天然气液化厂消防给水控制系统改造

2022-07-12徐双文巴文爱

设备管理与维修 2022年7期

徐双文，巴文爱

（中海油辽宁天然气有限责任公司，辽宁营口 115009）

0 引言

天然气液化是将高压、常温气态天然气通过深冷，标况体积约缩小至1/600，使其转化为常压、低温（≤-162℃）的液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）。LNG强挥发性和天然气易燃易爆性决定了其生产过程的火灾危险类别高、爆炸危害性大、影响范围广。某天然气液化厂年生产LNG 33 000 t，其重大危险源LNG储罐有效工作容积V=4500 m3，厂区高压消防给水系统工作压力0.60～0.80 MPa，一次火灾最大消防用水量183 L/s。

水泵是消防系统的“心脏”，其可靠性直接关系到“控火灭火”工作的成败。实际使用过程中虽然稳压泵（Q=18 m3/h，H=80 m，一用一备）通过自动、间断运行可以维持正常状态下消防给水系统管网工作压力，但在火灾模拟状态下消防水泵（Q=360 m3/h，H=100 m，二用一备）启动困难，且无自动启动、自动巡检功能。尤其是在首台消防水泵运行的情况下，第2台工作消防水泵启动时常因冲击电流过高导致上一级供电电源断路器跳闸，消防给水系统瘫痪，无法保证消防给水管网所需的工作压力和流量。不仅大幅度降低了消防给水系统安全运行的及时性和可靠性，甚至使整个消防给水系统失去应有的“控火灭火”功能，给该厂正常生产运营带来极大的安全隐患。本文研究的目的就在于针对该厂消防给水系统存在的问题，结合生产现场实际情况分析，提出并落实经济有效的解决措施。

1 消防给水控制系统存在问题及原因分析

1.1 消防水泵启动困难或无法启动

该厂设计有3台消防水泵（Q=360 m3/h，H=100 m，P=132 kW），2用1备，启动方式均为自耦降压启动。但在实际生产过程中，如果启动首台工作消防水泵，会偶尔出现因冲击电流过高导致本级供电电源断路器跳闸；如果在首台消防水泵运行的情况下，启动第2台工作消防水泵几乎每次都会出现因冲击电流过高而导致上一级供电电源断路器跳闸，消防给水系统瘫痪。经现场实际情况了解和分析，其原因概括为2个方面。

（1）自耦降压启动是利用有抽头的自耦变压器将电源电压降低后，再加到电机定子绕组端，达到减小启动电流的目的。现有自耦变压器额定功率135 kW，额定电压380 V，启动时首先接入65%的抽头（U=247 V），延时60 s后再接入旁通回路（U=380 V）。虽然其结构简单、加工成本低，但相对软启动器其调压能力有限、启动时间长、且不宜频繁操作，更严重的是启动电压转换瞬间有尖峰电流的存在，易引起供电电源断路器跳闸。

（2）消防水泵属于离心泵，从离心泵特性曲线可以看出，其流量和扬程成反相关关系，当扬程很低时，流量会很大；另外由离心泵功率计算公式P=2.73 HQ/η可以看出其流量与功率成正比。离心泵刚启动时管道内没有压力，泵的流量很大、功率和电流也很高。根据此原理工程上常采用关闭离心泵出口阀门的方法，使泵在起动时不输出流量，功率和电流达到最小值。当电机达到额定转速后，再慢慢开启离心泵出口阀门，使其在额定压力、额定流量下工作。该厂现有消防水泵给水系统只有在总管上设置有启闭阀门（手动蝶阀），在首台消防水泵启动的情况下，第2台工作消防水泵启动时出口阀门无法关闭，致使其启动电流较高。

1.2 消防水泵无法实现自动启动功能

为及时、有效地为可能发生的火灾事故提供消防水源，最大程度减少事故损失，GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》规定：高压消防给水系统必须能自动启动消防水泵，控制柜在准工作状态时消防水泵应处于自动启泵状态。但由于设计施工缺陷，该厂消防水泵无自动启动功能，只有消防控制柜机械应急手动启动、现场手动启动和中控室远程手动启动功能。

1.3 消防水泵无自动巡检功能

消防水泵安装位置标高-4.5 m，工作环境相对潮湿，为防止其出现锈蚀、抱轴、接触不良等故障现象，GA 30.2—2002《固定消防给水设备的性能和实验方法第2部分：消防自动恒压给水设备》5.4.4规定：消防水泵长期处于非运行状态的设备应具有自动和手动巡检功能，以防患于未然。但由于设计缺陷施工，该厂现有消防水泵及其控制柜元器件无此自动巡检功能。

2 消防给水控制系统问题解决措施

2.1 利用PLC控制器对消防水给水系统进行控制

GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》11.0.4规定：消防水泵应由水泵出水干管上设置的低压压力开关、高位消防水箱出水管上的流量开关或报警阀压力开关等信号直接自动启动消防水泵。《火灾自动报警系统设计规范》实施指南规定：消防水泵可以由消防联动控制系统自动启动。消防联动控制系统是火灾自动报警系统中接受火灾报警控制器发出的火灾报警信号，按预设逻辑完成各项消防功能的控制系统。为提高消防给水系统的“控火灭火”及时性和可靠性，根据国家相关标准规范，本项目采用西门子S7-200系列PLC控制器对液化厂消防给水系统进行控制。其主要功能如下：

（1）自动/手动转换。系统设置手动/自动转换开关，在正常状态下自动运行；当需要检修、调试时根据需要通过控制柜按钮进行手动操作，启停各消防水泵和开关各控制阀门。

（2）LNG储罐自动喷淋冷却水源开关阀自动控制。液化厂消防给水系统稳压泵（Q=18 m3/h，H=80 m，1用1备）自动间断运行，始终保持着消防给水管网系统的工作压力（0.60～0.80 MPa）。当LNG储罐区现场有2台火焰探测器（3选2）同时检测到LNG储罐周围有火灾情况发生时，模拟量信号输入PLC控制器并经表决通过后，输出数字信号打开水源开关阀，启动LNG储罐消防喷淋水系统，同时联锁关闭LNG储罐进出液阀和LNG输送泵。火灾事故处理完毕，手动关闭水源开关阀。

（3）消防水泵的自动启动。本项目消防水泵自动启动信号源来自于消防水系统总管压力变送器（3选2）。压力变送器将现场模拟量信号输入PLC控制器并经表决通过后，输出开关量信号并根据控制逻辑顺序自动启动消防水泵，控制流程如图1所示。

图1 液化厂消防水泵自动控制流程

当消防给水总管变送器（3选2）显示压力≤0.55 MPa（G），且延时30 s不变时，启动首台工作消防水泵；当消防给水管上变送器（3选2）显示压力≤0.50 MPa（G），且延时30 s不变时，启动第2台工作消防水泵。为防止火灾扑救过程出现异常，根据GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》11.0.3要求，消防水泵不设置自动停泵的控制功能，停泵根据火灾扑救情况由具有管理权限的工作人员手动操作（就地和远程）。工作消防水泵和稳压泵的选择事先通过万能转换开关确定，消防水泵2用1备；稳压泵1用1备，当其中一台发生故障或处在检修状态时，备用泵自动投入工作状态。

2.2 降低消防水泵启动时冲击电流

（1）利用软启动器启动消防水泵。软启动器是一种新型电机控制装置，工作时电机电压可以从零按预设函数关系逐渐上升，属无极降压启动。当电机电流、转速达到额定值时，旁通在软启动器上的接触器动作而使软启动器停止工作，该设备具有体积小、维护保养方便、性能稳定可靠、起动速度平稳、无尖峰冲击电流等显著特点。本项目选用施耐德ATS48C32系列产品软启动器，各泵起动电流可控、启动参数均可根据负载情况和电网继电保护特性进行选择设定，无需更换大功率接触器和断路器。

（2）增设消防水泵后电动蝶阀。为进一步降低启动电流，在各消防水泵后管路增设反应灵敏、动作迅速、操作方便的电动开关阀。正常情况下（无火灾等异常事故）3台电动开关阀均处于开启状态。如有异常需要启动消防水泵时，在自动模式下，首先关闭对应电动开关阀，然后根据电机启动过程的持续时间，延时（一般为30 s）打开该电动开关阀，以保证该消防水泵轻载启动、满载运行；手动模式下，电动开关阀的关闭（消防水泵启动）和打开（消防水泵运行）均可独立进行手动控制。

2.3 增设消防水泵自动巡检功能

消防水泵自动巡检系统是利用巡检变频器输出一个较低的频率（10～15 Hz，55 kW），周期性（一般2周1次）地逐一驱动各消防水泵，使每台消防水泵在较低的转速下（一般600 r/min）运行一定时间（一般每次5 min）。消防水泵巡检频率、运行周期和持续时间等参数均可在控制柜显示屏操作面板上设定。自动模式下各消防水泵按事先设定的逻辑关系和运行参数进行自动巡检；手动模式下各消防水泵通过控制面板启停按钮选择性的对各消防水泵进行人工巡检。巡检期间消防水泵转速低、出口压力小、启动电流低，不会对消防水管网和供电电网产生影响。此外巡检系统还可以对消防水泵控制柜一次回路中各主要元器件动作状态和电源自动切换功能进行自动检查，并且当有火灾等事故信号时消防水泵立即退出巡检，进入正常运行状态，进一步保证了消防给水系统安全运行的可靠性。