柴油機消防水泵現狀和高新技術應用發展趨勢

柴油機消防水泵現狀和高新技術應用發展趨勢

    采用柴油發動機為動力直接驅動消防水泵與傳統應用應急發電設備加配電系統給電動泵供電的方案相比，在消防領域的應用有無可比擬的優越性，隨著各種高新技術的推廣、設計理念的改變而促使用柴油機消防水泵在技術性能、應用數量上均有高速的發展，特別是在現代高層樓宇、工業區、住宅區……等場所得到廣泛的應用。文章通過對柴油機消防水泵新技術特點的論述，進一步推廣消防領域對柴油機消防水泵的應用。

    1.柴油機消防水泵的現狀

    1.1老式應急消防系統的缺陷

    1.1.1采用大功率柴油發電機作應急發電機組，同時配備輸、配電系統、電控柜和雙路電源轉換系統給電動泵配電。系統復雜、維護難度大。

    1.1.2不少火災正是由于電氣系統故障所致，火警時通常配電系統可能已失效，或火災已將配電設施燒毀，導致消防系統已不能工作。

    1.1.3設備安裝占地面積大、基本建設投資大。

    1.2柴油機消防水泵的優點

    1.2.1相對動力配用功率容量大大減少，系統簡單，維護方便。

    1.2.2系統獨立，可靠性大大提高。

    1.2.3體積小，總投資也大大減少。

    1.3柴油機消防水泵的控制方式與發展方向

    1.3.1手動型

    人工啟動、人工調速、人工監測。

    1.3.2普通自動型

    可接受消防信號自啟動，具有基本的保護（超溫、超速、欠潤滑）。發動機采用機械調速，全速啟動，靜態調速率為5%~10%，動態調速度為10%~30%。

    1.3.3高級自動型

    可接受消防信號自啟動或手動操作，具有發動機的基本保護（超溫、超速、欠潤滑）采用電子調速、怠速/全速選擇，靜態調速率可為0，動態調速率為3%~7%。

    1.3.4智能型

    具有手動、自動、網絡遙控、自動巡檢及自動故障診斷功能，可單獨及配合中央消防系統完成全面的狀態檢測、運行性能測試，啟動運行過程智能化控制——由微電腦（固化程序的專用芯片）指令的電子調速實現軟啟動、軟升速，具有優良的靜態、動態調速特性。系統能全面監測發動機的運行參數和自動診斷發動機的故障，還監測水泵的揚程、流量及功率，使泵組得到可靠的、全面監護。智能型系統不但功能齊全，而且因采用專用的模塊制造，所以體積小、可靠性高、造價低。是今后柴油機消防水泵發展的方向。

    2.高新技術在柴油機消防水泵的應用

    2.1發動機的智能監控

    2.1.1控制功能

    2.1.2控制系統應具有全自動化控制設計，可選擇手動控制、自動程序控制、遙控、強行啟動等控制模式。

    2.1.3可設定柴油機的各種過程控制時間，其中包括——啟動前預熱或預潤滑時間、啟動延時時間、啟動限時、啟動電機脫離轉速、怠速運行延時、軟升速過程延時、怠速冷卻停機延時等。

    2.1.4可根據需要任意設定柴油發動機的額定轉速值(因為可通過改變發動機轉速而滿足用戶對揚程、流量的要求)，自動監視發動機在啟動、怠速、升速、全速等過程的速度變化，自動完成起動電機的投入與撤出（智能判斷在啟動過程中是由于啟動電機與啟動飛輪打滑造成啟動失靈，還是啟動過程正常而啟動失敗，前者應馬上退出啟動電機，隔一段時間重新再嘗試啟動，以免損壞啟動齒輪等部件，后者允許在限定時間內連續啟動，若一次啟動不成功則進行多次）、速度過高與過低的預報警及超限停機等。

    2.1.5可設定報警限定值，自動實現超限預報警（不停機）、報警同時自動停機等預報警的項目應包括——超速、低速、低潤滑油壓、高冷卻溫度、低氣溫(低于4℃防結冰)、低燃油位、低水位、低電池電壓、高電池電壓、轉速信號未校準、超流量等；自動報警并停機的項目應包括——無轉速信號（啟動轉速過低、速度傳感器失靈、啟動電機打滑）、超速、低速、低潤滑油壓、高冷卻溫度、啟動失敗、停機失敗、油壓傳感器開路/短路、水溫傳感器開路/短路、速度傳感器開路/短路、流量過大而超負荷等。

    2.2顯示功能

    2.2.1柴油機運行狀態顯示—按系統現時的實際情況，顯示設備當前所處的狀態——守候、開機、供油、啟動、啟動延時、怠速延時、正常運行、冷卻停機、緊急停機。

    2.2.2泵組運行參數測量顯示—在系統運行過程中，顯示現時的相關參數值——轉速、運行時間、燃油存量、電池電壓、冷卻溫度、潤滑油壓力、水泵出口壓力、水泵流量。

    2.2.3泵組報警狀態顯示——當系統出現故障報警，面板即能顯示所出現的故障，說明報警類型（預報警或報警）、以及報警原因。

    2.2.4泵組參數設置顯示，顯示當前系統設置的各個參數值，包括——啟動/停機過程延時狀態設定值、運行速度控制設定值和全部的報警、預警參數設定值。

    2.2.5遠程網絡監控功能——通過消防網絡通信系統（或樓宇自控系統）完成對系統的巡回檢測（類似對溫感、煙感的巡回檢測）。能控制機組開/停，并將其運行參數進行分析及存檔。因為消防系統通常長期處于備用狀態，所以日常的維護、保養、系統檢測顯得非常重要，系統能自動完成對機組的備用狀態進行測試，及時預報警，并保證蓄電池處于良好的狀態。

    2.3產品特點及其先進性

    要實現系統的自動控制與監測功能，需要處理、控制的參數很多，如果采用普通繼電器或分立電子元件組成的數據采集及邏輯控制電路是不可能實現的。所以國際上通常是采用兩種系統：①專用控制模塊；②可編程控制器。目前國內普遍是采用可編程控制器（PLC）進行多通道的模擬量（傳感器→變送器）、開關量數據采集及控制（采用PLC：上馬快、可隨時更改程序、容易擴展、但系統仍較復雜、同時必須由專業工程師調試，價格也相對較高）。

    廣州三業科技有限公司從1996年來致力從事柴油發動機控制系統的開發，并成功地開發出一系列專用的控制器，目前已針對柴油機水泵的特殊控制，按智能型的要求開發出的專用的消防水泵控制系統并取得了多項的國發明、實用型專利。

    廣州三業科技有限公司命名為MICROPANEL-XBC的柴油機消防水泵控制系統下圖（1）采用一體模塊化設計，面板操作、外圍接線非常簡單而可靠。

    2.4泵組的轉速調節系統

    2.4.1泵組的轉速應能接受計算機進行優化控制，達到較理想的調節效果，如下圖(2)曲線所示：

圖(2)

   2.4.2具有優良的穩態、瞬態轉速調整率

    根據轉速n與揚程H、流量Q之間的函數關系：，n1額定轉速、n2帶負載后變化的轉速、Q1額定流量、Q2轉速下降后的流量、H1額定揚程、H2轉速下降后的揚程、P1額定軸功率、P2轉速下降后的軸功率。根據上述公式可知轉速n的改變會使揚程與流量發生很大的改變。所以如果柴油發動機的轉速調整率δn較大，則水泵的流量Q（與轉速成正比）、揚程H（與轉速的平方成正比）就會遠遠偏離額定值。

    其計算方法按下面公式計算：

    n—泵組額定轉速r/min（轉/分鐘）

    n1—負載漸變后穩定的轉速r/m（轉/分鐘）

    n2—滿載時的轉速r/min（轉/分鐘）

    n3—負載突變前的穩定的轉速：r/min（轉/分鐘）

    n4—負載突變時的最大或最小轉速：r/min（轉/分鐘）

    異步電動機的轉差率一般為2~3%，但普通的柴油發動機的穩態調速率δnw為5~10%、瞬態調速率δns為10~30%，所以采用普通柴油發動機裝配消防水泵很難滿足現代消防的要求。

    高性能的消防水泵往往是按照用戶的揚程、流量的要求設計最節能（高效率）、體積/重量盡小的泵組。所以轉速是按揚程、流量、水泵效率、水泵轉速特性、發動機的功率-扭距/轉速特性等要求改變的，這使普通柴油發動機的機械調速裝置更難滿足要求（發動機只有在大批量定單的前提下，生產廠才有可能可按某一特定轉速通過對燃油泵的修改/調整后提高穩態、瞬態調整率）。

    因此柴油機水泵要達到或接近電動泵的水平必須裝配電子調速系統。較好的電子調速系統其技術指標能達到δnw≤1%、δns≤±7%；高性能的電子調速系統其技術指標能達到δnw為“0”、δns≤±3%，并且瞬態時具有很快的恢復時間。

    采用廣州三業科技有限公司生產的已獲國家專利的SY柴油機水泵專用電子調速系統，可執行由計算機發出的指命，完成圖（2）的運行特性，并具有非常硬的轉速／負荷特性，調差率為0（比電動機要高），空載/滿載均能保持標準轉速。由于采用智能型電子調速，所以非常方便地使供水系統采用恒速（非常硬的轉速/負荷特性），或恒壓（非常硬的輸出壓力/流量特性）。

    恒速：通過檢測水泵的轉速就化不斷修正發動機的供油量，保證發動機恒速運行（速度閉環控制）

    恒壓：通過檢測水泵出口壓力變化不斷改變發動機的供油量，改變發動機的運行轉速，以恒定水泵的出口壓力（壓力閉環變速恒壓控制）

    采用XBC的柴油機消防水泵控制系統與電子調速器配合可對發動機實現軟啟動控制如圖（2）曲線，柴油機水泵的控制系統是由一臺專用的計算機進行控制的，通過用戶對系統設定，可任意設置怠速的運行時間及升速的斜率，如圖（2）。另外還具有如下優點：

    1.緩慢增加發動機的轉矩，可大大減小發動機與水泵之間的沖擊；

    2.減少啟動的排耗（冷機高速啟動會損害發動機及增加黑煙排放）；

    3.停機前先減速，然后怠速運行一段時間，待發動機冷卻后才停機。

    上述的SY電子調速系統可比較理想地解決了消防水泵的速度控制問題。

    2.5智能型的柴油機水泵的另一個技術要點是系統揚程/流量的監測與過載保護；<<一種柴油機水泵流量檢測及防止柴油機組超載的方法>>已獲得國家發明專利。

    2.5.1普通電動機拖動的水泵如果發生過載（超流量），設計上很容易在其供電回路上裝上過電流保護元件，當系統過載必然會引至保護元件動作，切斷電動機的供電回路，系統得到了保護。但如果柴油機水泵發生超載（超流量）則很難上檢測到并采取措施。

    2.5.2從事給水設計的工程師均清楚地知道，任何型式的水泵只要轉速恒定，其揚程/流量/軸功率就形成了類似圖（3）特性的曲線，并符合一定的數學關系。廣州三業科技有限公司發明了一種方法（已獲得國家發明專利）：使用電磁速度傳感器、普通壓力傳感器實時測得其轉速及水泵出口壓力，在對應泵圖（3）的曲線上，可即時查得水泵實時流量及相應的軸功率，有了流量、功率參數，過載保護的難題就迎刃而解了。     

圖(3)

   2.5.3其優點如下：

    1.體積小，不占設備空間，通過試驗臺標定后，可獲較高的H/Q測量精度，且適用于任何口徑的泵組。

    2.費用低，安裝方便，所以不但適合價格高的消防系統，更可廣泛應用于普通低價的其它柴油機水泵系統的量及保護。

    XBC水泵系統配有通信接口，用戶可方便查看已設定的有關發動機與水泵的運行、報警參數，輸入密碼后可更改所有設置，并可通過控制界面啟/停泵組。如下圖（4）所示的操作、顯示界面：

 圖(4)

    下圖（5）是某泵組的標準流量—水壓（揚程）特性曲線，水泵運行時相應的功況。點Q紅點會閃亮。

圖(5)

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