（电力电子与电力传动专业论文）石化企业稳高压消防给水控制系统.pdf

山东大学硕士学位论文 曼曼曼鼍曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼量曼曼皇曼曼曼量曼曼皇皇曼曼曼曼皇毫曼曼鼍皇i i 曼曼曼穹曼曼曼量量曼曼曼曼鼍皇皇皇曼皇曼曼皇量曼曼舅 a b s t r a c t m o s to ft h er a wm a t e r i a l s ，s e m i - m a n u f a c t u r e dp r o d u c t ，f i n i s h e dp r o d u c ta n d v a r i o u sa c c e s s o r ym a t 鲥a l si np e t r o c h e m i c a li n d u s t r ya r e e a s i l yf l a m m a b l ea n d e x p l o s i v e s o p e t r o c h e m i c a li n d u s t r yi ss u c ha l li n d u s t r yt h a tc a nc a u s es e r i o u sl o s t o fp e o p l ea n da s s e ta n dg i v er i s et ob a di n f l u e n c ea ss o o na sf i r ea n de x p l o s i o nd i s a s t e r s h a p p e n t h u s ，p e t r o c h e m i c a li n d u s t r yi sa l w a y saf o c o so ff i r ec o n t r 0 1 c h i n ao w n s a b o u to n eh u n d r e dl a r g ea n dm e d i u ms c a l ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r i e sd i s t r i b u t i n ga l lo v e r t h ec o u n t r yw h e r ef i r ea n de x p l o s i o nd i s a s t e r sh a p p e nf r e q u e n t l y t h i sb r i n g sa b o u t s e v e r el o s to fp e o p l ea n da s s e t s o ，s t a r t i n gas a f e ，r e l i a b l ef i r ec o n t r o ls y s t e r ni sc r i t i c a l t od e c r e a s et h el o s t t l l i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ec o n t r o ls y s t e r no fs t a b l e , h i g h p r e s s u r ew a t e rs u p p l y o ff i r ec o n t r o li np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y aw h o l ec o n t r o lp l a ni sg i v e na c c o r d i n gt ot h e f a c ta n dn e e do ff i r ec e n t r e lp u m pr o o mi nl i q u i dw o r k s h o po fq i l up e t r o c h e m i c a ls t o r e a n dt r a n s p o r tp l a n t t h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i to fc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d a n dd e s i g n e d a tt h es a m et i m e ，t h eh a r d w a r ea n da c c e s s o r i e sa r ea l s os e l e c t e d t h e l l i 曲s a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fp e t r o c h e m i c a li n d u s t r yi se m p h a s i z e db a s e do nt h ed e s i g n a n da n a l y s i so fs o f t w a r es y s t e mo fc o n t r o ls y s t e m t h i ss y s t e mc a ns h o wp a r a m e t e r s a n dw o r k i n gc o n d i t i o no fe v e r yp a r ti nt i m eb yu s i n gh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e m o n i t o r a n d o p e r a t i 盈b e c o m e e a s y 一一一 ：。 t l l i ss y s ；t e mr u n ss t a b l ya f t e ro p e r a t i o n i to v e r c o m e sm a n ys h o r t a g e so ff o r m e r s y s t e m ，s u c ha ss i m p l i c i t yo fc e n t r e lm o d e ，m a n yh i d d e nt r o u b l e s ，h i g h f r e q u e n c y a c c i d e n c e s ，f r e q u e n ts t o p s ，b a ds y s t e ms t a b i l i t y , g r e a ta c c i d e n td a n g e la f t e rm a n yt i m e s o ff i e l do p e r a t i o n s t h es y s t e mc a nm a i n t a i n0 7 m p a - 1 2 m p ap r e s s u r eo fp i p en e t w o r k a n d0 7 m p a - 1 2 m p ap r e s s u r eo fp i p en e t w o r ku n d e rv a r i o u sm a l f u n c t i o nc o m b i n a t i o n s w h e nt h e r ea r ec o m p l i c a t e df i r e m a n yf i r eh y d r a n t sa n dc a n n o n su s e d t l l i ss h o wt h e s y s t e mc a nw o r kw e l lu n d e rm o s tn o r m a la n di n f o r m a ls i t u a t i o n s t h es t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo fc e n t r e ls v s t e r ni sh i g h l yi m p r o v e d 。 t h ep a p e l a l s os t u d i e st h es i m u l a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m t h eb e s tc o n t r o le f f e c t i sm a d eb ya d j u s t i n gp i dp a r a m e t e r so fc o n t r o lp r o c e s su s i n gf u z z ya l g o r i t h m s i m u l a t i o nb y 脚l a bi sc o m p a r e dw i t hs i m u l a t i o no ff o r m e rs y s t e r n k e yw o r d s ：h i g l l p r e s s u r ew a t e rs u p p l yo ff i r ec o n t r o ls y s t e m ， f r e q u e n c yc o n t r o l ， p l c ，f u z z ya l g o r i t h m ，s i m u l a t i o n v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：宕】确翻 日 期：加。多7 z ) 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：女) 翻确导师签名：可建一 日期：加口驴多2 多 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外石油化工企业消防现状 1 1 1 国内外石化企业消防现状 石油化工是指以石油、天然气做原料，经过物理化学和机械加工而制取各种 石油化工产品的工业。它涉及到国民经济的各个领域，是国计民生不可缺少的重 要行业和国民经济的支柱产业之一，在国民经济中占有十分重要的位置。 石油化学工业的生产流程复杂，设备种类繁多，是一种工艺比较复杂，技术 性较强的行业。由于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，极易引发火灾和爆炸事故，且着火时火势凶猛不易扑灭， 所以，石油化工行业是一个火灾爆炸危险性大，而且一旦发生火灾爆炸事故，则 损失大、伤亡大、影响大的行业，一直是消防保护的重点。 近2 0 年来，世界石油化工行业发展异常迅速，由此而引起的重大火灾、爆炸 事故也相继不断。例如：1 9 7 3 年和1 9 7 4 年日本连续发生的石油联合企业火灾爆炸 事故，不仅造成了重大的人员伤亡和财产损失，而且还严重污染了周围海域。1 9 7 5 年美国联合碳化物公司比利时公司安特普厂年产1 5 万t 的高压聚乙烯装置，因一 个反应釜填料盖泄漏，受热爆炸，发生连锁反应，整个工厂被摧毁。1 9 7 8 年发生 在西班牙的因超装和太阳暴晒而导致丙烯酸车间爆炸事故，一次死亡2 0 0 多人。 1 9 8 2 年委内瑞拉首都加拉加斯附近一座大型电厂的石油储罐发生爆炸，造成1 4 5 人死亡，5 0 0 多人受伤，其伤亡之惨重在世界石油储罐火灾中都是罕见的。据世界 石油化工企业近3 0 年的1 0 0 起特大事故( 损失超过1 0 0 0 万美元) 统计分析，属 于罐区事故为1 6 起，占1 6 ；属于油船的为6 起，占6 。因此石油化工储运系 统合计占事故总数的1 6 。 我国的石油化学工业兴起于2 0 世纪6 0 年代，目前拥有大中型石油化工企业 1 0 0 多个，几乎遍布全国。每年为国家提供大量的石油产品、合成纤维、塑料和化 肥，以及一些基本化工原料，为我国国民经济的迅速发展和人民生活的改善做出 了巨大贡献。与此同时，石化工业的火灾和爆炸事故也频频发生，给国家财产和 人民群众的生命安全带来严重损失。据中国石油化工总公司1 9 8 3 年至1 9 9 3 年的 山东大学硕士学位论文 统计资料，在所统计的1 1 4 3 起各类事故中，火灾爆炸事故占2 3 6 4 ，损失却占 钧，有的毁掉数十台甚至上百台设备，有的毁掉全套生产装置或整个厂房造 成全厂停产，严重影响了生产和经济效益，教训十分深刻。 对于火灾爆炸灾害，最上策的首先是预防，但由于技术上和管理上的种种原 因以及各种尚未预料到的新情况在实际生产中要完全杜绝火灾爆炸事故还有一 定困难。而且火灾爆炸灾害常常发生在意想不到的瞬间，其破坏力和杀伤力又远 较其他火灾为大，因此，从安全角度考虑，应该有其相应的紧急对策，启动消防 灭火设备，紧急切断物料输送管道，做到在发生事故时，能将其局限在一定的范 围内，不致扩大，并及时采取补救措施，减少损失。石油化工企业设计防火规范 ( g b 5 0 1 6 0 9 2 ，1 9 9 9 年修改版) 中第7 3 1 1 条明确规定：大型石油化工企业工艺装置 区、罐区等，应设独立的稳高压消防给水系统，其压力宜为o 7 1 2 m p a t l 1 5 1 。 从法规上为石化企业的防火救灾提供了保障。 1 1 2 消防给水系统的主要类型 水灭火、混合气体灭火、泡沫灭火、干粉灭火、二氧化碳灭火等是几种常用 的灭火形式。其中水灭火是主要的灭火形式之一，随着水灭火理论的出现，新的 设计理念、新的技术不断出现，先后出现了多种消防给水系统。在消防给水系统 中，按压力高低划分，有高压消防给水系统、稳高压消防给水系统、临时高压消 防给水系统和低压消防给水系统【k2 8 1 。 1 低压消防给水系统 指管网内平时水压较低( 但不小于o 1 0 m p a ) ，灭火时要求的水压由消防车或 其它方式加压达到压力和流量的要求仅适用于室外消防给水系统、一些火灾危 险性较小和建筑面积较小的建筑在高层民用建筑中，仅用于室外消防给水系统【1 1 。 2 高压消防给水系统 指消防给水管网中最不利点的水压和流量平时能满足灭火时的需要，系统中 不设消防泵和消防转输泵的消防给水系统【l 】。 3 临时高压消防给水系统 是指消防给水管网中平时最不利点的水压和流量不能满足灭火时的需要，系 统中设有消防泵的消防给水系统。在灭火时启动消防泵，使管网中最不利点的水 压和流量达到灭火的要求f 2 9 1 。它适用于室内消防给水系统，而室外消防给水系统 山东大学硕十学位论文 ! ! 自 mn u 曼m 鼍 则不宜采用。 4 稳高压消防给水系统 是指消防给水管网中平时由稳压设施保持系统中最不利点的水压以满足灭火 时的需要，系统中设有消防泵的消防给水系统。在灭火时，由压力联动装置启动 消防泵，使管网中最不利点的水压和流量达到灭火的要求。它适用于室内消防给 水系统、室外消防给水系统和二者合用的消防给水系统【2 8 】。 这四种消防给水系统中，稳高压消防给水系统和临时高压消防给水系统是消 防给水系统中的两种主要给水形式。两系统的区别： 可靠性 稳高压消防给水系统设置了消防稳压泵，使系统最不利点的压力处于工作状 态。在系统中任何给水点出水时，系统均能满足设备的压力要求。而临时高压消 防给水系统在平时并不能保证最不利点消防设备的给水压力要求，只有在灭火时 由消防泵提供。虽然两种系统均设有消防泵，但是稳高压消防给水系统由于增设 了消防稳压泵，可及时提供初期灭火的部分用水量，有利于控制、防止火灾的蔓 延，故稳高压消防给水系统的消防可靠性要较临时高压消防给水系统高。 最不利点的水压和流量 平时稳高压消防给水系统能满足最不利点的水压要求，但不能满足系统的流 量要求；临时高压消防给水系统对最不利点的水压和流量均不能满足。在灭火时 两种系统均需启动消防泵以满足系统最不利点的水压和流量要求。 消防稳压泵的设置 稳高压消防给水系统应设置消防稳压泵，而临时高压消防给水系统却不一定 要求设置消防稳压泵，仅在设局部稳压设施的情况下才要求系统设置消防稳压泵。 控制要求 稳高压消防给水系统采用压力信号的方法控制消防泵的开启，它可以真实地 反映系统运行的工况，而临时高压消防给水系统不一定由压力开关控制，在消火 栓给水系统中它可由消防箱内的按钮控制消防泵的启动。稳高压消防给水系统的 压力开关宜设置在消防泵的出水管上，而临时高压消防给水系统的压力开关应设 在延时器后。 管材和敷设 稳高压消防给水系统的管道压力无论是平时还是灭火时都处于高压状态，特 别是室内室外合并设置的稳高压消防给水系统的室外给水管压力也较高。在管材 山东大学硕士学位论文 的选择上，系统的压力因素需要考虑。临时高压消防给水系统仅需满足灭火时最 不利的系统压力即可，管材的要求相对于稳高压消防给水系统要低些【2 9 1 。 综上所述，从可靠性角度、最不利点的水压、以及控制方式等角度来看稳高 压消防给水系统均优于临高压消防给水系统。 1 2 稳高压消防给水系统稳压工艺 1 2 1 稳高压消防给水系统稳压工艺设计方案 稳高压消防给水系统保持一定的压力，其中作用有两方面：一是提高供水速度， 二是自动启动消防给水泵，缩短水泵启动时间。在稳高压系统设计中，高压主泵 及启动工艺都是相同的，如图1 1 所示。不同的是系统稳压工艺设计。实际中主要 有以下5 种方案【2 7 1 。 葡 蛐拥，暂时鼬r i 髓 糸 阡型 垴： 童 图1 - 1 消防系统高压主泵及启动控制系统 1 、压力控制稳压工艺 稳压泵压力控制稳压工艺是当压力控制系统检测到系统压力低于某一给定值 ( 如0 5 m p a ) 时，给稳压泵电源控制系统指令，自动启动稳压泵电机。1 0 秒( 或更长 时间) 后慢慢打开出口电动阀，实现平稳自动启动稳压泵。当系统压力超过某一给 定值，压力控制系统首先自动关闭稳压泵出口电动阀，随后切断稳压泵电机电源， 实现平稳自动停泵，通过自动启动和自动关闭将消防给水系统压力控制在某一压 力范围。其工艺流程如图1 2 所示。这种工艺的特点不单是操作费用低，更主要的 是能将系统压力稳定在0 7 1 2 m p a 内，为压力式泡沫系统快速投用创造条件。但 如果系统泄漏较大，稳压泵启动和关闭压力控制点差值很小，稳压泵容易出现频 消 摹辫婚： 防 篱 水 曩 图l - 2 压力控制稳压工艺 系统 一 山东大学硕七学位论文 繁的启动和停泵动作，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 压力控制稳压工艺一个最大的缺点是稳压泵频繁启动，尤其是系统管线泄漏 量较大时。这种问题更加突出，容易引起设备损坏，不符合设备管理要求。采取 常规稳压泵稳压工艺可以很好解决这个矛盾。其工艺原理是：稳压泵2 4 小时运行， 并通过压力控制系统控制泵出口回流阀的开度来控制稳定系统压力。这种控制工 艺同样可以将系统压力稳定在o 7 1 2 m p a ，有利于扑灭初期火灾，避免事故扩大， 但最大的缺点是操作费用很高，能耗很大。其工艺如图1 3 所示。 图1 3 常规稳压泵稳压工艺 在常规稳压泵稳压工艺中，当稳压泵流量远远大于消防水系统管网泄漏量时， 系统压力很快上升。压力上升到稳压泵最大出口压力( 达到稳压泵最高扬程) 时，水 将在稳压泵叶轮间产生涡流不利于稳压泵正常运行。为此，我们可以通过泵出口 压力调节阀开度调节回流量的大小来稳定系统压力。 3 、变频稳压泵稳压工艺 为了解决常规稳压泵稳压工艺操作费用高，能耗大的问题，在实际设计中， 我们可以采用变频稳压泵，通过调节稳压泵的流量对系统进行稳压，原理如图1 4 所示。工作过程：变频稳压泵2 4 小时运转，系统压力超过一定值时，电机转速减 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， 稳压泵转速加快，供水增加，但系统短时间内仍无法恢复设定压力，主泵自动启 动，直接供水。系统压力超过0 8 m p a ，变频稳压泵转速非常慢，不用停泵。 与常规稳压泵稳压工艺相比，变频稳压泵稳压工艺的特点是采用变频稳压泵， 既可以省电【4 0 】，无需设置系统泄压阀而可以避免系统逼压，操作费用更低，设计 更合理。这种工艺不仅能满足系统压力要求，而且能很好地解决稳压泵稳压工艺 和常规稳压泵稳压工艺存在的设备管理费或操作成本费高的突出问题，但不足的 是变频设备一次性投资较大。 山东大学硕十学位论文 4 、新鲜水系统稳压工艺 利用稳压给水泵来稳定系统压力的工艺最大的不足是投资或操作成本大，或 设备管理费高。为了解决这个问题，我们可以采用新鲜水系统稳压工艺。公用工 糟 苹鹭汰 曲 铸 水 麦篡 图1 4 变频稳压泵控制工艺 程新鲜水系统压力在o 4 0 4 5 m p a ，而且压力相当稳定。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。当消防水系统压力瞬 间下降到给定值，在3 0 秒钟内无法恢复时，消防给水泵自动启动进行补水。其工 艺过程如图1 - 5 所示。 稍 一 胁 储 来 图l - 5 新鲜水系统稳压工艺 新鲜水与消防水系统连接单向阀的流量是新鲜水系统稳压工艺的关键。单向 阀流量过大，即使消防给水系统出水灭火，系统压力下降不明显，消防给水泵无 法自动启动，消防给水系统压力无法达到0 7 m p a 以上，不能满足消防灭火要求， 拖延救灾时间，影响火灾扑救工作。如果消防水系统由于投用时间长而泄漏量较 大，单向阀流量过少，压力容易波动，造成消防给水泵频繁启动，影响设备管理。 5 、高位消防储水罐液位稳压工艺 新鲜水系统稳压工艺能够解决设备管理费、操作费高或投资费用大的问题， 这是一种较好的设计方案。但采用新鲜水系统稳压工艺是有条件的，也有不足， 如区域必须有新鲜水系统，而且新鲜水系统与消防水系统单向连通阀门开度要反 复调试。一些大型单独的罐区，由于远离装置区域，新鲜水系统稳压工艺就无法 实施了。在这种情况下，大型罐区可以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消防给水泵自动开启，系统平时压力由储 水罐液位高度控制，其工艺如图1 - 6 所示。 山东大学硕士学位论文 一般50 0 0 m 3 储水罐液位高度为1 5 m ，罐底静压可以达0 1 5 m p a 。当系统大 量用水时，系统压力急剧下降到某设定值，消防高压泵自动启动。 该设计的特点是操作费用低，投资省，设备管理简单，但仅适用于有高位消 消防蓉统 图1 - 6 高位消防储水罐液位稳压工艺 防水罐的单独罐区，而且设计过程中突出的难点是系统与储水罐连通管线流量的 设计。流量设计过大，消防泵启动灵敏度低，影响给水泵启动时间。流量设计小， 系统管线出水量远大于水罐供水量，消防给水泵启动后，管线充水时间长，严重 影响系统供水速度。同新鲜水系统稳压工艺一样，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 m p a 左右，无法快速投用压力式泡沫系统。 1 2 2 设计方案的安全可靠度及运行费用比较 1 、安全可靠度分析 以上5 种稳压系统设计方案各有特点，它们之间的优点、不足和安全可靠度 比较如表1 1 所示。 ：= 根据表1 1 和石油化工企业设计防火设计规范( g b s 0 1 6 0 9 2 ，1 9 9 9 年版) 第 7 1 3 条“稳高压消防给水系统，平时采用稳压泵维持管网的消防水压力在 0 7 1 2 m p a ”的要求。实际设计应在方案l 、方案2 和方案3 中选择，方案4 和方 案5 只能作为系统实现稳高压前一种临时应急措施。单从系统可靠性比较，方案 2 方案3 方案l 2 、年运行费用比较 若稳压系统稳压泵参数为：流量q 3 2 m 3 h ，扬程h 8 7 5 m ，电机功率1 8 k w 。我 们比较方案投资的大小：在系统管线泄漏量较小时。压力控制稳压工艺中，稳压 泵运行时间为4 小时天，常规稳压泵稳压工艺中，稳压泵运行2 4 小时天，变频 稳压泵稳压工艺中，电机转速平均为额定转速的1 5 ；年操作费计算f = 电机功率 每天运行时间x 3 6 5 电价；运行费用指设备运行一年的的电费和相对设备折 旧( 计算是以设备寿命为l o 年为基础) 。常规稳压泵稳压工艺运行费用1 3 5 3 万元 山东大学硕七学位论文 年，比压力控制稳压工艺和变频泵稳压工艺高出6 倍。压力控制稳压工艺和变频 泵稳压控制工艺相比，两者运行费用基本相同，但如表1 1 分析，变频泵稳压工艺 的可靠性比压力控制稳压工艺要高。因此，变频稳压泵稳压工艺应作为改造设计 的首选。 表1 1 稳压控制工艺设计方案比较 序号稳压控制工优点不足应用环境 安全可靠度分析 艺 压力控制稳 压力可以控制操作稳定性差，稳压任何环境系统安全可靠度受压力控制的 压工艺在o 7 一1 2 m p a泵容易频繁起动，投系统的稳定性、系统压力波动 l 范围，供水速度 资大，维护量大性和出口电动阔性稳定性影 快响，其可靠度最低 常规稳压泵压力可以控制维护费用高任何环境系统可靠只受稳压泵稳定性和 稳压工艺在o 7 一1 2 m p a出口电动阀性稳定性影响，其 范围，工艺简可靠度是最高的 2 单，投资少，供 水速度快 变频稳压泵压力可以控制 变频泵一次性投资 任何环境系统可靠度受稳压泵、变频器 稳压工艺在0 7 一1 2 m p a较大和出口电动阀性能稳定性影 范围，工艺简响，其可靠度排名第二 3 单，操作费用低 供水速度快 新鲜水系统设备管理和操系统与水罐连接通新鲜水系系统主泵起动可靠性受系统连 稳压工艺作费用低，节省阀门流量设定困难。统的区域通阀门流量设计影响，容易引 投资系统压力只能稳定 起主泵延迟启动，可靠性不稳 4 在o 4 5 m p a 左右，无定 法快速投用压力式 泡沫系统 高位消防储设备管理和操 供水速度相对慢。 要求有消系统主泵起动可靠性受系统连 水罐罐液位作费用低，节省系统与水罐连通阀防高位储通阀门流量设计影响，容易引 稳压工艺投资门流量设定困难。系水罐的系起主泵延迟启动，或系统供水 统压力只能稳定在统速度慢，系统可靠性不稳定 5 o 1 5 m p a 左右，无法 快速投用压力式泡 沫系统 表1 - 2运行费用比较 序号稳艇系统稳压系统配置设备设备单价系统投资年操作费运行费用 1 稳压控制系统2 套 1 4 9 山东大学硕士学位论文 压力控制稳压工艺稳雉出口电动阀2 台 o 9 34 8 42 2 42 。7 2 2 系统回流阀1 台( 中 常规稳压泵稳压工艺 1 0 0 ) i 1 8 1 1 8 1 3 4 11 3 5 3 3 变频稳压泵稳压工艺 变频器2 台( 1 8 k w 0 1 8 03 6 02 0 l2 3 7 1 3 变频调速技术应用于水泵流量调节系统的优点 变频调速技术是一项综合现代电气技术和计算机控制的先进技术，广泛应用 于水泵节能和恒压供水领域。 变频调速的基本原理是改变电动机定子绕组的电源频率，就可以改变电动机 的同步转速，从而电动机转速相应改变，电动机轴功率减少，电动机输入功率也 随之减少【4 8 1 。这也就是水泵变频调速的节能作用。 如图1 7 所示，曲线1 是阀门全部打开时，供水系统的阻力特性，曲线2 是额 定转速时泵的扬程特性。这时供水系统的工作点为a 点：流量为q a ，扬程为h a , 电动机的轴功率与面积o q a a h a 成正比。如要减少流量至q b ，主要的调节方法有 两种： 一种是转速不变、将阀门关小，这时阻力特性如曲线3 所示，工作点移至b 点：流量为q b ，扬程为h a , 电动机的轴功率与面积o q b b h b 成正比。 另一种是阀门的开度不变、降低转速这时扬程曲线如曲线4 所示，工作点 移至c 点：流量为q c ，扬程为h c ；电动机的轴功率与面积o q a c h c 成正比。_ 对以上两种方法，可以十分明显地看出，采用调节转速的方法来调节流量， 电动机所取用的功率将大为减少，因而是一种能够显著节约能源的好方法比刚。除 节能外，变频调速的优点还体现在： 山东大学硕十学位论文 图1 7 两种流量调节方法的比较 1 、环保 变频系统由于是调速运行，泵的转速较小，所以相应对噪声和振动也大大减 轻，系统噪声小，系统运行的振动小，是一种环保的技术。这种减噪的功能，再 配以低噪音泵，完全可以轻易地将噪声的影响控制在标准以内。低噪声低振动不 仅有益于人的健康，同时对于机械的损耗也大大减轻，另外对建筑的振动损害也 大大减小。 2 、启动平缓。 稳压变频设备启动后，变频器输出逐渐上升的频率和电压，电机开始旋转， 转速逐渐升高，这个过程比较平缓，因此联动的泵的转速、由泵带动的水的压力 也是逐渐升高的，这对于电网的压力波动、管网的压力波动和消除水锤都是很有 益的。 3 、易于控制压力。 稳高压变频系统是一种压力控制系统，因此对于压力调节具有得天独厚的优 势，它对于调节由水泵曲线造成的波动，对于调节灭火时的使用水压改善消防人 员的工况等场合提供了一个另外的选择。 4 、稳定。 由于稳高压变频系统可以不另设气压罐，泵、阀门、管道的数量均大大减少， 系统相对简单，从而使故障机会相应减少。 5 、可靠 由于稳高压变频系统的稳压泵长期处于准运行状态，系统一旦检测压力低于 下限压力即会启动消防泵，消防泵也一直处于工况，保持消防系统的有效，一旦 出现火情，其响应也更敏捷。在以前的消防事故调查中，尤其是临时高压制的消 防系统中，由于消防泵长期不使用而不能启动是事故原因中的一个大问题，这种 状况对于稳高压变频系统则不存在。 1 4 稳高压消防给水控制技术应用现状 l 、武汉石化公司 标准继电器控制系统：结构简单、运行可靠，机组操作简便，可实现手动、 自动转换控制。该系统由消防水泵、稳压泵、出水电动阀及必要的连锁装置组成。 山东大学硕士学位论文 皇曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼皇曼曼鼍曼曼量曼_ 一 一i 一i i l 为满足消防水泵自动控制的要求，在泵房设置了必要的监测及控制仪表，将重要 参数引入了装置的d c s 控制室，并设联锁声光报警。 2 、扬子巴斯夫苯乙烯系列有限公司 扬子巴斯夫苯乙烯有限公司是扬子石化公司和德国巴斯夫公司合资建设的工 厂。一期工程由1 3 0 k t a 乙苯( e b ) 装置、1 2 0 k t a 苯乙烯( s m ) 装置和1 0 2 k t a 聚苯乙烯( p s ) 装置以及相应的辅助生产设施和公用工程系统组成。 ( 1 ) 高压消防水泵布置在泵房内，采用自灌式引水系统。高压消防水泵出口 的压力就地指示。 ( 2 ) 高压消防水泵配套电机的温度在中央控制室集中指示，并设置高位限值 报警功能。 ( 3 ) 高压消防水泵同时设置就地和中央控制室遥控开关。 ( 4 ) 高压消防水泵的运行状态在中央控制室集中指示，并设置中央控制室遥 控紧急停泵开关。 ( 5 ) 消防给水系统管网的压力在中央控制室集中指示。设监测、控制功能。 未发生火灾时，消防给水系统管网通过稳压设施充水并维持压力满足消防压 力的下限制o 7 0 m p a 以上，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。当发生火灾时，消防给水系统管网由于向外供水导致压力下降，依靠 压力自动( 压力信号连锁) 启动高压消防水泵。高压消防水泵设置3 种启动方式， 分别为就地人工启动、控制室遥控启动、自动( 压力信号连锁) 启动。 3 、石化总公司齐鲁分公司轻灌区 整个稳高压供水系统由撬装立式变频调速供水机组、变频控制柜、消防泵出 口电动阀及压力变送器等几部分组成，具备手动和自动启动方式。无火灾时由变 频调速恒压机组供水维持管网需要的消防压力，火灾发生时管网向外供水压力下 降，恒压供水装置不能满足系统最低供水压力时，控制柜根据压力变送器传来的 消防信号依次启动消防主泵，并打开电动阀门向管网供水。系统具备自动和手动 巡检功能，定期( 可由管理操作人员根据实际要求任意调整) 对消防泵启动运转 巡检，且能保证巡检过程中接到防护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 、山铝热电厂消防给水系统 本系统的设备为一台2 5 0 k w 电机的消防泵和一台1 5 k w 电机的稳压泵，采用 p l c 控制，变频器调节电机转速的控制方式，具备在无人看守的情况下，自动满 山东大学硕七学位论文 足消防用水的要求。该系统采用一个带模拟量输出的压力传感器、一个量程为0 1 6 m p a 的压力显示表和一个开关量压力表。 5 、深圳市天健集团 变频调速恒压消防给水系统，是由p l c 控制器控制的压力闭环系统。反应很 灵敏，保持恒压的精度能达0 0 0 1m p a ，尤其是变频调速高压消防给水系统，平 时只有少量回流水及渗漏水，水泵长期在4 0h z 左右运转，旦消防用水给水压 力有下降趋势时，压力传感器把所感应到的信号反馈给p l c 控制器，p l c 控制 器可在1 2s 内控制变频范围从4 0h z 左右升至5 0h z ，立即供应1 0 l s 的消防 水量。如消防用水量继续增长，p l c 控制器就会自动启动另一台泵，供应全部设 计消防水量。如果其中有一台泵因故障不能启动，系统会自动开启备用泵并发出 声光故障报警。设有手动自动转换功能，可进一步确保消防用水安全，提高消防 安全给水的等级。 1 5 本课题的主要研究内容 齐鲁石化储运厂液体车间消防泵房恒压供水原控制系统主要属于继电器接触 器控制，隐患点多，事故频发，控制方式简单，系统稳定性差。二期扩容采用山 东海成某公司单片机控制，造成多种的控制模式。目前效果看，故障率很高，控 制效果不理想。事故频发，频繁停机，一方面对设备的使用寿命造成很大危害， 另一方面也存在着极大的事故隐患。并给系统的运行、维护、检修、备品备件的 储备带来很多困难，备品备件无法互换，造成很大浪费。其次是与自动化的飞速 发展不适应，无法实现网络控制。因此，提出控制系统改造的设想。 本课题研究的目的是提高该控制系统的稳定性、可靠性，降低故障率，消除 事故隐患。主要工作如下： 1 、对控制系统的主电路、控制电路进行了分析和设计，确定了p l c 、变频器、 软启动器、触摸屏等硬件并选择了相应的外围配件。 2 、对控制系统的软件系统进行了设计和分析。设计了自动恒压控制、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。突出了石化企业要求高安 全性、高可靠性的特点。 山东大学硕士学位论文 ! - - i i e ：, 曼量曼曼舅 3 、本系统还采用了人机界面，能够实时的显示被控对象的各种参数及各部件 的工作状态，能及时发现问题，提高该控制系统的稳定性。 4 、本文还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m a t l a b 进行了仿真并对仿真结果进行了分析。 1 6 本章小结 本章主要介绍了本课题研究的背景，分析了消防给水的几种常用形式，确定 了稳高压消防给水系统是供水速度快、消防泵启动时间短的安全度较高的消防给 水系统。分析了稳高压消防给水系统的多种稳压工艺，变频稳压泵稳压工艺是可 靠度最高、运行费用最低的控制方案。介绍了变频调速技术应用于水泵调节系统 的优点，及本课题选题的依据和研究的主要内容。 山东大学硕十学位论文 第2 章石化企业稳高压消防给水控制系统硬件设计 2 1 控制方案选择 对于石化企业稳高压消防给水系统的控制，由绪论可知，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、工业可编程控制 器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，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 、继电接触器控制方式 这是最简单的一类控制方式。根据工艺或外界条件的变化，依靠传统的模拟 电子技术，采用继电接触器来控制水泵电动机运转，达到调速目的【1 7 o l 。 2 、逻辑电子电路控制方式 这类控制电路往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。 控制方式较为先进，但难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节。因此控 制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦，且工频泵起动时有冲击、抗 干扰能力较弱，但系统成本较低。系统工作原理为：当消防管网压力降至某一规 定值( 低限值) 时，由压力传感器发出信号自动开启稳压泵对管网补水加压，当压力 升至另一规定值( 高限值) 时自动停泵。根据需要系统可设置消防中心联动接口，当 消防中心发出火警信号或按动消火栓按钮，电控柜自动开启消防主泵进行灭火。 3 、单片机电路控制方式 这类控制电路优于逻辑电子电路，但在不同管网、不同供水情况时调试较麻 烦。因系统程序预先固化于芯片中，需要追加功能时，就要重新刷新设置程序， 不灵活也不方便，控制电路的可靠性和抗干扰能力也不高。 4 、工业控制计算机控制 计算机具有丰富的软件支持，可以编制出生动的动画图像，运行速度快。 但软件编制复杂，不宜被电气工程师迅速掌握，价格高，抗干扰能力不如p l c 强。 一般来说工业控制计算机用于与p l c 相连接，作为上位机为好【6 j 】。 5 、工业可编程控制器( p l c ) 控制 随着大规模集成电路和微处理技术的发展和应用，控制技术发生了根本变化。 2 0 世纪7 0 年代出现了用软件手段实现各种控制功能，以微处理器为核心的新型工 山东大学硕十学位论文 ! m j 皇曼量曼曼曼曼皇曼皇量曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼寰量曼曼曼蔓曼皇曼量置鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼量曼曼曼鼍 业控制器可编程序控制器，简称作p l c 。它是将微电脑技术直接用于自动控 制的先进装置。它具有可靠性高，抗干扰性强，功能齐全，编程直观、简单，环 境要求低，适应性好，体积小，灵活可扩展，软件直接、简单，维护方便，外形 美观等优点【1 9 1 。在工厂自动化和计算机集成制造系统内占重要地位。因此采用p l c 控制方式是变频调速较为先进也是目前最为常用的控制方式。 2 2 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；再有就是p l c 、 变频器、软启动器、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2 1 所示。 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；= = f ( 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o 7 0 8 m p 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 小 时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 m p 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) ，自启动( 软启) 一台消防水泵，l o 秒后，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 m p 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 m p a 时，3 0 秒后第二台消防水泵自启动( 软 启) ，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，并定期对消防泵启动运转巡检，且能保证巡检过程中接到护防信号后自动 山东大学硕十学位论文 退出巡检进入消防状态，工频巡检时保证管网不超压。 定 定 2 3 变频器的功能及选型 图2 1 系统总体框图 在稳高压消防给水控制系统中，变频器是主要的控制部件之一。变频器的功 能是将电网电压提供的电压不变、频率不变的交流电变换为电压可调、频率可调 的交流电输出到交流电机定子绕组，这样就可以改变交流电机旋转磁场的速度， 从而改变电机的转速。它是一种采用模块化结构，集数字技术、计算机技术和现 代自动控制技术于一体的智能型交流电机调速装置。变频器具有转矩大、精度高、 噪声低、功能齐全、运行可靠、操作简单、维护方便、节约能源等特点，广泛应 用于钢铁、石油、化工、机械、电子、纺织、印刷、食品、制药、橡胶、塑料等 工业自动控制和家用电器等行业，实现自动控制和能源节约等 5 0 】。 变频器种类繁多，从不同角度有不同的分类。按照变频器的用途，它分为通 用变频器、专用变频器、高频变频器等。按照控制方式，它分为u f 控制、矢量控 制、转差控制等。变频器的生产厂家很多，其容量、功能各有差异，但都自成系 列。比较代表性的有a b b 的a c s 系列、s c h n e i d e r 的a t v 系列、西门子变频器、 三菱变频器、富士变频器等。在选择变频器时要根据负载要求、使用环境及电机 容量及控制要求等来选择幽引。 山东大学硕士学位论文 本系统变频调速的对象是稳压泵，泵类负载具有以下特点： 转矩特点负载的阻转矩咒与转速拧l 的二次方成正：死= 铆f ， 功率特点负载的功率p l 与转速r t l 的三次方成正比：p l = k e n l 3 。 也就是说在低频运行时，负载阻转矩小，要求变频器能够选择低减的v f 线或 变频器设置“自动节能 功能以便系统节能运行；且水泵在运行过程中很少发生 过载，要求变频器不必具备很高的过载能力。本系统中稳压泵电机功率为3 7 k w ， 变频器的容量一般取1 1 1 5 倍电动机的容量；要求有模拟输入、输