石化企业稳高压消防给水控制系统研究.pdf

技 术 与 应用 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 2 5 5 0 5 1 ) 摘要石油化学工业在生产过程中使用的原材料、半成 品、成品以及各种辅助材料大都是易 燃易爆物质，极易弓 I 发火灾和爆炸事故，因而一直是消防保护的重点。本文主要针对石化企业稳 高压消防给水的控制系统进行 了研 究。针 对齐鲁石化储运厂液体车间消防泵房的实际情况和具体 要求提 出了整体控制方案。对控制系统的软件系统进行 了设计和分析；针对控制系统进行 了仿真 研究，用模糊算法对控制过程的 P I D参数进行调整，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，用 Ma t l a b进行 了仿真并对仿真结果进行 了分析。 关键词：稳高压消防给水控制系统；变频调速；P L C ；模糊算法 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 2 4 h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 2 4 h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 I 7 6 l 电曩 s l 技7 lt 2 0 1 1 年第8 期 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 1 5 Mp a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 、P L C 、单 片机控 制 、 工业控制计算机等多种多样，P L C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 P L C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 P L C可靠，抗干扰能力差、编程复杂、不宜 掌握 。 4 )P L C 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 P L C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 P L C 、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 8 MP a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 2 4 h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 7 MP a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 ) ，白起 动 ( 软起 )一 台消防水 泵 ，1 0 s 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 0 MP a ，此时压力高报警 ) ， 则第一台泵 自动停 ，管网压力低于 0 9 5 MP a 时，3 0 s 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、P L C控 制 下 的手动 控 制 、紧急 手动控 制 、就地 控 制五 级安 技 术 与 应 用 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 P L C 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 。P L C软件 系统总 体模块 流程 如 图 2所示 。 图 2 P LC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 S 7 3 0 0 P L C 自带 的 P I D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 P I D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 P I D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 P I D控制规律本身的限制，其参数 整 定 比较 困难 。 2 0 1 1 年 第 8 期电 曩墨 l 技 l 7 7 技 术 与 应用 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 P I D控制器结合起来， 把精确 P I 控制引入模 糊 控制 中组成 F u z z y P I复合 控制 器 ，在 F U Z Z Y - P I 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 Ma t l a b对系统进 行 了仿真 ，图 3为采用 Ma t l a b 仿真 的遗传 寻优 的 F u z z y P I 控 制效 果 图。 图 3 遗传寻优的 F u z z y - P I 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 1 MP a 。在 各种 故障组 合 中仍 能维 持 0 7 1 2 MP a 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 。 参考 文献 【 1 】 G B5 0 1 6 0 1 9 9 2( 1 9 9 9年 版 )石 油化工 企业 设计防 火 规 范 2 程振华， 王文彬轻烃罐区消防稳高压给水消防设计 J 工业 用水与 废水， 2 0 0 3 ， 1 2 ( 4 ) ： 1 1 - 1 6 3 】 曾文庆， 古才荣 茂名稳高压消防水系统 改造方案优 选 J _ 安全 健康 环境， 2 0 0 3 ， 3 ( 7 ) ： 3 - 6 【 4 】 于华贵 石油化工企业稳高压消防给水设计 J 】 炼油 技术与工程， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 2 ) ： 1 3 1 5 5 】 杨崎稳高压与临时高压消防给水系统的主要区别 【 J 1 中 国给 水排 水， 2 0 0 3 ， 1 ( 1 9 ) 7 1 7 3 6 】 李 士勇 ， 夏承 光模 糊控 制和 智能控 制理 论与应 用 J 】 哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社， 1 9 9 0 7 】 王小平， 曹黎明 遗传算法- 理论、应用与软件实现 J 】 西安：西安交通大学出版社， 2 0 0 2 8 】 楼顺天， 胡昌华， 张伟 基于 Ma t l a b的系统分析与设计 模糊系统 J 】 西安： 西安电子科技大学出版社， 2 0 0 1 9 】 胡学林可编程控制器教程 M】 北京： 电子工业出版 社， 2 0 0 6 ( 上 接第 7 1页 ) 4 结论 随着 电力事业的快速发展，电力系统中对接地 装置的要求越来越严格，变电所接地系统直接关系 到变 电所的正常运行， 更涉及到人身与设备的安全。 本文从工程实际情况出发 ，对 电站的接地 网参数进 行了计算和校验 。随着系统容量的扩展，运行方式 7 8 l 电 技 艰 2 0 1 1 年 第 8 期 的变化，必需保证接地网络满足安全运行 的要求， 不 满足运 行要求 时必 须立 即进 行 改造 。 作者简介 刘战平 ，男，工程师 ，从事水电站 电气设备维护、检修管理工作 。