蔡 崢，陳宇曦，李何偉，王 宇，韓 焦，趙 雷，李建鴻

（1.常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

上世紀(jì)90 年代初期，±500 kV 葛洲壩—上海直流輸電工程的成功投運(yùn)，標(biāo)志著我國輸變電技術(shù)向世界領(lǐng)先水平成功邁出第一步，中國超高壓直流輸電建設(shè)也由此進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。

直流輸電行業(yè)最核心的技術(shù)通常集中在換流站內(nèi)，換流站是高壓直流輸電系統(tǒng)為了完成交、直流電的相互轉(zhuǎn)換，同時(shí)使電力系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定運(yùn)行、產(chǎn)出高質(zhì)量電能而建立的站點(diǎn)。站內(nèi)大型電力變壓器大多是利用油來絕緣和散熱，存在著較大的消防安全隱患。若站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故，輕則損壞開關(guān)設(shè)備導(dǎo)致單級(jí)停運(yùn)，重則燒毀換流設(shè)備迫使停產(chǎn)檢修影響電力輸送，甚至危及跨區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行安全[1]。站內(nèi)消防安全歷來是電網(wǎng)消防安全的重中之重，為保證站內(nèi)消防安全，降低火災(zāi)危害性，保障生命財(cái)產(chǎn)安全[2]，消防工程應(yīng)將“預(yù)防為主，防消結(jié)合”作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方針，嚴(yán)格按照國家消防設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，追求技術(shù)領(lǐng)先、經(jīng)濟(jì)可靠的同時(shí)，從根源上解決消防安全問題。

傳統(tǒng)泡沫滅火系統(tǒng)將消防用水和泡沫原液按一定比例混合，工作過程基于文丘里管原理：高速水流在主管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，將泡沫原液從儲(chǔ)罐內(nèi)吸入主管道進(jìn)行預(yù)混合，然后在泡沫產(chǎn)生裝置末端噴射腔發(fā)泡，最終將滅火用泡沫噴至火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，從而達(dá)到撲滅火焰的目的。壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)則是一種可用于換流站內(nèi)的升級(jí)產(chǎn)品，相較于傳統(tǒng)泡沫滅火系統(tǒng)，其具有高效、低耗、多用、質(zhì)輕和環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。目前，壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)中的大部分關(guān)鍵設(shè)備都缺乏自主技術(shù)的積累，而進(jìn)口設(shè)備采購和維護(hù)的價(jià)格昂貴，很大程度上限制了壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)在國內(nèi)市場(chǎng)的推廣。為了推進(jìn)壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)自主化，對(duì)其關(guān)鍵設(shè)備的研究需求尤為迫切。本文將著眼于壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備之一的泡沫混合器（也稱為泡沫比例混合器），針對(duì)其目前的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，橫向?qū)Ρ炔煌愋彤a(chǎn)品的優(yōu)劣，同時(shí)對(duì)換流站消防工程的后續(xù)發(fā)展方向提出展望。

1 壓縮空氣泡沫系統(tǒng)介紹

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)也稱為CAFS（Com-pressed Air Foam System），其主要由動(dòng)力泵、空壓機(jī)、混合器、閥門、控制單元及相關(guān)連接管路等部件組成。系統(tǒng)工作原理如下：系統(tǒng)通過動(dòng)力泵先將有壓水同泡沫添加劑按一定比例進(jìn)行液-液混合，然后再與空壓機(jī)輸送的壓縮空氣按一定比例進(jìn)行氣-液混合，在水路中預(yù)混合后會(huì)產(chǎn)生顆粒小但大小均勻、穩(wěn)定且不易破碎的高質(zhì)量泡沫，最終通過系統(tǒng)末端的噴射裝置噴射到火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備和工作場(chǎng)地的目的。系統(tǒng)組成原理如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

結(jié)合壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)的工作原理分析可知，泡沫混合器可以稱為整個(gè)工作系統(tǒng)的“心臟”，也是生產(chǎn)高質(zhì)量壓縮空氣泡沫的第一道生產(chǎn)線。其主要作用是將泡沫原液與水混合成一定比例的泡沫混合液，通常其混合比的調(diào)節(jié)范圍在0.1%～6.0%之間[4]。理想的泡沫混合液既可以使泡沫滅火的效果達(dá)到最佳，也可以大大減少滅火用水量，減輕系統(tǒng)的儲(chǔ)水需求和設(shè)備的占地需求，同時(shí)還能節(jié)約大量水資源，帶來的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

2 泡沫混合器分類

目前，市面上已投入泡沫滅火系統(tǒng)中使用的泡沫混合器類型多樣，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，本文主要針對(duì)以下幾種類型進(jìn)行介紹：管線式、環(huán)泵式、壓力式、平衡壓力式和計(jì)量注入式。

2.1 管線式

管線式泡沫混合器又稱負(fù)壓管線式泡沫混合器，其設(shè)計(jì)基于文丘里管原理，內(nèi)部的噴嘴和擴(kuò)散管為其核心部件，兩者對(duì)接處形成喉道，由于流體的速度隨流通橫截面積的減小而上升，因此喉道處流速將達(dá)到最大值，靜態(tài)壓力達(dá)到最小值，泡沫儲(chǔ)液會(huì)被負(fù)壓抽取到主流道內(nèi)與水進(jìn)行混合，從而形成一定比例的泡沫混合液。管線式泡沫混合器的工作原理如圖2 所示。系統(tǒng)整個(gè)工作過程如下：工作泵首先將水送入混合器入口端，壓力水經(jīng)過入口端的噴嘴后增速降壓，在噴嘴與擴(kuò)散管之間的喉道處形成負(fù)壓，由于大氣壓的作用，泡沫液儲(chǔ)罐中的泡沫液會(huì)在壓差的作用下進(jìn)入混合器內(nèi)，最終與壓力水按一定比例混合，混合液流經(jīng)泡沫噴射設(shè)備時(shí)逐漸發(fā)泡，并經(jīng)噴射口噴出從而達(dá)到泡沫滅火的效果。

圖2 管線式泡沫混合器工作原理圖

管線式泡沫混合器整體壓損超過進(jìn)口水壓的三分之一，在低倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)中，為形成良好的泡沫，通常要求混合器出口壓力應(yīng)大于出口至產(chǎn)生裝置之間水頭損失與產(chǎn)生裝置進(jìn)口所需壓力之和，而高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)中使用管線式泡沫混合器時(shí)，要求混合器進(jìn)口水壓應(yīng)在0.6～1.2 MPa 之間，水流量在9～54 m3/h 之間。該形式的泡沫混合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本優(yōu)勢(shì)大，但其流量范圍較小，壓力損失較大，混合比調(diào)節(jié)困難，產(chǎn)品柔性差等缺點(diǎn)一定程度上限制了它的使用及推廣。

2.2 環(huán)泵式

環(huán)泵式泡沫混合器與管線式類似，都是基于文丘里管原理設(shè)計(jì)，都屬于負(fù)壓式泡沫混合器。環(huán)泵式泡沫混合器通常安裝在主管路外的一個(gè)環(huán)形旁路，旁路進(jìn)口接主管路水泵出口，旁路出口接主管路水泵進(jìn)口，形成環(huán)形回路系統(tǒng)，也因此得名“環(huán)泵式”。

環(huán)泵式泡沫混合器工作原理如圖3 所示，其工作過程大致如下：水泵輸出壓力水大部分沿主管流向泡沫產(chǎn)生裝置出口，小部分流量則經(jīng)旁路流向混合器本體，支流經(jīng)過混合器本體時(shí)在混合腔內(nèi)形成一定負(fù)壓，而外部泡沫儲(chǔ)液在壓差作用下進(jìn)入腔內(nèi)與水流混合，然后預(yù)混液再次進(jìn)入水泵，按上述循環(huán)混合一段時(shí)間后，出口泡沫混合液便可達(dá)到預(yù)設(shè)的混合要求。另外，泡沫吸液口在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)不高于泡沫儲(chǔ)液最低液面，因?yàn)槿绻?dāng)泡沫混合器出口背壓大于零時(shí)，吸液口直接與大氣相連，內(nèi)部水會(huì)倒流入泡沫液儲(chǔ)罐，導(dǎo)致污染原液。

圖3 環(huán)泵式泡沫混合器工作原理圖

結(jié)合原理進(jìn)一步分析可知，水泵進(jìn)出口壓力、泡沫混合器吸液高度（混合器與泡沫儲(chǔ)液液面之間的高差）等因素是影響混合效果的主要因素。在一定范圍內(nèi)，水泵進(jìn)口壓力越低，泡沫液混合比越高，反之混合比越低，進(jìn)口零壓或負(fù)壓較為理想；當(dāng)進(jìn)口壓力一定時(shí)，水泵出口壓力越高，泡沫液混合比越高，反之越低；常壓下泡沫儲(chǔ)液液面相對(duì)混合器越高，其混合比越高，反之越低[5]。

環(huán)泵式泡沫混合器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且通常配套使用常壓泡沫儲(chǔ)液罐，兼顧了制造成本低和運(yùn)維方便的優(yōu)勢(shì)。然而，常壓儲(chǔ)罐的開式循環(huán)系統(tǒng)也面臨水泵進(jìn)出口壓差不可控、泡沫儲(chǔ)液液面與混合器存在高差等問題，導(dǎo)致其混合比不穩(wěn)定，易受影響。實(shí)際工程中，為保證消防工作可靠運(yùn)行，通常該環(huán)泵系統(tǒng)內(nèi)泡沫混合器的數(shù)量都會(huì)設(shè)置冗余量。

2.3 壓力式

壓力式泡沫混合器主要由混合器本體、壓力儲(chǔ)罐、管路、減壓孔板和相應(yīng)閥門構(gòu)成，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同可以分為無囊式和囊式。如圖4、圖5 所示分別為無囊式和囊式壓力泡沫混合器的工作原理圖，兩種類型混合器雖然結(jié)構(gòu)形式有差異，但其實(shí)工作原理是相通的。

圖4 無囊式壓力泡沫混合器工作原理圖

圖5 囊式壓力泡沫混合器工作原理圖

通常壓力式泡沫混合器本體處于主水管路中，與壓力儲(chǔ)罐之間通過進(jìn)出支管連接，其工作過程大致如下：主管中的有壓水進(jìn)入泡沫混合器本體，經(jīng)過內(nèi)部減壓孔板的減壓后，在孔板前后形成壓差，此時(shí)高壓側(cè)水通過支管進(jìn)入壓力儲(chǔ)罐內(nèi)，壓力儲(chǔ)罐內(nèi)的泡沫液則被壓入低壓側(cè)的混合腔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)泡沫液與水的混合。由此可知，減壓孔板是調(diào)控混合比的關(guān)鍵部件，一般通過更換孔板大小改變前后壓差，可以實(shí)現(xiàn)不同混合比，從而達(dá)到精確混合的目的。

壓力式泡沫混合器適用于分散設(shè)置獨(dú)立泡沫站的石油化工生產(chǎn)裝置區(qū)，由于其特殊的混合調(diào)節(jié)方式，使得其產(chǎn)出的混合液比例相當(dāng)穩(wěn)定，且該形式下的泡沫原液與水是互相分開的，可分多次使用。另外該類型為一體化獨(dú)立裝置，安裝方便，配置簡(jiǎn)單，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。壓力式泡沫混合器通過更改減壓孔板結(jié)構(gòu)來改變混合比的方式簡(jiǎn)單實(shí)用，在消防工程不同需求的應(yīng)用上優(yōu)勢(shì)十分明顯。

但進(jìn)一步分析可知，經(jīng)水流后孔板截面是急劇收縮的，因此孔板前后易產(chǎn)生擾動(dòng)，出現(xiàn)氣穴、旋渦和尾流等現(xiàn)象，導(dǎo)致整體壓損較大，因此流量可調(diào)范圍也相對(duì)較窄[6]。另一方面，裝置內(nèi)關(guān)鍵閥門在一側(cè)長期高壓的情況下，較容易出現(xiàn)滲漏的問題，若因滲漏或密封問題導(dǎo)致泡沫液儲(chǔ)罐進(jìn)水，泡沫原液失效，不僅會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)泡沫產(chǎn)出效果，還會(huì)由于一體化程度高，事故處理較困難，導(dǎo)致?lián)p耗成本較大。囊式壓力泡沫混合器的囊通常由橡膠制成，橡膠長期浸泡于液體中會(huì)導(dǎo)致其材料老化，必須時(shí)刻注意其帶來的滲漏隱患，有的裝置將囊的接口放在了儲(chǔ)罐底部，接口處因長期受壓有泡沫液滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，一旦膠囊破漏，整個(gè)系統(tǒng)就將失效。

根據(jù)《低倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，壓力比例混合器單罐容積不宜大于10 m3，對(duì)于無囊壓力式混合系統(tǒng)來說，當(dāng)單罐容積大于5 m3且儲(chǔ)罐內(nèi)無分隔設(shè)施時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)試驗(yàn)與檢修進(jìn)行困難，故障發(fā)現(xiàn)困難，無法實(shí)現(xiàn)泡沫原液在線補(bǔ)充，這些問題也導(dǎo)致該類型泡沫混合器的工程應(yīng)用十分受限。

2.4 平衡壓力式

平衡壓力式泡沫混合器一般由泡沫液動(dòng)力泵、混合器本體、控制閥門、過濾結(jié)構(gòu)和連接管道等部件組成，其工作原理如圖6 所示。工作過程如下：泡沫液泵工作，將泡沫原液輸送至混合器本體，在壓力控制閥的作用下，部分泡沫液通過支路回流到泡沫液儲(chǔ)罐。其中，壓力控制閥通過控制支路回流泡沫液的流量達(dá)到控制混合比的效果，壓力控制閥主要由隔膜腔、閥桿和節(jié)流閥組成，隔膜腔分為上下兩部分，下部空間與泡沫液動(dòng)力泵出口相通，上部空間與主管道相連。當(dāng)系統(tǒng)供水量增大時(shí)，水壓升高，腔內(nèi)隔膜膨脹，帶動(dòng)閥桿向下伸長，此時(shí)節(jié)流閥開度減小，泡沫液回流量減少，系統(tǒng)輸送至與水混合的泡沫液用量便會(huì)相應(yīng)增大。該形式的混合器在工程實(shí)際運(yùn)行過程中，為了獲取更穩(wěn)定且高質(zhì)量的泡沫，宜滿足以下三點(diǎn)要求：壓力控制閥的泡沫液進(jìn)口壓力應(yīng)大于水進(jìn)口壓力；混合器的泡沫液進(jìn)口管道應(yīng)設(shè)置單向閥防止水回流；泡沫液管道上宜設(shè)置沖洗及放空結(jié)構(gòu)，便于在線檢修。

圖6 平衡壓力式泡沫混合器工作原理圖

平衡壓力式泡沫混合比穩(wěn)定，可調(diào)精度較高，適用流量范圍較大，且使用常壓儲(chǔ)罐儲(chǔ)存泡沫液，可實(shí)現(xiàn)在線補(bǔ)充泡沫原液，運(yùn)維受限較小。該形式泡沫混合器適用范圍較廣，尤其適合在設(shè)置有若干個(gè)獨(dú)立泡沫站的大型甲、乙、丙類液體儲(chǔ)罐區(qū)，多采用水力驅(qū)動(dòng)式平衡壓力比例混合裝置。就目前市場(chǎng)應(yīng)用來說，其劣勢(shì)在于造價(jià)較高，且調(diào)試工作必須由專業(yè)人員在安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，產(chǎn)品的推廣應(yīng)用受專業(yè)性的限制較大。

2.5 計(jì)量注入式

計(jì)量注入式泡沫混合器最大的特點(diǎn)是依靠信息化、自動(dòng)化和領(lǐng)先化的監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)混合比的調(diào)控，克服了其他類型泡沫混合裝置流量范圍小、混合比調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確和難以實(shí)現(xiàn)在線補(bǔ)液等缺點(diǎn)，為大型消防場(chǎng)所的數(shù)字化控制開啟了一個(gè)新篇章，是目前國內(nèi)技術(shù)最先進(jìn)的消防工程泡沫混合裝置。該裝置的工程應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)范已于2008 年編入最新的GB 50151《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》國家標(biāo)準(zhǔn)，屬于工業(yè)消防泡沫滅火系統(tǒng)的首推產(chǎn)品[7]。

計(jì)量注入式泡沫混合器主要由泡沫泵、水泵、信號(hào)監(jiān)控采集設(shè)備、控制電纜、電控器、閥門、液儲(chǔ)罐和連接管道等部件組成，其工作原理如圖7 所示。其基本原理為：利用流量變送器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況，將采集的流量信號(hào)持續(xù)向電控邏輯裝置反饋，裝置接收到信號(hào)變化后，輸出控制信號(hào)，并利用變頻泵來控制泡沫液按合適的流量供給，以達(dá)到調(diào)節(jié)和維持混合比的目的[8]。另外，泡沫液進(jìn)口管道上應(yīng)設(shè)置單向閥，避免回流影響儲(chǔ)液，且泡沫液整體管路上宜設(shè)置沖洗及放空設(shè)施，便于實(shí)現(xiàn)在線檢修功能。

圖7 計(jì)量注入式泡沫混合器工作原理圖

計(jì)量注入式泡沫混合器較市場(chǎng)上其他類型的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)在于：系統(tǒng)泡沫液儲(chǔ)罐采用常壓儲(chǔ)罐，單次泡沫液可使用存量較大，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)在線添加泡沫液，在大型換流站內(nèi)面對(duì)嚴(yán)重火災(zāi)時(shí)，更好地保證了泡沫滅火系統(tǒng)工作的順利進(jìn)行；系統(tǒng)流量可調(diào)范圍廣，且運(yùn)行過程不受系統(tǒng)進(jìn)出壓差影響，使其在較廣的流量范圍內(nèi)同時(shí)兼顧精度調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，裝置產(chǎn)出高質(zhì)量泡沫的同時(shí)可最大程度地節(jié)約泡沫原液，經(jīng)濟(jì)可靠；可在線設(shè)定精確的混合比，并能在0～X 進(jìn)行無級(jí)可調(diào)（X 為預(yù)定的任意混合比值）[9]；與同樣一體化和自動(dòng)化程度較高的壓力平衡式對(duì)比，計(jì)量注入式產(chǎn)品泡沫混合過程不會(huì)出現(xiàn)液壓平衡問題，混合比相對(duì)穩(wěn)定。總結(jié)來說，相較基于文丘里管原理設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)泡沫混合器，采用計(jì)量注入的方式提高了其可控性，降低了壓差帶來的影響，故該裝置的可靠性和準(zhǔn)確性在目前階段均優(yōu)于國內(nèi)其他類型的泡沫混合裝置。另一方面，就市場(chǎng)應(yīng)用來說，其劣勢(shì)在于系統(tǒng)構(gòu)成較復(fù)雜，較依賴變頻泵等價(jià)格高昂設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)前端供電可靠性要求較高。

3 對(duì)比

目前市面上投入使用的泡沫混合器類型多樣，結(jié)構(gòu)各異，不同類型都有特定的適用場(chǎng)合，需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。前文提及5 種類型的泡沫混合器，其使用場(chǎng)景、使用優(yōu)劣勢(shì)的對(duì)比，見表1。

表1 泡沫混合器對(duì)比表

4 結(jié)束語

泡沫混合器作為壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)的核心，針對(duì)泡沫混合器的深入研究，可以大大加快實(shí)現(xiàn)泡沫滅火系統(tǒng)工程國產(chǎn)自主化的步伐。而壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)以其滅火效率高、水量損耗低、用途廣泛、系統(tǒng)可靠和自然環(huán)保等特點(diǎn)，在應(yīng)對(duì)電站消防工程要求的新形勢(shì)下，具有不可估量的市場(chǎng)前景。在目前的研究背景下，針對(duì)泡沫混合器等關(guān)鍵部件的工程研究還有很大的空間。目前市場(chǎng)上泡沫混合器的產(chǎn)品類型多樣，針對(duì)不同的使用場(chǎng)景都有其優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，但針對(duì)換流站等重點(diǎn)單位內(nèi)的消防滅火系統(tǒng)，目前更多還是需要依靠一體化程度更高、運(yùn)行更穩(wěn)定可靠的設(shè)備，平衡壓力式與計(jì)量注入式這兩種形式的泡沫混合器是目前較為適合壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)的設(shè)備，也是符合市場(chǎng)發(fā)展前景的設(shè)備。

基于目前對(duì)于泡沫混合器的研究，后續(xù)產(chǎn)品優(yōu)化升級(jí)需綜合考慮功能完整性、系統(tǒng)優(yōu)化性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和運(yùn)行可靠性等多方面因素，結(jié)合在工程中實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)混合比靈活調(diào)節(jié)并提高調(diào)節(jié)精度，降低工程上的安裝與運(yùn)維成本，為實(shí)現(xiàn)壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化不斷努力。