油庫消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設計

李智文 潘啟昌 羅俏

1 前言

隨著國家能源安全的需要以及現(xiàn)代物流業(yè)的發(fā)展，一座座大型的油庫在我國沿海等地拔地而起。新建或改擴建的油庫往往具有庫容大、油品類別多的特點。一旦出現(xiàn)火災事故，將對周圍人民的生活、生產和環(huán)境造成極大的危害。現(xiàn)有的國家標準《石油庫設計規(guī)范》對油庫消防自動化部分闡述較少，國內油庫消防系統(tǒng)大部分自動化程度不高，不能很好地實現(xiàn)在線實時綜合監(jiān)控。為防止和減少油庫火災危害，依照“安全第一、預防為主、防消結合”的消防原則，建設一套穩(wěn)定可靠、能在實際滅火作戰(zhàn)中發(fā)揮效用的消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行。

2 消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)的組成

伴隨微電子技術、檢測技術、自動控制技術和計算機技術廣泛應用到消防領域，消防系統(tǒng)已從過去簡單、被動的體系演變?yōu)榻裉熳詣犹綔y、自動報警、自動滅火的智能化綜合監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由動力監(jiān)控系統(tǒng)、火災自動檢測系統(tǒng)、可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)、滅火自控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成，通過把各子系統(tǒng)集成到同一個工作平臺，實現(xiàn)儲罐區(qū)、碼頭、輸油管線、裝車平臺、鐵路裝卸等環(huán)節(jié)的消防系統(tǒng)綜合管理、統(tǒng)一調度、互相協(xié)作，發(fā)揮1+1>2的功效。

2.1 動力設備監(jiān)控

由于火警發(fā)生時可能會切斷市電接入，為保證消防設備的動力供應，確保滅火設備和監(jiān)控設備在火警時能提供穩(wěn)定電源并正常工作，所有滅火設備、監(jiān)控設備的電源必須由市電和應急發(fā)電機兩路供給。這是整個消防監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵所在。消防動力設備包括應急發(fā)電機及相關的配電屏。應急發(fā)電機是由啟動電池供電發(fā)動后燃燒油料發(fā)電的，故日常需對應急發(fā)電機的啟動電池電壓以及油箱油位高度、油壓等參數(shù)進行監(jiān)控，確保發(fā)動機能正常啟動工作。當發(fā)電機啟動并正常發(fā)電后，可對發(fā)電機的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，監(jiān)控內容包括：三相電壓、頻率、發(fā)電機轉速、油箱液位、油壓、發(fā)電機是否存在故障等。

2.2 火災自動檢測系統(tǒng)

由于油品、化工品燃燒后能迅速釋放能量使環(huán)境溫度升高，故油庫常以溫度突然急劇升高作為火災發(fā)生的判定標準。感溫電纜等溫度感測器是常用的火災探測器。光纖光柵火災探測器[1]是一種新型的火災自動檢測設備，已在國內多處石油化工企業(yè)的大型油庫及儲油罐上應用。該探測器所采用的光纖光柵屬于光纖傳感器，是一種先進的無電化溫度傳感技術，具有本質防爆、測量精度高、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫等特點。通過在罐頂外壁和罐頂入孔分別安裝光柵探頭，綜合監(jiān)測罐頂外壁和罐內油氣的溫度，并根據預先設定的報警溫度設定值和報警溫升速率實時給出過熱預警和火災報警信號。為避免誤報警，應結合該儲罐上其余探測器進行綜合判斷，以確定是否真正失火。

2.3 可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)

在庫區(qū)內可能積聚可燃氣體或可能泄漏可燃氣體的場所設置可燃氣體濃度變送器，把現(xiàn)場檢測到的可燃氣體濃度信號傳輸至消防監(jiān)控中心。一旦現(xiàn)場的某一氣體濃度達到或超過設定值，系統(tǒng)給出報警信號，并在可燃氣體探頭布置圖上顯示報警現(xiàn)場地點。當報警發(fā)生后，須通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)確認或立即派人前往現(xiàn)場確認，必要時自動啟動消防設施。

2.4 滅火控制系統(tǒng)

滅火控制系統(tǒng)有“手動”和“自動”兩種模式。當控制系統(tǒng)接收到火災報警控制器發(fā)出的確認信號后，在“自動”模式下，系統(tǒng)會根據預先設定的程序自動啟動消防冷卻水泵和泡沫混合液泵，并按預定的邏輯順序開、閉相關的電動閥門，將泡沫液以最快速度噴灑到事故罐，并對事故罐附近的儲罐噴淋降溫。在手動狀態(tài)下，操作人員可直接在操作控制臺啟動消防泵及相應的消防水閥、泡沫液閥等實現(xiàn)人工手動控制滅火。在整個滅火過程可實現(xiàn)實時監(jiān)控消防泵的工作狀態(tài)、管網壓力、消防水罐液位等參數(shù)，實現(xiàn)連鎖控制。

2.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

由于油庫規(guī)模越來越大，僅靠管理人員現(xiàn)場巡查已不能滿足現(xiàn)代企業(yè)安全生產管理要求。數(shù)字化視頻監(jiān)控技術是一項成熟的技術，通過安裝防爆彩色攝像機，可實現(xiàn)以下功能：1）、對油庫內重要的、高危的生產設施進行集中監(jiān)視，減少現(xiàn)場巡查人員；2）、配合視頻煙霧、火苗監(jiān)測分析軟件，實現(xiàn)對火災初期的煙霧、火苗及時偵測，有利于發(fā)現(xiàn)初期火災；3）、安裝在高塔上的全天候彩色夜視攝像機，可實現(xiàn)手動云臺控制、鏡頭控制，因其掃描半徑大，可實現(xiàn)整個庫區(qū)的視頻監(jiān)控；4）、在火災狀態(tài)下該系統(tǒng)可鎖定方位并進行錄像，提供實時火場資料，掌握火災動態(tài)，更好地指揮滅火救災。

3 消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構

消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用了大量工業(yè)自動化控制技術和標準，以確保整個系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運行。監(jiān)控系統(tǒng)采用通用的三層結構（見圖1）[2]，即信息層、控制層和設備層(傳感/執(zhí)行層)，來實現(xiàn)把各子系統(tǒng)集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)中。

圖1 系統(tǒng)結構圖

（1）、現(xiàn)場前端設備層：完成物理量的測量和控制命令的執(zhí)行。油罐溫度、可燃氣體濃度等傳感器通過 RS485等現(xiàn)場總線連接到控制器相應的 I/O模塊，并由控制器通過現(xiàn)場總線發(fā)送命令對滅火設備進行控制。新型的I/O模塊通用性強、集成度高，能滿足串口通訊在內等各種輸入輸出的需要；模塊自帶CPU芯片，單個模塊就能實現(xiàn)多路輸入、輸出，并且能有效降低控制器的負荷。

（2）、控制層：負責對現(xiàn)場設備的控制和數(shù)據的采集。控制層由一個或多個控制器組成，可采用各種可編程控制器（PLC、PAC）進行控制。控制器根據現(xiàn)場采集到的各種數(shù)據及系統(tǒng)設備運行的邏輯關系，自動控制滅火設備的運行狀態(tài)。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強的特點，可適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。為保證整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，要求控制器、電源模塊、通訊模塊必須1：1冗余。

（3）、信息層：由中央監(jiān)控計算機、數(shù)據服務器和監(jiān)控軟件等組成。它能夠實現(xiàn)對自動控制設備進行高速而有效地監(jiān)視和控制，同時可以對各類型數(shù)據作統(tǒng)一數(shù)據庫管理。運用組態(tài)軟件能建立全部場景的人機界面的外觀，可顯示整個控制流程或局部環(huán)節(jié)的直觀動態(tài)彩色畫面，并能實現(xiàn)故障報警、歷史數(shù)據查詢等功能。數(shù)據服務器、監(jiān)控站和現(xiàn)場控制界面組成了強大的信息管理系統(tǒng)，同時配合視頻監(jiān)控、廣播對講系統(tǒng)等其他系統(tǒng)，在中央控制室就可以實現(xiàn)對全局的指揮調度與集中監(jiān)控。

信息管理層采用遵循TCP/IP 協(xié)議的100Mb/s 工業(yè)以太網為主干網絡。以太網工業(yè)協(xié)議（Ethernet Industrial Protocol，Ethernet/IP）是開放的工業(yè)聯(lián)網標準，支持實時I/O控制與消息傳遞功能，能滿足視頻傳輸所需的大吞吐量的數(shù)據交換，而且接口開放，兼容性非常好，能外接符合國際網絡標準的網絡布線產品各種不同類型的設備。

4 消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動工作流程

第一步、災情確認。

當出現(xiàn)以下四種緊急情況時：

（1）、油庫范圍內四周道路邊設置防爆型手動火災報警按鈕，當現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)火災時，可通過火災報警按鈕手動報警；

（2）、儲罐區(qū)設置的火災自動檢測報警裝置探測并輸送火災情報；

（3）、可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)檢測到某區(qū)域可燃氣體濃度超限；

（4）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)對煙霧、火苗監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)火災或值班人員通過視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)險情。

報警信號傳送到消防監(jiān)控中心的報警器，發(fā)出聲光報警，由值班人員通過視頻監(jiān)控或通訊系統(tǒng)確認著火后，或超時系統(tǒng)自動確認后，啟動滅火控制系統(tǒng)。

第二步、動力監(jiān)控系統(tǒng)判斷市電是否已被切斷，如市電已被切斷，馬上啟動應急發(fā)電機，數(shù)十秒后發(fā)電機正常工作并提供穩(wěn)定電源。

第三步、在消防監(jiān)控中心人機接口(HMI)顯示消防工藝流程、設備狀態(tài)及各種參數(shù)，操作人員通過觸摸屏手動或自動下發(fā)各種消防設備的啟停命令及啟動相應滅火控制流程。同時在監(jiān)控中心大屏幕拼接墻顯示現(xiàn)場火災情況，并由硬盤錄像機進行錄像。

第四步、滅火設備執(zhí)行滅火控制系統(tǒng)發(fā)出的命令，啟動消防冷卻水泵及泡沫混合液泵，打開相應罐上的泡沫混合液管道和消防冷卻水的電動閥，對火罐進行滅火，對相鄰罐進行冷卻保護。

第五步、通知消防部門，疏散油庫工作人員及附近群眾，組織油庫消防人員投入現(xiàn)場滅火撲救工作。

5 工程實例及結語

某新建油庫，儲存有重質原油、燃料油、汽油、柴油以及對二甲苯、烷基苯等化工品，庫容為120 m3×104 m3。主要消防設備有柴油機消防冷卻水泵兩臺（流量為160L/s）、柴油機泡沫混合液泵兩臺（流量為100L/s）、平衡壓力式泡沫比例混合裝置一套（最大泡沫混液也用量260L/s）、消防水罐4000m3兩座。罐區(qū)設消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)，能實現(xiàn)可燃氣體檢測報警、火災自動檢測報警、滅火設備連鎖控制、電視監(jiān)視等功能。控制系統(tǒng)采用西門子 S7-400系列PLC+WINCC組態(tài)軟件。在多次消防模擬演習中，從火災初期發(fā)現(xiàn)到啟動消防設備，監(jiān)控系統(tǒng)運作正常，滅火效果良好。

消防綜合監(jiān)控系統(tǒng)的投入使用大大提高了油庫消防自動化水平，為油庫的安全運營提供了強有力的保障。為了使系統(tǒng)能正常工作，在滅火撲救過程中能真正發(fā)揮效用，我們必須做到以下兩點：第一，定期保養(yǎng)維護。必須定期檢查易燃氣體氣探頭、感溫電纜等傳感器是否正常工作，并進行校正。第二，定期進行消防演練。通過對滅火過程進行模擬訓練，一方面檢查消防系統(tǒng)工作是否正常；另一方面使全體員工了解如何防火、救火，將火災迅速控制和撲滅，把火災的損失降到最低。

[1] 劉建興.大型可燃液體罐區(qū)消防及自動控制設計[J].工業(yè)用水與廢水,2007,26(01):86-89.

[2] 郭華芳,李智文.消防模擬訓練系統(tǒng)初探[J].消防科學與技術,2007,38(6):97-100.