一、穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓工藝設計方案選擇

穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)保持一定的壓力，作用有兩方面：一是提高供水速度，二是自動啟動消防給水泵，縮短水泵啟動時間。在穩(wěn)高壓系統(tǒng)設計中，高壓主泵及啟動工藝都是相同的，不同的是系統(tǒng)穩(wěn)壓工藝設計。實際中主要有以下5種方案：

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

常規(guī)穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓工藝：穩(wěn)壓泵24小時運行，通過控制泵出口回流閥的開度來控制穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，操作費用很高,能耗很大。

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

新鮮水系統(tǒng)穩(wěn)壓工藝 ：通過單向閥將新鮮水系統(tǒng)和消防水系統(tǒng)連通，由新鮮水系統(tǒng)對消防水系統(tǒng)進行穩(wěn)壓。單向閥流量過大，消防給水泵無法自動啟動，單向閥流量過少，壓力容易波動，造成消防給水泵頻繁啟動，影響設備管理。

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

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

二、控制方案選擇

對于石化企業(yè)穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)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(yè)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(shù)目有限，因此靈活性和擴展性很差。

2、工業(yè)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(yōu)點。一般用于數(shù)字采集和工業(yè)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(tǒng)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(wěn)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。

三、穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的整體構成

齊魯石化儲運場液體車間消防給水系統(tǒng)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(wěn)壓泵組（兩臺穩(wěn)壓泵）、出口電動閥構成的電動機泵組；再有就是PLC、變頻器、軟啟動器、觸摸屏、控制切換設備、壓力變送器等組成的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結構如圖1所示。

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(wěn)壓泵變頻運行穩(wěn)定系統(tǒng)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(tǒng)壓力穩(wěn)定，系統(tǒng)備有一臺備用泵，兩臺穩(wěn)壓泵實現(xiàn)24小時輪值以延長設備使用壽命。若系統(tǒng)出現(xiàn)大的泄漏，一臺穩(wěn)壓泵在變頻工作狀態(tài)下，另一臺泵軟啟動運行保證系統(tǒng)壓力，加泵時間到壓力仍未到設定值下限，發(fā)出報警信息，提醒值班人員檢查管線是否滲漏。

當發(fā)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(xiàn)場，檢查消防水泵的運行情況)，自啟動（軟啟）一臺消防水泵，10秒后，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(qū)、罐區(qū)的高壓消防用水。如果第一臺泵出現(xiàn)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，30秒后第二臺消防水泵自啟動（軟啟），從而實現(xiàn)主備用泵的自動切換。

系統(tǒng)設自動穩(wěn)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(tǒng)還設顯示報警和安全巡檢系統(tǒng)，實時顯示系統(tǒng)各泵、閥的狀態(tài)及報警信息，并定期對消防泵啟動運轉巡檢，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(tài)，工頻巡檢時保證管網不超壓。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

四、軟件系統(tǒng)組成

穩(wěn)高壓消防給水控制的軟件系統(tǒng)主要包括：控制系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)、顯示報警系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)等。

(1)控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)包括自動控制系統(tǒng)和手動控制系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)，人機界面實時顯示各泵各閥的工作狀態(tài)，并對各種非正常情況報警。

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

圖2 PLC軟件系統(tǒng)總體模塊流程

五、石化企業(yè)穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)仿真研究

在本系統(tǒng)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(jié)后作為頻率給定信號控制自動變頻恒壓過程，保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。常規(guī)PID控制器具有算法簡單、可靠性高等優(yōu)點，對于確定性的被控對象通過對三個參數(shù)的調整就可以獲得比較滿意的控制效果。

消防給水系統(tǒng)屬于時變的、有滯后的、非線性的系統(tǒng)，采用常規(guī)PID控制后與改造前的系統(tǒng)相比，穩(wěn)壓效果有了較大改善，穩(wěn)定性和可靠性有了很大程度的提高，但系統(tǒng)的動態(tài)性能較差，調節(jié)時間較長，有可能出現(xiàn)超調和振蕩，甚至系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，而且受PID控制規(guī)律本身的限制，其參數(shù)整定比較困難。

模糊控制具有不依賴被控對象的數(shù)學模型的突出優(yōu)點，但是穩(wěn)態(tài)的精度較差。本系統(tǒng)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(shù)、模糊規(guī)則和參數(shù)等的整定中，引入遺傳算法GA來實現(xiàn)對最優(yōu)參數(shù)組合的尋優(yōu)，以期達到滿意

的管網穩(wěn)壓控制。用Matlab對系統(tǒng)進行了仿真，圖3為采用Matlab仿真的遺傳尋優(yōu)的Fuzzy-PI控制效果圖。

圖3 遺傳尋優(yōu)的Fuzzy-PI控制效果圖

六、系統(tǒng)運行情況

系統(tǒng)改造安裝后，經過多次實戰(zhàn)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(tǒng)完全按照既定程序運行。

多次實戰(zhàn)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(tǒng)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0.7MPa-1.2MPa的管網壓力。證明該系統(tǒng)在絕大多數(shù)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(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。

結論

經過一年多的運行，該系統(tǒng)能夠滿足生產工藝的要求。系統(tǒng)運行穩(wěn)定、工作狀況良好、穩(wěn)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(fā)生壓力超出設定范圍等事故。使用了變頻調速系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著。

本文還對穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的理論控制進行了探索研究。穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的整個控制對象無法建立準確的數(shù)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(tǒng)的控制規(guī)則進行了優(yōu)化研究。

（本文編自《電氣技術》，原文標題為“ 石化企業(yè)穩(wěn)高壓消防給水控制系統(tǒng)研究”，作者為劉麗麗。）