石化企業穩高壓消防給水控制系統研究

劉麗麗

（山東鋁業職業學院，山東 淄博 255051）

1 穩高壓消防給水系統穩壓工藝設計方案選擇

穩高壓消防給水系統保持一定的壓力，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，縮短水泵起動時間。在穩高壓系統設計中，高壓主泵及起動工藝都是相同的，不同的是系統穩壓工藝設計。實際中主要有以下5種方案。

1）壓力控制穩壓工藝。系統檢測到壓力低于某一給定值，起動穩壓泵，高于某一給定值時，切斷穩壓泵電源。通過自動起動和自動關閉將消防給水系統壓力控制在某一壓力范圍。該工藝操作費用低，系統泄漏較大時，穩壓泵容易頻繁的起動和停泵，不利于設備管理，甚至會增加設備管理費用。

2）常規穩壓泵穩壓工藝。穩壓泵24h運行，通過控制泵出口回流閥的開度來控制穩定系統壓力，操作費用很高，能耗很大。

3）變頻穩壓泵穩壓工藝。變頻穩壓泵24h運轉，系統壓力超過一定值時，電動機轉速減低，流量減少，系統壓力下降。當系統壓力下降到一定值，電動機轉速增加，流量增大，壓力上升，使系統壓力維持在一定的壓力范圍內。在火災時系統大量用水，主消防泵自動起動，直接供水。該工藝省電、操作費用低，設計更合理。

4）新鮮水系統穩壓工藝。通過單向閥將新鮮水系統和消防水系統連通，由新鮮水系統對消防水系統進行穩壓。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，影響設備管理。

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

以上五種工藝從系統可靠性、年運行費用兩方面比較，變頻穩壓泵穩壓工藝是改造設計的首選。

2 控制方案選擇

對于石化企業穩高壓消防給水系統的控制，目前國內外應用的控制技術較多，有采用繼電器與其他控制儀表組成的自動控制、PLC、單片機控制、工業控制計算機等多種多樣，PLC與其他控制器控制特點比較如下：

1）繼電器控制：連線多而復雜、體積大、功耗大、改變困難、觸點數目有限，因此靈活性和擴展性很差。

2）工業控制計算機：軟件編制復雜，不宜掌握，價格高，抗干擾能力不如PLC強。作為上位機使用為好。

3）單板計算機：具有結構簡單、使用方便、價格比較便宜等優點。一般用于數字采集和工業控制。但不如PLC可靠，抗干擾能力差、編程復雜、不宜掌握。

4）PLC控制：可靠性高、抗干擾能力強，編制簡單、使用方便；設計、安裝容易、維護工作量少；功能完善、通用性強；體積小、能耗低、性價比高。

本控制系統設計方案選擇遵循設計安裝投資小、操作使用簡單、運行可靠穩定、便于本廠電氣人員維護維修等原則，選擇PLC配合觸摸控制屏進行控制。

3 穩高壓消防給水系統的整體構成

齊魯石化儲運場液體車間消防給水系統由三部分組成：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；另一部分是由消防泵組（兩臺消防泵）、穩壓泵組（兩臺穩壓泵）、出口電動閥構成的電動機泵組；還有一部分PLC、變頻器、軟起動器、觸摸屏、控制切換設備、壓力變送器等組成的控制系統。系統結構如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

生產給水管道供應的生產給水通過補充水管道進入消防儲水池，正常情況下（無火災時），一臺穩壓泵變頻運行穩定系統壓力，保證管網壓力不因滲漏而下降，維持壓力在0.7～0.8MPa之間。同時能夠供應初期火災的消防用水，但不能滿足消防設計流量。為確保系統壓力穩定，系統備有一臺備用泵，兩臺穩壓泵實現24h輪值以延長設備使用壽命。若系統出現大的泄漏，一臺穩壓泵在變頻工作狀態下，另一臺泵軟啟動運行保證系統壓力，加泵時間到壓力仍未到設定值下限，發出報警信息，提醒值班人員檢查管線是否滲漏。

當發生火災時，使用消防水炮或高壓消火栓，管網壓力下降至設定值下限0.7MPa以下時，儀表給出開消防水泵的信號并在操作室報警（提示操作人員及時到現場，檢查消防水泵的運行情況），自起動（軟起）一臺消防水泵，10s后，泵出口電磁閥自動開啟，向高壓消防水管網送水，供應工藝裝置區、罐區的高壓消防用水。如果第一臺泵出現故障或出口壓力過高（設定為 1.0MPa，此時壓力高報警），則第一臺泵自動停，管網壓力低于0.95MPa時，30s后第二臺消防水泵自起動（軟起），從而實現主備用泵的自動切換。

系統設自動穩壓控制、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的壓力。系統還設顯示報警和安全巡檢系統，實時顯示系統各泵、閥的狀態及報警信息，并定期對消防泵起動運轉巡檢，且能保證巡檢過程中接到護防信號后自動退出巡檢進入消防狀態，工頻巡檢時保證管網不超壓。

4 軟件系統組成

穩高壓消防給水控制的軟件系統主要包括控制系統、安全保護系統、顯示報警系統、巡檢系統等。

1）控制系統。控制系統包括自動控制系統和手動控制系統，自動控制系統包括自動恒壓控制、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）安全保護系統。在正常和非正常（或堿）及各種故障情況下均能保證管網壓力。

3）顯示報警系統。人機界面實時顯示各泵各閥的工作狀態，并對各種非正常情況報警。

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

圖2 PLC軟件系統總體模塊流程

5 石化企業穩高壓消防給水系統仿真研究

在本系統中采用S7-300PLC自帶的PID控制功能將壓力設定和壓力反饋的偏差信號進行比例、積分、微分調節后作為頻率給定信號控制自動變頻恒壓過程，保持系統壓力穩定。常規PID控制器具有算法簡單、可靠性高等優點，對于確定性的被控對象通過對三個參數的調整就可以獲得比較滿意的控制效果。消防給水系統屬于時變的、有滯后的、非線性的系統，采用常規PID控制后與改造前的系統相比，穩壓效果有了較大改善，穩定性和可靠性有了很大程度的提高，但系統的動態性能較差，調節時間較長，有可能出現超調和振蕩，甚至系統變得不穩定，而且受PID控制規律本身的限制，其參數整定比較困難。

模糊控制具有不依賴被控對象的數學模型的突出優點，但是穩態的精度較差。本系統中將模糊控制器與PID控制器結合起來，把精確PI控制引入模糊控制中組成 Fuzzy-PI復合控制器，在 FUZZY-PI控制器的隸屬函數、模糊規則和參數等的整定中，引入遺傳算法GA來實現對最優參數組合的尋優，以期達到滿意的管網穩壓控制。用Matlab對系統進行了仿真，圖 3為采用 Matlab仿真的遺傳尋優的Fuzzy-PI控制效果圖。

圖3 遺傳尋優的Fuzzy-PI控制效果圖

6 系統運行情況

系統經改造安裝后，已經過多次實戰演習。演習一般模擬一個儲運罐著火，一個著火罐需要開一個消防炮，每個相鄰的罐開炮降溫，這樣最多要需要開4個消防炮、多個消防栓供水。啟動自動火警控制按鈕，系統完全按照既定程序運行。多次實戰演習證明，在火情情況復雜，多個消防栓、消防炮開啟的情況下，控制系統完全能控制管網壓力維持在1MPa。在各種故障組合中仍能維持0.7～1.2MPa的管網壓力。證明該系統在絕大多數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的穩定性、可靠性。

7 結論

經過一年多的運行，該系統能夠滿足生產工藝的要求。系統運行穩定、工作狀況良好、穩壓效果較好。人機界面清晰，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，在各種運行情況下沒發生壓力超出設定范圍等事故。使用了變頻調速系統，節能效果顯著。本文對穩高壓消防給水系統的理論控制進行了探索研究。穩高壓消防給水系統的整個控制對象無法建立準確的數學模型，所以論文選用模糊控制理論對它的控制可能性進行了有益的探索，并利用遺傳算法對模糊控制系統的控制規則進行了優化研究。

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