探讨氨气探测与水喷雾联动控制的合理性及可行性

2023.03.14

赵燕萍吕双波杨轩

摘要：目前有关液氨泄漏事故的预警、事故处理中关键环节大多还未实现自动化控制。在这样的处理方法中，人员需要穿戴防护服，并从控制室到达泄漏点。一方面是贻误事故处理的时机;另一方面是现场极易发生中毒事故。本文基于掌握有毒气体探测报警系统、水喷雾灭火系统以及火灾自动报警控制系统等相关规范要求的前提下，探索对泄漏点周围进行有毒气体浓度自动检测，基于PLC原理，应用有毒气体浓度探测信号，与集中火灾报警系统联动，进行报警并联锁启动水喷雾系统。

关键词：氨;泄漏;水喷雾;火灾自动报警;PLC;联动

1 基于PLC控制原理，氨气检测与水喷雾联动启动方案的工艺流程介绍

虽然液氨在各类企业中应用较多，但目前有关液氨泄漏事故的预警、事故处理中关键环节大多还未实现自动化控制。常用的做法是通过在氨泄漏点附近设置氨有毒气体检测报警探头，实现现场泄漏检测和报警的功能，并将报警信号传输到DCS控制室和现场操作室，人员接到报警信号后，通过手动启动消防栓、水炮或者自动喷水、水喷雾系统进行处理。在这样的处理方法中，人员需要穿戴防护服，并从控制室到达泄漏点。一方面是贻误事故处理的时机，造成影响范围扩大;另一方面是现场的事故处理人员极易发生中毒事故。如能对现场的手动水喷雾装置的控制系统进行改造，和氨有毒气体检测信号进行联锁，在自动控制的情况下，可以节省事故处理时间和降低伤亡。自动联锁控制的工艺介绍如下：

1.1 氨有毒气体探测报警系统

利用PLC原理，进行氨有毒气体探测报警的设计理念为：发生氨气泄漏时，安装在保护区域现场的氨有毒气体探测器，利用气敏传感器原理，将探测到的氨气的浓度参数转变成电信号，经数据处理后，传输到氨有毒气体报警控制器，控制器对接收到的氨有毒气体浓度参数与设定值进行比对处理后，经判断，如为一级浓度报警（100%OEL或5%IDLH）[6]，则显示并记录发出报警信号的部位、报警时间、报警浓度信息等，同时，驱动现场的声光警报装置，发出声光警报。如为二级浓度报警（200%OEL或10%IDLH）[6]，且同区域同时有2个及以上相互独立的报警信号外，则除了一级浓度报警情况下的控制外，氨有毒气体探测报警控制器将报警信号传输到集中火灾报警控制器。[7]。

1.2 水喷雾系统联锁启动控制流程

氨球罐属于室外场所，结合《水喷雾灭火系统技术规范的要求》，本文探讨以电动启动方式进行自启的水喷雾系统。其控制过程为：

集中火灾报警控制器结合接收到的报警信号，进行逻辑分析后，输出电信号打开水喷雾系统雨淋阀前的电磁阀，电磁阀开启后，雨淋阀出水侧压力开关远程启动水泵。水流经雨淋阀，充满末端管道，经水雾喷头喷出。[4]

1.3 联锁控制的工艺流程

联锁控制过程的关键点，是将氨有毒气体探测报警系统中探测报警控制器的输出信号进行调试，使之符合火灾报警控制器对接收信号要求。氨有毒气体探测器推荐使用的为红外气体探测器[2][4]。从原理上，其联锁控制过程可以实现。联动启动方案的工艺流程如下：

2 PLC联锁控制系统的构成

根据上文所述，联动控制系统主要由2个子系统组成：（1）氨有毒气体探测报警控制系统;（2）联动开启水喷雾的控制系统。

2.1 PLC联锁控制系统的基本组成

PLC联锁控制系统的基本组成如下：

2.2 PLC联锁控制系统的结构形式及PLC的机型选择

PLC的硬件结构有整体式和模块式，按照应用环境分，又可分为集中式和分布式。[1]根据适用范围，氨有毒气体探测报警系统和集中火灾报警控制系统均选用整体集中式结构形式。

在机型选择方面，生产PLC的厂家很多（国内外均有），可根据点数、容量、功能需求进行选择。在本文论述的2个子系统中，PLC1选择西门子S7-200系列。而需要联动水喷雾启动的集中火灾报警系统，PLC2选择西门子S7-300系列。

2.3 硬件构成

采用S7-200和S7-300系列PLC组成控制系统的硬件。

S7-200的CPU模板需要完成氨有毒气体泄漏检测数据的输入、存储、数据比较、报警、定位和人机界面交互功能，实现模式为自动模式。

S7-300的CPU模板需要接收S7-200的报警输出信号和定位信号，并完成对相应位置的水喷雾灭火系统的控制功能，以及人机界面交互功能。实现模式有手动和自动模式。

手动模式下，操作人员需到达电磁阀处，旋转电磁阀的手动操作机构，将电磁阀打开即可。此种操作模式只是水喷雾系统的一种手动模式，除了在电磁阀选型时，选用带手动功能的电磁阀外，其他方面均不产生影响，不再分析。

自动模式下，S7-300的CPU模板完成信号处理和对水喷雾系统的控制。

CPU模板通过内部总线与输入/输出模块箱实现通信。CPU接收报警信号，并将需要开启的位置信息通过总线传递给输出模块箱，经变送后输出，通电开启电磁阀。并接收电磁阀、电磁阀后的压力开关和水泵出口管上压力开关的反馈信息，以判断水喷雾吸收防护系统的执行情况。

2.4 程序设计

PLC的软件包括系统软件和应用软件。采用整体式结构形式的PLC，在出厂时，对于不同的品牌、型号，生产厂家对系统软件已经编制、打包。用户只需要结合現场的控制目标，运用厂家提供的程序设计语言编制应用软件即可，也可将自身的目标控制需求，由厂家编制应用软件，进行安装、调试后使用。

S7系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，由厂家的安装人员进行编写、调试后可以投入使用。

3 结论

液氨作为一种危险化学品，是很多行业的生产原料，对其可能发生的泄漏和毒害事故进行预警和自动化防护，在目前主要依靠手动报警和事故处理的实际情况下，不失为一种有效的事故预防和处理措施的进步与提升。本文立足于PLC控制系统的原理，认为氨有毒气体探测与水喷雾吸收防护自动化联锁控制系统的应用可以实现，而在实际应用中，企业需要实现的功能可能更复杂、具体，且该系统的核心——集中火灾探测报警系统，作为企业全厂消防系统的控制中心，需要联锁控制更多的消防系统，因此，在进行全厂性设计和应用的时候，还需进行全局化考虑和设计。

参考文献：

[1]周亚军，张卫.电气控制及PLC原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2016.

[2]杨扬，陈亮.有毒气体检测报警系统的研究.科技风，2019.

[3]涂建煌，朱鹏.火灾自动报警与消防联动控制系统的主要电子设备探讨.探索与观察，2017.

[4]张晔.可燃有毒气体检测报警器安装使用注意事项.中国计量，2015.

[5]中华人民共和国国家标准.水喷雾灭火系统技术规范（GB50219-2014）.

[6]中华人民共和国国家标准.石油化工可燃气体和有毒气体检测设计标准（GBT50493-2019）.

[7]中华人民共和国国家标准.火灾自动报警系统设计规范（GB50116-2013）.

作者简介：赵燕萍（1985—），女，汉族，河南郑州人，本科，中级工程师，安全评价师。