摘要：本文通过结合PLC技术控制灭火设施对碳素生产中烟道内火灾灭火的案例，讨论PLC技术自动控制技术应用于常规灭火设施的前景，供大家参考。
笔者于2019年7月，参与新疆天龙矿业股份有限公司（位于新疆阜康）碳素生产中烟道内火灾灭火的项目。新疆天龙矿业股份有限公司是在原新疆天龙钢铁厂、新疆天龙水泥厂基础上逐步发展壮大的具有卓越历史贡献的老工业基地。始建于1965年。目前产能规模为电解铝25万吨，发电量35亿度，炭素13万吨。其中碳素生产中，位于工艺末端的排烟风道内会不定期发生火灾，可燃物为烟气内沉积的焦油。每次发生火灾，都需要停产一天至数天，然后人工灭火，对生产影响很大。
PLC技术（俗称单片机），是指可编程逻辑控制器。是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。简言之，就是通过对微型电脑芯片编程，控制设备的工艺。笔者业余学习汽车原理，由于PLC技术已广泛应用于电喷汽车的运行控制，比如根据不同进气量控制喷油时间、全车车窗升降、故障反馈、发动机电脑对整车的控制，所以笔者对PLC技术有相对深刻的了解。
PLC技术目前应用于消防系统的有：防烟、排烟系统、消防水泵启动和巡检及报错系统等。典型案例如防烟系统的运用：楼梯间或前室正压送风一般要求风压大于走道压力30~50Pa，风压小不能满足防烟要求，且要满足最不利层的压力要求，所以选取防烟风机一般压力值都比计算值大。但过大的风压又会导致疏散门开启困难，不利于疏散，同时，不同着火层对压力值要求又不同。而PLC技术的运用完美解决了这一问题。在疏散楼层走道和前室、楼梯间设置压力传感器，通过CAN网络（双线网络，可在故障模式运行，支持多终端）反馈至正压送风机，正压送风机端设有CPU和伺服电机，伺服电机控制正压送风机的旁通阀开度。当疏散楼层的压力值超压时，CPU控制伺服电机将旁通阀开大，直至疏散层压力值正常。若走道与送风部位压力差值降低至30Pa以下，CPU控制伺服电机将旁通阀关小，让更多的风进入建筑内部，直至风压回归至正常范围内。
笔者在承接烟道内火灾灭火工程后，第一反应就是如能把PLC技术应用于灭火，定能实现不停产灭火，以减少厂家为此而付出的损失。
一、情况说明
碳素生产过程中，产生的废气由专用排烟道排出，废气温度约150摄氏度~160摄氏度之间，主要成分有氧气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、未完全分解的可燃物（冷凝后，可见黑色物质俗称焦油，焦油为泛指，如烟焦油、煤焦油，为复杂混合物，燃点从80摄氏度至数百摄氏度）。排烟道内壁材质为厚度5~7mm碳钢，外敷15cm~20cm保护层，内径约1m。烟道从出炉口开始，至废气处理装置入口段，长度数百米，末端为烟气处理装置（烟尘处理、脱硫、碳氧化物处理、氮氧化物处理、未燃烧完毕的可燃物处理），处理完毕后，排入大气中，自治区政府对排烟质量实时监控。烟道内部呈负压，由空气处理装置的引风机产生动力，负压值约1000pa，排烟量约17万立方米每小时，风速约60m/s（计算值）。
烟气在排出过程中，随着温度变化，容易在管壁、弯头、变径、节点处凝聚焦油，在焦油凝聚至一定数量的时候，由于烟道温度长期维持在150摄氏度以上，就会不定时发生焦油燃烧，燃烧次数约每年三次，燃烧使烟道内温度上升至300度以上，为保证生产安全，厂区会停工，待烟道内火灾被人为扑灭后，重新开机生产。人为灭火方式为通过打开烟道的检修孔（间距约50m一个），对烟道内明火喷水灭火，明火熄灭后，待烟道温度降至100摄氏度以下，开工生产。每次灭火，除需停工外，费时费力，同时由于烟道温度高，灭火工人还有一定的危险。天龙矿业管理层对此很是无奈。
二、情况分析
烟道内排出的气体含CO、氮氧化物、硫氧化物等，还含有17~18%的氧气，这使得如果烟道内有易燃物，就可能发生燃烧，而烟道内常年温度约150度~160度之间，这个温度高于CO燃点，可能高于焦油燃点。正常情况，未燃烧的可燃物需要在烟道继续燃烧，所以焦油蒸汽在烟道燃烧了一部分，在管壁等温度低的地方，凝聚了一部分，同时，凝聚的焦油又会变为可燃焦油蒸汽（补充说明一点，液体燃烧实际都是先由液体变为气体再燃烧）。
随着焦油的累积，焦油越来越多，由焦油变为焦油蒸汽的量也越来越多，导致烟道内焦油浓度上升，与烟气内氧气混合比达到着火临界状态，焦油蒸汽开始燃烧，温度上升，使得累积的焦油更容易气化变为焦油蒸汽，而此时，源源不断的氧气随着燃烧废气进入烟道，导致火灾发生。
三、解决方案
焦油是工厂众废弃物较难处理的一项，环保装置中一般采用高压电捕焦油器来对生产废弃物中的焦油进行清理。电捕回收的焦油，市场上有专门回收机构，回收价约3000元/吨。但在高压电捕焦油器工作过程中，电捕焦油器内部极线及极管内壁会依附许多焦油及其杂物，清理极为困难。依附在设备上的焦油等杂物若不能及时清理，堆积过多则会出现腐蚀极管管壁，影响极线电流导通等问题，使电捕焦油器不能正常工作，甚至发生火灾。且采用高压电捕的方式适合新建厂房，原因是电捕设备对空间要求高，而且需要设置在烟道起始端。
天龙矿业碳素车间建设早，烟道在室内地沟敷设的长度约800m，这使得在在室外设置电捕设施，意义不大，而且烟道前段燃烧的焦油可能会烧坏电捕设施引起火灾。
针对当前情况，笔者设计采用冷却水、水喷雾、泡沫灭火结合的方式。
水喷雾作用：瞬间降低混合气温度，使已气化的焦油与液态水结合，重新液化为浮动小液滴随管道排出，切断燃烧源。
冷却水作用：燃烧需要一定的温度，冷却水主要起到降温的作用，由于水喷雾瞬间喷出量小，需要冷却水辅助降温以保证水喷雾不被气化（水喷雾实为液态小水滴）而使冷凝焦油的效果失效。
泡沫作用：泡沫液为亲水型氟化物泡沫灭火剂，可灭高危化工品的制剂，与水混合后达到一定浓度，不断喷射，使其相对充满烟管，瞬间灭火。
对于整个烟道，不同位置温度会有差异，但差异不大。比如具体到某一段常年温度150~160摄氏度的烟道，温度上升至165度时，可以判定为烟道内可燃气体浓度达到临界状态，已发生燃烧，此时，此段烟道对应PLC控制系统开始工作，电脑控制水喷雾阀门打开，水喷雾喷出，直至气化的焦油重新液化随高速烟气排出，烟道内温度降至150摄氏度内，停止喷射。若温度继续上升，冷却水开始喷射，降温的同时，保证水喷雾不被气化，保持其小液滴状态，增强焦油液化效果，直至温度降低到合理范围内。若温度继续上升，电脑控制泡沫阀门打开，开始喷泡沫灭火。若泡沫喷完，温度继续上升，电脑报告灭火失效，此时可停止生产。
四、特别说明
1、直至泡沫灭火失效前，碳素生产都可连续进行。
2、以上灭火过程，一般来说，至系统喷水时，火将大概率被扑灭，泡沫系统是最后的保障。而目标状态是，平时生产过程中，温升超过5度，电脑控制开启水喷雾喷头（用水量少），直至烟道整体降低10度，喷雾结束，从而达到动态平衡，与水滴结合的焦油进入烟气处理装置。
3、水、泡沫都不影响政府对废气的监测。水本身就存在于烟气中，而且后续烟气处理中有脱硫工艺就主要是喷水。泡沫对废气处理工艺设备的影响，一般认为可忽略。如确实有影响，烟道设有旁通道，当任一一点喷射泡沫时，电脑控制旁通阀开启，混合烟气不经废气处理设备，直接排出。
4、风道很长，每段的常规温度不同，可对CPU按不同分段设置不同的喷雾、喷冷却水、喷泡沫温度，以此段烟道温升为准。
5、巡检功能。电磁阀设于烟道外的供水、供灭火剂管上，喷头设于烟道内部，烟道内部灰尘时间久了容易堵塞喷头，所以特设巡检功能，每隔12小时，CPU控制所有电磁阀打开3秒，具体布置详巡检布置图。
五、附控制原理图及布置示意图
参考文献：
【1】中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑设计防火规范【J】.北京：中国计划出版社
【2】中华人民共和国住房和城乡建设部.消防给水及消火栓系统技术规范【X】.北京：中国计划出版社
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【4】中华人民共和国住房和城乡建设部. 气体灭火系统设计规范【Q】.北京：中国计划出版社
【5】电机拖动与电控技术【D】.北京：电子工业出版社