油罐自动联合喷水泡沫控制系统设计与实现

摘 要 大型石化油罐自动喷水泡沫控制系统实际应用为基础，介绍了现代大型石化油罐火灾检测、自控系统硬件配置，基本原理、系统实现等。

关键词 大型油罐；火灾检测；DCS自动喷淋控制

中图分类号TE8 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）118-0208-02

随着石化工业壮大和发展，原油、中间产品油罐、成品油罐等大型油罐不断增加。特别是浮顶罐顶部采用二次密封技术，无法做到完全密封，油气必然有泄漏，泄漏的油气在太阳、雷击等自情况易发生火灾。依靠人工观察，手动操作消防水阀、泡沫系统阀门等已经无法满足消防需要。目前大型油罐区域自动化水平不断提高，自动喷水泡沫控制系统（以下简称自喷系统）应该逐渐增多。自喷系统自动检测火灾趋势，自动启动水泡沫联用管线上阀门，极大地提高了防火灭火系统的时效性。本文以实际应用的自喷系统为例，介绍了系统的设计和应用。

1 自动喷水泡沫控制系统组成

大型油罐自喷系统组成如图1 ，主要分为二部分。其一是火灾检测预警系统，即感温检测部分；其二是自动喷淋控制系统， 用PLC、DCS等实现的自动控制系统，自动启动喷水泡沫联用管线上的阀、消防泵等执行机构，实现自动喷淋灭火。

图 1消防自动喷淋控制系统组成

2 光纤感温火灾探测器

光纤感温探测器目前主要有两种：光纤光栅温度检测器FBG（Fiber Bragg Grating）和分布式光纤温度检测器DTS（Distributed Temperature Sensing）。

2.1 光纤光栅测温探头

光纤光栅原理：光入射到光纤光栅，光栅折射率的周期性结构使得某个特定波长的窄带光被反射，反射光波长满足布拉格散射条件。即波长为2倍的光纤光栅有效折射率n和栅格周期Λ乘积，λ=2nΛ。

随着温度变化，光纤光栅的反射光波长就发生相应的改变，温度变化量与波长改变量通过标定得到对应关系。

光纤光栅国内研究应用较早，目前国内原油储罐的火灾监测多采用光纤光栅探测器，光纤光栅感温火灾探测器无源无电、本质防爆、抗电磁干扰。温度传感器安装于油罐浮盘二次密封圈上方，是目前国内应用最多的油罐火灾探测器，有力保障了油罐安全。但是光纤光栅感温火灾探测器在实际应用中存在不足：传感器熔接点的可靠性较差，易造成传感器断纤故障； 测量存在盲区，未安装光栅传感器位置的温度不能被有效地监测到；后期运维工作量大；光栅传感器易出现漂移，需要经常标定传感器。

2.2 分布式光纤温度检测器

分布式光纤温度检测器探头，使用特定频率的光脉冲照射光纤，当光脉冲沿着光纤传输时，产生多种类型的辐射散射。其中拉曼散射对温度最为敏感，拉曼散射光均匀分布在整个空间角。拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生。交换时产生比光源波长更长的光，称为斯托克斯光。比光源波长更短的光，称为反斯托克斯光。其中温度对斯托克斯光强影响可忽略反斯托克斯光的强度随温度的变化较为敏感，二者之比与温度有函数关系。

分布式光纤温度检测器通过测量背向拉曼散射光中反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测。在时域中，利用光时域反射技术，根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。

分布式光纤温度传感器是目前国际上新一代线型光纤感温或者探测器。具有本质防爆、抗强电磁干扰、防雷击、测量精度高、重量轻、体积小等优点。

分布式光纤温度传感器是一种连续分布式感温火灾探测器，能实现光纤沿线上任何一点的温度测量，无测量盲区，并且光纤既是传输介质，又是传感元件，无需额外的测温传感器件，安装简单，可靠性高，其性能优于传统的线型感温探测器，更适合大型油库火灾监测应用。

实际应用中，光纤传感器通常安装在油罐发生火灾感应灵敏的部位，例如浮顶油罐的浮盘密封圈附近。

3 用横河集散控制系统（DCS）实现自动灭火控制

光纤光栅FBG传感器或者DTS分布式光纤传感检测系统连续检测油罐温度的变化，通过光纤检测显示变送单元显示测量区域温度，同时传出4mA～20mA标准信号、通讯以及火灾报警信号。DCS采集这些数据，在中心操作站上显示温度、报警等信息，同时根据预定程序自动启动高压水管线控制阀，泡沫管线控制阀、泵等执行机构，快速响应，实现自动喷淋灭火。

3.1 油罐灭火系统控制逻辑

控制逻辑如图2。以罐G931为例，当G931罐发生火灾报警时，打开着火罐二只冷却水阀0G0931XV1、0G0931XV2，同时打开临近二个罐G932、G933冷却水阀0G0932XV1、0G0932XV2、0G0933XV1、0G0933XV2，打开罐G931相关系统泡沫混合液阀0G0931XV3、0G0931XV4，打开泡沫液第一台泵P3入口阀0B003XV1。随后打开泡沫泵P3，打开泡沫比例混合器入口阀0B0941XV3。检测泡沫压力0B003PT1是否小于0.65MPa，若是小于0.65MPa，则打开泡沫液第二台泵P4入口阀0B004XV1。随即打开泡沫泵P4，打开泡沫比例混合器入口阀0B0941XV4。关闭0B0941XV3，关闭P3泵，关闭0B003XV1。

图2 罐灭火系统控制逻辑

所有阀门都组态为可以切手动调试。

3.2 DCS系统组态实现灭火逻辑

新建工程、控制站FCS、操作站HIS、I/O卡硬件，本项目中用到AI（AAI143-S）、AO（AAI543-S）、DI（ADV151-P）、DO（ADV551-P）等IO卡件。

定义I/O点（图3-2），AI点用于测量光纤温度检测仪的温度信号。DI点用于阀门回讯、泵回讯信号，DO点用于输出阀门及泵控制信号。

图3定义I/O点

建立顺控块（图4），建立基本顺控功能块ST16

图4 建立顺控块

首先建立初始化顺控表，投运后将所有阀门输出手动。

建立启动喷淋顺控表（图5），其中SPRAY-LG为投入开关，输出信号用开关仪表块，当开关仪表块切到AUT方式时可以由顺控表操作。报警时块方式改变到AUT，设定CSV为0，阀门打开，其它顺控制表内容同样编写。

图5 启动喷淋顺控表（部分）

根据图3-1逻辑建立其它顺控表。

4 结论

实现罐区火灾消防的方式有多种，火灾信号检测方式，采用的系统都有不同选择。对于罐区较小的，常用PLC系统控制，罐多的大型油罐区域通常采用DCS系统，为了提高系统可靠性，常采用冗余配置等方式。

参考文献

[1]周建华，光纤光栅传感器应变传递特性研究，武汉理工大学，硕士学位论文.

[2]郑晓亮，胡业林.基于分布式光纤测温技术的井下电缆温度监测系统设计.煤炭工程，2009，9.

[3]蔡德所，戴会超，蔡顺德，何薪基.分布式光纤传感监测三峡大坝混凝土温度场试验研究.水利学报，2003，5.