石化企业稳高压消防给水控制系统研究

刘丽丽

（山东铝业职业学院，山东 淄博 255051）

1 稳高压消防给水系统稳压工艺设计方案选择

稳高压消防给水系统保持一定的压力，作用有两方面：一是提高供水速度，二是自动起动消防给水泵，缩短水泵起动时间。在稳高压系统设计中，高压主泵及起动工艺都是相同的，不同的是系统稳压工艺设计。实际中主要有以下5种方案。

1）压力控制稳压工艺。系统检测到压力低于某一给定值，起动稳压泵，高于某一给定值时，切断稳压泵电源。通过自动起动和自动关闭将消防给水系统压力控制在某一压力范围。该工艺操作费用低，系统泄漏较大时，稳压泵容易频繁的起动和停泵，不利于设备管理，甚至会增加设备管理费用。

2）常规稳压泵稳压工艺。稳压泵24h运行，通过控制泵出口回流阀的开度来控制稳定系统压力，操作费用很高，能耗很大。

3）变频稳压泵稳压工艺。变频稳压泵24h运转，系统压力超过一定值时，电动机转速减低，流量减少，系统压力下降。当系统压力下降到一定值，电动机转速增加，流量增大，压力上升，使系统压力维持在一定的压力范围内。在火灾时系统大量用水，主消防泵自动起动，直接供水。该工艺省电、操作费用低，设计更合理。

4）新鲜水系统稳压工艺。通过单向阀将新鲜水系统和消防水系统连通，由新鲜水系统对消防水系统进行稳压。单向阀流量过大，消防给水泵无法自动起动，单向阀流量过少，压力容易波动，造成消防给水泵频繁起动，影响设备管理。

5）高位消防储水罐液位稳压工艺。利用储水罐与系统管线通过单向阀直接连通的方式对消防水系统进行稳压和控制，系统平时压力由储水罐液位高度控制,这种液位稳压工艺受储水罐液位高度的影响，压力只能稳定在0.15Mpa左右。

以上五种工艺从系统可靠性、年运行费用两方面比较，变频稳压泵稳压工艺是改造设计的首选。

2 控制方案选择

对于石化企业稳高压消防给水系统的控制，目前国内外应用的控制技术较多，有采用继电器与其他控制仪表组成的自动控制、PLC、单片机控制、工业控制计算机等多种多样，PLC与其他控制器控制特点比较如下：

1）继电器控制：连线多而复杂、体积大、功耗大、改变困难、触点数目有限，因此灵活性和扩展性很差。

2）工业控制计算机：软件编制复杂，不宜掌握，价格高，抗干扰能力不如PLC强。作为上位机使用为好。

3）单板计算机：具有结构简单、使用方便、价格比较便宜等优点。一般用于数字采集和工业控制。但不如PLC可靠，抗干扰能力差、编程复杂、不宜掌握。

4）PLC控制：可靠性高、抗干扰能力强，编制简单、使用方便；设计、安装容易、维护工作量少；功能完善、通用性强；体积小、能耗低、性价比高。

本控制系统设计方案选择遵循设计安装投资小、操作使用简单、运行可靠稳定、便于本厂电气人员维护维修等原则，选择PLC配合触摸控制屏进行控制。

3 稳高压消防给水系统的整体构成

齐鲁石化储运场液体车间消防给水系统由三部分组成：一部分是由消防储水池、消防栓、消防炮及管线组成的供水管网；另一部分是由消防泵组（两台消防泵）、稳压泵组（两台稳压泵）、出口电动阀构成的电动机泵组；还有一部分PLC、变频器、软起动器、触摸屏、控制切换设备、压力变送器等组成的控制系统。系统结构如图1所示。

图1 系统总体框图

生产给水管道供应的生产给水通过补充水管道进入消防储水池，正常情况下（无火灾时），一台稳压泵变频运行稳定系统压力，保证管网压力不因渗漏而下降，维持压力在0.7～0.8MPa之间。同时能够供应初期火灾的消防用水，但不能满足消防设计流量。为确保系统压力稳定，系统备有一台备用泵，两台稳压泵实现24h轮值以延长设备使用寿命。若系统出现大的泄漏，一台稳压泵在变频工作状态下，另一台泵软启动运行保证系统压力，加泵时间到压力仍未到设定值下限，发出报警信息，提醒值班人员检查管线是否渗漏。

当发生火灾时，使用消防水炮或高压消火栓，管网压力下降至设定值下限0.7MPa以下时，仪表给出开消防水泵的信号并在操作室报警（提示操作人员及时到现场，检查消防水泵的运行情况），自起动（软起）一台消防水泵，10s后，泵出口电磁阀自动开启，向高压消防水管网送水，供应工艺装置区、罐区的高压消防用水。如果第一台泵出现故障或出口压力过高（设定为 1.0MPa，此时压力高报警），则第一台泵自动停，管网压力低于0.95MPa时，30s后第二台消防水泵自起动（软起），从而实现主备用泵的自动切换。

系统设自动稳压控制、自动火警控制、PLC控制下的手动控制、紧急手动控制、就地控制五级安全控制模式，确保在各种情况、各种故障组合下均能保证管网的压力。系统还设显示报警和安全巡检系统，实时显示系统各泵、阀的状态及报警信息，并定期对消防泵起动运转巡检，且能保证巡检过程中接到护防信号后自动退出巡检进入消防状态，工频巡检时保证管网不超压。

4 软件系统组成

稳高压消防给水控制的软件系统主要包括控制系统、安全保护系统、显示报警系统、巡检系统等。

1）控制系统。控制系统包括自动控制系统和手动控制系统，自动控制系统包括自动恒压控制、自动火警控制，手动控制包括 PLC控制下的手动控制，紧急手动控制、就地人工控制。

2）安全保护系统。在正常和非正常（或碱）及各种故障情况下均能保证管网压力。

3）显示报警系统。人机界面实时显示各泵各阀的工作状态，并对各种非正常情况报警。

4）巡检系统。某设备检修时，该设备自动退出系统。PLC软件系统总体模块流程如图2所示。

图2 PLC软件系统总体模块流程

5 石化企业稳高压消防给水系统仿真研究

在本系统中采用S7-300PLC自带的PID控制功能将压力设定和压力反馈的偏差信号进行比例、积分、微分调节后作为频率给定信号控制自动变频恒压过程，保持系统压力稳定。常规PID控制器具有算法简单、可靠性高等优点，对于确定性的被控对象通过对三个参数的调整就可以获得比较满意的控制效果。消防给水系统属于时变的、有滞后的、非线性的系统，采用常规PID控制后与改造前的系统相比，稳压效果有了较大改善，稳定性和可靠性有了很大程度的提高，但系统的动态性能较差，调节时间较长，有可能出现超调和振荡，甚至系统变得不稳定，而且受PID控制规律本身的限制，其参数整定比较困难。

模糊控制具有不依赖被控对象的数学模型的突出优点，但是稳态的精度较差。本系统中将模糊控制器与PID控制器结合起来，把精确PI控制引入模糊控制中组成 Fuzzy-PI复合控制器，在 FUZZY-PI控制器的隶属函数、模糊规则和参数等的整定中，引入遗传算法GA来实现对最优参数组合的寻优，以期达到满意的管网稳压控制。用Matlab对系统进行了仿真，图 3为采用 Matlab仿真的遗传寻优的Fuzzy-PI控制效果图。

图3 遗传寻优的Fuzzy-PI控制效果图

6 系统运行情况

系统经改造安装后，已经过多次实战演习。演习一般模拟一个储运罐着火，一个着火罐需要开一个消防炮，每个相邻的罐开炮降温，这样最多要需要开4个消防炮、多个消防栓供水。启动自动火警控制按钮，系统完全按照既定程序运行。多次实战演习证明，在火情情况复杂，多个消防栓、消防炮开启的情况下，控制系统完全能控制管网压力维持在1MPa。在各种故障组合中仍能维持0.7～1.2MPa的管网压力。证明该系统在绝大多数正常和非正常情况下均能可靠工作。极大的提高了控制系统的稳定性、可靠性。

7 结论

经过一年多的运行，该系统能够满足生产工艺的要求。系统运行稳定、工作状况良好、稳压效果较好。人机界面清晰，操作者使用方便自如。自动恒压、自动火警、手动控制等功能完善，故障率低，在各种运行情况下没发生压力超出设定范围等事故。使用了变频调速系统，节能效果显著。本文对稳高压消防给水系统的理论控制进行了探索研究。稳高压消防给水系统的整个控制对象无法建立准确的数学模型，所以论文选用模糊控制理论对它的控制可能性进行了有益的探索，并利用遗传算法对模糊控制系统的控制规则进行了优化研究。

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