淺談危化品模擬真火實訓裝置控制系統設計及應用

謝天天

(中石化中原石油工程設計有限公司，河南濮陽457001)

近年來，國內發生多起石化企業重特大火災爆炸事故[1]，如： 2015年天津東疆保稅港區瑞海國際物流有限公司危險品倉庫爆炸事故、2013年山東青島中石化東黃輸油管道泄漏爆炸事故[2]、2010年中石油大連國際儲運有限公司輸油管道爆炸火災事故，產生了極大的社會影響。在這些事故的搶險救災中，大都暴露出現場應急處置不力、人員培訓不足、消防力量不足等問題。針對該現象，建設危化品應急救援實訓基地和石油化工真火模擬訓練裝置，模擬石油化工事故發展過程，通過身臨其境的搶險過程，從而開展針對性的訓練。

1 石油化工模擬真火訓練裝置簡介

石油化工模擬真火訓練裝置包括： 儲罐火災處置技術裝備性能檢驗測試設施、煉化裝置事故處置實訓裝置、壓力儲罐事故實訓處置裝置、高含硫油氣事故應急處置實訓裝置、危險化學品集裝箱事故處置實訓裝置、電氣火災事故處置實訓裝置、工藝管線事故處置實訓裝置。

1)儲罐火災技術裝備性能檢驗測試設施是模擬油品或液態有機物儲罐火災現場進行滅火救援的訓練設施，實現了模擬萬方浮頂原油罐早期密封圈火、中期全液面火、后期的罐壁流淌火和地面流淌火等環節，并可模擬火災由小到大的發展過程以及伴隨模擬爆炸的發生等。

2)煉化裝置事故處置實訓裝置是模擬化工煉化裝置高塔及附屬設備火災現場進行滅火救援的訓練設施，實現了裝置中化工介質從泄漏到燃燒及伴隨爆炸的模擬火災發生過程。

3)壓力儲罐事故實訓處置裝置是模擬丙烷、丁烷等化工產品壓力儲罐火災現場進行滅火救援的訓練設施，實現了完全可視性燃燒至無焰段燃燒的環節，并模擬燃燒過程中介質壓力變化的過程。

4)高含硫油氣事故應急處置實訓裝置是模擬油(氣)井發生井噴事故[3]、有毒氣體(H2S)泄漏事故、火災事故等現場進行滅火救援的訓練設施，實現了從井噴發生到有毒氣體的泄漏以及火災發生的過程。

5)危險化學品集裝箱事故處置實訓裝置模擬危險化學品集裝箱泄漏、火災等事故現場進行滅火救援的訓練設施，實現了模擬油桶火災和貨架火災由小到大并伴隨煙霧發生的過程。

6)電氣火災事故處置實訓裝置是模擬變壓器、配電柜、電纜溝現場火災進行滅火救援的訓練設施，實現了模擬常見的變壓器火災、配電柜火災、電纜溝火災的場景。

7)工藝管線事故處置實訓裝置是以石油化工裝置高架管廊、埋地管道、管溝等仿真場景為依托，模擬出各類泄漏、火災等事故現場進行滅火救援的訓練設施，實現了從介質泄漏到火災的整個過程。

利用模擬真火設施為消防隊員提供身臨其境的培訓場景，開展從早期泄漏、堵漏到后期火災撲滅的整個救援過程的訓練。

2 控制系統的設計

石油化工模擬真火訓練裝置以“分散安裝、集中控制”的原則進行設計[4]，按照各個真火區域的分布及特點，控制系統采用集中控制、就地控制和遙控控制，真火實訓裝置控制系統結構如圖1所示。

圖1 真火實訓裝置、控制系統結構示意

2.1 集中控制

集中控制包含以下方面內容：

1)設計原則。統一管理，安全操作。

2)設計方案。在中心控制室安裝1套基于可編程序控制器(PLC)的控制系統[5]，該控制系統由PLC、工程師站、操作員站、緊急停止按鈕等組成。中心控制室的PLC通過光纖網絡與現場各區域裝置的PLC進行通信，發出控制指令并接收現場運行數據；訓練過程中，操作員通過操作站的HMI軟件和視頻監控系統完成現場模擬真火系統的狀態監控和日常訓練操作；緊急關斷保護通過緊急停止按鈕實現模擬真火設施的緊急關閉保護操作；系統維護通過工程師站及配套的基于網絡的組態軟件完成中心控制室PLC和就地控制PLC的日常系統維護、組態工作。

2.2 就地控制

就地控制包含以下方面內容：

1)設計原則。通過自動化的手段，分階段模擬出真實火災發生時的情況，為?；沸袠I救援訓練提供真實場景。

2)設計方案。在每個訓練區域設置1臺區域控制PLC，區域控制PLC作為該區域的大腦，可獨立完成相應區域內的所有模擬真火設施工藝控制和安全聯鎖，并與中心控制室的PLC交換數據，接受其遠程控制；同時與遙控系統交換數據，執行教練員的控制指令。下面以儲罐火災技術裝備性能檢驗測試設施為例，介紹其工藝及控制過程：

a)萬方浮頂原油儲罐的火災通常是由密封圈老化、雷電引起的密封圈火，密封圈火擴大后會引起罐頂全液面火，若火勢控制不當，原油將順罐壁流淌而下，形成罐壁流淌火，原油流到地面后形成地面流淌火。

b)為了能夠模擬出接近真實的火災效果，按照火災發展趨勢設置密封圈火、全液面火、罐壁流淌火、地面流淌火4套模擬子系統。每套模擬子系統由噴淋保護系統、點火流程和燃燒流程組成[6]；噴淋保護系統主要由噴淋水管路、電磁閥和噴頭組成，用于保護周圍的裝置和背景設備；點火流程由電磁閥、阻火器、點火器組成，其中點火器由電動點火裝置、燃料噴頭和離子火焰探測器組成；燃燒流程由電磁閥、調節閥和燃燒器組成，燃燒器根據模擬火災的具體參數進行針對性的設計；整套系統采用噴嘴燃燒加水域式燃燒方式，模擬真火燃燒系統流程如圖2所示。

圖2 模擬真火燃燒系統流程示意

c)訓練開始，首先打開噴淋保護系統，接著開始點燃密封圈火，密封圈火的點火流程電磁閥和電動點火裝置同時打開，點火器發出持續燃燒的火焰，當離子火焰探測器檢測火焰穩定燃燒3 s后，自動打開密封圈火模擬真火流程電磁閥，由點火器火焰引燃燃燒器，形成初期密封圈火；接著以10%的增幅連續調大密封圈火模擬真火流程調節閥開度，增加燃料量，使火焰逐漸增大，模擬出密封圈火燃燒由小變大的整個過程；再依次以同樣的控制方式點燃全液面火、罐壁流淌火和地面流淌火，作為消防演練的背景。

2.3 遙控控制

遙控控制包含以下方面內容：

1)設計原則。輔助教學，便捷操作。

2)設計方案。遙控控制具有操作方便、工作效率高、可以有效地保護操作人員等優點，因此選擇遙控控制作為日常培訓訓練的主要操作方式。

遙控控制由遙控系統實現，遙控系統由遙控器和遙控接收器組成[7]，遙控器發出指令，遙控接收器通過天線接收指令，內部處理后將指令傳輸給區域控制PLC，由區域控制PLC控制現場儀表和設備，完成模擬真火訓練設施的日常操作訓練。

3 安全保護設計

在烈火、濃煙、高溫的背景下，要保證每位受訓人員的絕對安全，必須做到在緊急狀態和異常狀態下人員和設備的安全[8]。針對設備的特點，采用如下五個方面的保護：

1)熄火保護。在離子火焰探測器檢測出火焰異常熄滅時，聯鎖關閉該區域所有燃料電磁閥[9]，防止燃料泄漏到空氣中產生安全隱患。

2)緊急停車按鈕保護。設置訓練通道出入口處的緊急制動開關、區域裝置PLC機柜上的緊急制動開關、遙控緊急制動開關和中心控制室內緊急制動開關[10]，確保從訓練、操作到遠程監控均可以緊急關閉系統，保護人員安全。

3)可燃氣體泄漏保護。通過在燃料閥組區設置點式可燃氣體探測器，當檢測出閥組區異常泄漏時，聯鎖關斷該區域系統，保護人員的安全。

4)超溫保護。在煉化裝置事故處置實訓裝置模擬煉化塔的模擬真火燃燒器附近設置熱電偶，實時檢測塔體溫度，超溫關閉該區域系統，防止塔體溫度過高產生不可逆的損害。

5)斷電保護。所有燃料控制電磁閥均選用失電關閉型[11]，確保系統在異常斷電后，第一時間自動切斷燃料，防止燃料泄漏到空氣中產生安全隱患，保護人員和設備的安全。

4 結束語

在模擬真火實訓裝置控制系統的設計過程中，采用液態丙烷作為燃料，形成了液態丙烷供應工藝包、模擬真火訓練設施工藝包等核心技術，控制系統作為工藝包的核心內容，設計了集中控制、現場控制、遙控控制三種控制方式，通過熄火保護、緊急停車按鈕保護、可燃氣體泄漏保護、超溫保護、斷電保護，既滿足了現場工藝系統的需求，也滿足了統一管理、安全可靠、便捷操作的管理和操作要求，同時也做到了保護訓練人員和設備的目的。目前，訓練設施已應用到了中石化內部消防培訓中，并完成了文萊國消防隊員的培訓，取得了非常好的效果。