更嚴重的是啟動電壓轉(zhuǎn)換瞬間有尖峰電流的存在，易引起供電電源斷路器跳閘。

（2）消防水泵屬于離心泵，從離心泵特性曲線可以看出，其流量和揚程成反相關(guān)關(guān)系，當揚程很低時，流量會很大；另外由離心泵功率計算公式P=2.73 HQ/η可以看出其流量與功率成正比。離心泵剛啟動時管道內(nèi)沒有壓力，泵的流量很大、功率和電流也很高。根據(jù)此原理工程上常采用關(guān)閉離心泵出口閥門的方法，使泵在起動時不輸出流量，功率和電流達到最小值。當電機達到額定轉(zhuǎn)速后，再慢慢開啟離心泵出口閥門，使其在額定壓力、額定流量下工作。該廠現(xiàn)有消防水泵給水系統(tǒng)只有在總管上設(shè)置有啟閉閥門（手動蝶閥），在首臺消防水泵啟動的情況下，第2臺工作消防水泵啟動時出口閥門無法關(guān)閉，致使其啟動電流較高。

1.2 消防水泵無法實現(xiàn)自動啟動功能

為及時、有效地為可能發(fā)生的火災(zāi)事故提供消防水源，最大程度減少事故損失，GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：高壓消防給水系統(tǒng)必須能自動啟動消防水泵，控制柜在準工作狀態(tài)時消防水泵應(yīng)處于自動啟泵狀態(tài)。但由于設(shè)計施工缺陷，該廠消防水泵無自動啟動功能，只有消防控制柜機械應(yīng)急手動啟動、現(xiàn)場手動啟動和中控室遠程手動啟動功能。

1.3 消防水泵無自動巡檢功能

消防水泵安裝位置標高-4.5 m，工作環(huán)境相對潮濕，為防止其出現(xiàn)銹蝕、抱軸、接觸不良等故障現(xiàn)象，GA 30.2—2002《固定消防給水設(shè)備的性能和實驗方法 第2部分：消防自動恒壓給水設(shè)備》5.4.4規(guī)定：消防水泵長期處于非運行狀態(tài)的設(shè)備應(yīng)具有自動和手動巡檢功能，以防患于未然。但由于設(shè)計缺陷施工，該廠現(xiàn)有消防水泵及其控制柜元器件無此自動巡檢功能。

2 消防給水控制系統(tǒng)問題解決措施

2.1 利用PLC控制器對消防水給水系統(tǒng)進行控制

GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》11.0.4規(guī)定：消防水泵應(yīng)由水泵出水干管上設(shè)置的低壓壓力開關(guān)、高位消防水箱出水管上的流量開關(guān)或報警閥壓力開關(guān)等信號直接自動啟動消防水泵?！痘馂?zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》實施指南規(guī)定：消防水泵可以由消防聯(lián)動控制系統(tǒng)自動啟動。消防聯(lián)動控制系統(tǒng)是火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中接受火災(zāi)報警控制器發(fā)出的火災(zāi)報警信號，按預設(shè)邏輯完成各項消防功能的控制系統(tǒng)。為提高消防給水系統(tǒng)的“控火滅火”及時性和可靠性，根據(jù)國家相關(guān)標準規(guī)范，本項目采用西門子S7-200系列PLC控制器對液化廠消防給水系統(tǒng)進行控制。其主要功能如下：

（1）自動/手動轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)設(shè)置手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，在正常狀態(tài)下自動運行；當需要檢修、調(diào)試時根據(jù)需要通過控制柜按鈕進行手動操作，啟停各消防水泵和開關(guān)各控制閥門。

（2）LNG儲罐自動噴淋冷卻水源開關(guān)閥自動控制。液化廠消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓泵（Q=18 m3/h，H=80 m，1用1備）自動間斷運行，始終保持著消防給水管網(wǎng)系統(tǒng)的工作壓力（0.60～0.80 MPa）。當LNG儲罐區(qū)現(xiàn)場有2臺火焰探測器（3選2）同時檢測到LNG儲罐周圍有火災(zāi)情況發(fā)生時，模擬量信號輸入PLC控制器并經(jīng)表決通過后，輸出數(shù)字信號打開水源開關(guān)閥，啟動LNG儲罐消防噴淋水系統(tǒng)，同時聯(lián)鎖關(guān)閉LNG儲罐進出液閥和LNG輸送泵?；馂?zāi)事故處理完畢，手動關(guān)閉水源開關(guān)閥。

（3）消防水泵的自動啟動。本項目消防水泵自動啟動信號源來自于消防水系統(tǒng)總管壓力變送器（3選2）。壓力變送器將現(xiàn)場模擬量信號輸入PLC控制器并經(jīng)表決通過后，輸出開關(guān)量信號并根據(jù)控制邏輯順序自動啟動消防水泵，控制流程如圖1所示。

圖1 液化廠消防水泵自動控制流程

當消防給水總管變送器（3選2）顯示壓力≤0.55 MPa（G），且延時30 s不變時，啟動首臺工作消防水泵；當消防給水管上變送器（3選2）顯示壓力≤0.50 MPa（G），且延時30 s不變時，啟動第2臺工作消防水泵。為防止火災(zāi)撲救過程出現(xiàn)異常，根據(jù)GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》11.0.3要求，消防水泵不設(shè)置自動停泵的控制功能，停泵根據(jù)火災(zāi)撲救情況由具有管理權(quán)限的工作人員手動操作（就地和遠程）。工作消防水泵和穩(wěn)壓泵的選擇事先通過萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)確定，消防水泵2用1備；穩(wěn)壓泵1用1備，當其中一臺發(fā)生故障或處在檢修狀態(tài)時，備用泵自動投入工作狀態(tài)。

2.2 降低消防水泵啟動時沖擊電流

（1）利用軟啟動器啟動消防水泵。軟啟動器是一種新型電機控制裝置，工作時電機電壓可以從零按預設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，屬無極降壓啟動。當電機電流、轉(zhuǎn)速達到額定值時，旁通在軟啟動器上的接觸器動作而使軟啟動器停止工作，該設(shè)備具有體積小、維護保養(yǎng)方便、性能穩(wěn)定可靠、起動速度平穩(wěn)、無尖峰沖擊電流等顯著特點。本項目選用施耐德ATS48C32系列產(chǎn)品軟啟動器，各泵起動電流可控、啟動參數(shù)均可根據(jù)負載情況和電網(wǎng)繼電保護特性進行選擇設(shè)定，無需更換大功率接觸器和斷路器。

（2）增設(shè)消防水泵后電動蝶閥。為進一步降低啟動電流，在各消防水泵后管路增設(shè)反應(yīng)靈敏、動作迅速、操作方便的電動開關(guān)閥。正常情況下（無火災(zāi)等異常事故）3臺電動開關(guān)閥均處于開啟狀態(tài)。如有異常需要啟動消防水泵時，在自動模式下，首先關(guān)閉對應(yīng)電動開關(guān)閥，然后根據(jù)電機啟動過程的持續(xù)時間，延時（一般為30 s）打開該電動開關(guān)閥，以保證該消防水泵輕載啟動、滿載運行；手動模式下，電動開關(guān)閥的關(guān)閉（消防水泵啟動）和打開（消防水泵運行）均可獨立進行手動控制。

2.3 增設(shè)消防水泵自動巡檢功能

消防水泵自動巡檢系統(tǒng)是利用巡檢變頻器輸出一個較低的頻率（10～15 Hz，55 kW），周期性（一般2周1次）地逐一驅(qū)動各消防水泵，使每臺消防水泵在較低的轉(zhuǎn)速下（一般600 r/min）運行一定時間（一般每次5 min）。消防水泵巡檢頻率、運行周期和持續(xù)時間等參數(shù)均可在控制柜顯示屏操作面板上設(shè)定。自動模式下各消防水泵按事先設(shè)定的邏輯關(guān)系和運行參數(shù)進行自動巡檢；手動模式下各消防水泵通過控制面板啟停按鈕選擇性的對各消防水泵進行人工巡檢。巡檢期間消防水泵轉(zhuǎn)速低、出口壓力小、啟動電流低，不會對消防水管網(wǎng)和供電電網(wǎng)產(chǎn)生影響。此外巡檢系統(tǒng)還可以對消防水泵控制柜一次回路中各主要元器件動作狀態(tài)和電源自動切換功能進行自動檢查，并且當有火災(zāi)等事故信號時消防水泵立即退出巡檢，進入正常運行狀態(tài)，進一步保證了消防給水系統(tǒng)安全運行的可靠性。

3 實施效果

本項目總投資48.56萬元，于2020年5月改造完成。經(jīng)過一年多時間的實際運行，不僅消除了該廠消防水泵啟動困難，且無自動啟動、自動巡檢功能等安全隱患，同時還有利于及時發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，進一步提高了該廠消防給水系統(tǒng)的操作靈活性和運行可靠性。