摘要：

本文從化學(xué)燃料的種類優(yōu)化、燃料供給系統(tǒng)的集成與控制、自動(dòng)化反應(yīng)設(shè)計(jì)以及智能化集成等方面，系統(tǒng)探討了化學(xué)燃料在消防設(shè)備中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略。結(jié)合實(shí)際案例，分析了基于化學(xué)燃料的火災(zāi)自動(dòng)撲滅系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求、燃料選擇、系統(tǒng)性能評(píng)估及優(yōu)化路徑，以期為消防設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供技術(shù)支持，推動(dòng)消防系統(tǒng)的智能化與多功能化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：化學(xué)燃料；消防設(shè)備；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；跨項(xiàng)目集成

引言

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的提高和工業(yè)化進(jìn)程的加速，火災(zāi)的類型和頻率逐漸增多，尤其是在石化、燃料儲(chǔ)備等高危領(lǐng)域，傳統(tǒng)的水、泡沫滅火系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)化學(xué)燃料火災(zāi)時(shí)表現(xiàn)出一定的局限性。近年來(lái)，化學(xué)燃料作為一種新型滅火介質(zhì)，逐漸被應(yīng)用于消防設(shè)備設(shè)計(jì)中，提高了撲滅火災(zāi)的效率和精準(zhǔn)度?？珥?xiàng)目式的設(shè)計(jì)創(chuàng)新應(yīng)運(yùn)而生，旨在通過將化學(xué)、工程、自動(dòng)化等領(lǐng)域的技術(shù)相結(jié)合，推動(dòng)消防設(shè)備性能的提升。

一、跨學(xué)科概念及意義

（一）化學(xué)與消防安全的交叉領(lǐng)域

化學(xué)領(lǐng)域與消防安全領(lǐng)域的深度融合，包括化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱傳導(dǎo)理論及火災(zāi)模型在內(nèi)的眾多學(xué)科知識(shí)和技能?，F(xiàn)代消防設(shè)備技術(shù)進(jìn)步顯著，使得消防裝備不再僅限于傳統(tǒng)機(jī)械體系，而是向智能化與自動(dòng)化這兩個(gè)方向演進(jìn)。在此過程中，化學(xué)燃料作為滅火介質(zhì)，已經(jīng)成為這一領(lǐng)域交叉研究的核心課題。

（二）項(xiàng)目式設(shè)計(jì)創(chuàng)新的關(guān)鍵要素

項(xiàng)目式設(shè)計(jì)創(chuàng)新著重于多個(gè)項(xiàng)目與學(xué)科領(lǐng)域間在技術(shù)與概念層面的交互融合。尤其在化學(xué)燃料消防設(shè)備設(shè)計(jì)中，跨學(xué)科專家團(tuán)隊(duì)的協(xié)作至關(guān)重要。這一協(xié)作需要融合化學(xué)、工程學(xué)、自動(dòng)化控制等多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。

二、化學(xué)燃料在消防設(shè)備中的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）傳統(tǒng)消防設(shè)備簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)消防設(shè)備的設(shè)計(jì)主要依賴物理和化學(xué)作用，借助水、干粉、泡沫等介質(zhì)實(shí)現(xiàn)滅火功能。水作為滅火的主要工具，通過吸收火源的熱量，有效遏制火勢(shì)蔓延。泡沫滅火器通過產(chǎn)生泡沫來(lái)覆蓋燃燒物表面，有效隔絕氧氣，特別適合用于熄滅涉及液體的火災(zāi)。針對(duì)某些具有高揮發(fā)性和極端高溫的化學(xué)品引發(fā)的火災(zāi)，傳統(tǒng)的泡沫滅火方法效果較為有限，往往無(wú)法徹底撲滅高燃點(diǎn)的火源。在現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境中，特別是在涉及高?；瘜W(xué)燃料火災(zāi)的情況下，傳統(tǒng)消防設(shè)備的局限性明顯表現(xiàn)出來(lái)。

（二）化學(xué)燃料在消防系統(tǒng)中的角色

在石油化工設(shè)施、燃?xì)鈨?chǔ)備站等高危場(chǎng)所，消防設(shè)備需要應(yīng)對(duì)化工和石油行業(yè)迅速發(fā)展所帶來(lái)的日益復(fù)雜的火災(zāi)類型。在這些場(chǎng)合，傳統(tǒng)滅火方法常常無(wú)法徹底滅火，因此化學(xué)燃料成為滅火的新型介質(zhì)。利用化學(xué)燃料，通過燃燒這一化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生滅火劑。某些化學(xué)燃料含有氧化劑，能在極短時(shí)間內(nèi)釋放高效滅火成分，從而有效控制火勢(shì)蔓延?；瘜W(xué)燃料滅火系統(tǒng)的應(yīng)用顯著提高了消防效率，減少了傳統(tǒng)滅火方法對(duì)設(shè)備和人力的依賴性[1]。

（三）現(xiàn)有技術(shù)及其局限性

在某些特定場(chǎng)合，化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)的滅火系統(tǒng)顯示了顯著優(yōu)勢(shì)。然而，這無(wú)法掩蓋技術(shù)上所面臨的挑戰(zhàn)?？刂苹瘜W(xué)反應(yīng)的精確度是較為復(fù)雜的任務(wù)，因?yàn)樵诰_的條件下，必須確保燃料供應(yīng)與反應(yīng)的速度保持一致，任何微小的參數(shù)變化都可能導(dǎo)致滅火成效的改變。若燃料供應(yīng)系統(tǒng)在工作過程中發(fā)生波動(dòng)，從而引起供油量不足或過剩，會(huì)使滅火效率降低或產(chǎn)生新的安全風(fēng)險(xiǎn)。在10分鐘時(shí)限內(nèi)，化學(xué)燃料滅火設(shè)備的燃料供應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性誤差達(dá)到0.5升/分鐘。在極端火災(zāi)情況下，此誤差可能使滅火時(shí)間增加30秒至1分鐘。

三、化學(xué)燃料消防設(shè)備的跨項(xiàng)目式創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略

（一）選擇與優(yōu)化化學(xué)燃料種類

在設(shè)計(jì)化學(xué)燃料消防設(shè)備時(shí)，選擇恰當(dāng)?shù)娜剂项愋蛯?duì)于提升滅火反應(yīng)效率及效果極為關(guān)鍵。多種化學(xué)燃料被用于消防設(shè)備，包括金屬燃料、堿金屬燃料以及特定氧化還原反應(yīng)材料。針對(duì)各類火災(zāi)條件，需選用適宜的燃燒物質(zhì)，以保障消防設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)的安全性，涵蓋燃料的燃燒屬性、生成物的安全評(píng)估以及周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性分析。

鈉（Na）與鉀（K）作為常見的堿金屬元素，在氧氣環(huán)境中能迅速進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生高溫并形成相應(yīng)的氧化物。此類金屬氧化物具備捕捉燃燒物質(zhì)的能力，隔絕氧氣與火焰的直接聯(lián)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)撲滅火勢(shì)的功能。鈉與鉀的交互作用極其劇烈，引發(fā)的燃燒過程伴隨極高的溫度，可能給鄰近的機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來(lái)?yè)p害。在實(shí)驗(yàn)操作中，觀察到鈉和鉀在燃燒時(shí)的反應(yīng)速度分別為每秒1.2秒和0.9秒。相比之下，鎂的燃燒速度較慢，燃燒過程持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，平均約為5秒。鈉的燃燒溫度達(dá)到882°C，鉀的為759°C，鎂的燃燒溫度約為1400°C。在控制火勢(shì)的場(chǎng)景中，鎂燃料成為一個(gè)更為適宜的選擇。鎂燃料因其較低的密度（約1.74g/cm3），為設(shè)備在燃料運(yùn)輸與儲(chǔ)存方面的設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性[2]，如表1所示。

（二）燃料供給系統(tǒng)的集成與優(yōu)化

在化學(xué)燃料消防設(shè)備的設(shè)計(jì)架構(gòu)中，燃料供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)輸送燃料至特定反應(yīng)區(qū)，并對(duì)滅火反應(yīng)的劇烈程度及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行管理?；瘜W(xué)燃料在滅火過程中的效率受其供應(yīng)系統(tǒng)準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及反應(yīng)可控制性的直接影響，這與傳統(tǒng)滅火介質(zhì)有顯著區(qū)別。自動(dòng)控制技術(shù)在當(dāng)前的燃料供應(yīng)系統(tǒng)中起著確保供油精確性的關(guān)鍵作用。在應(yīng)對(duì)火災(zāi)時(shí)，火勢(shì)可能迅猛擴(kuò)散或意外收斂，因此必須根據(jù)實(shí)時(shí)的火情變化，對(duì)燃料的補(bǔ)給進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。傳感器被安裝在現(xiàn)代消防設(shè)備中，用以實(shí)時(shí)監(jiān)控火焰溫度和擴(kuò)散速度，這些數(shù)據(jù)隨后被傳輸至控制系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)燃料的供應(yīng)量，確?；鹧婵刂圃诎踩秶鷥?nèi)。安全性考量在燃料供給系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位。存儲(chǔ)與運(yùn)輸化學(xué)燃料時(shí)，必須采取嚴(yán)格的防護(hù)措施，以防在不當(dāng)環(huán)境下引發(fā)意外反應(yīng)。

（三）化學(xué)反應(yīng)控制與自動(dòng)化設(shè)計(jì)

在化學(xué)燃料消防設(shè)備設(shè)計(jì)中，精準(zhǔn)控制化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程是另一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在化學(xué)領(lǐng)域，反應(yīng)的進(jìn)行通常涉及諸多環(huán)節(jié)，啟動(dòng)條件嚴(yán)格，要對(duì)諸多變量如溫度、壓力和燃料輸入量等，實(shí)施高精度調(diào)控。在當(dāng)前的化學(xué)燃料消防設(shè)備中，自動(dòng)化控制技術(shù)被廣泛采用，通過監(jiān)控并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)，以確保滅火過程在安全限度內(nèi)有效進(jìn)行。在裝置中嵌入一套先進(jìn)的PID控制邏輯，負(fù)責(zé)監(jiān)控并調(diào)整反應(yīng)溫度，保持其燃燒階段溫度在1200℃至1300℃的范圍恒定[3]。

利用PID控制技術(shù)，確保設(shè)備在燃燒過程中溫度的波動(dòng)范圍被精確控制在±20℃以內(nèi)，從而顯著增強(qiáng)反應(yīng)過程的穩(wěn)定性。除溫度控制外，化學(xué)反應(yīng)速率也被納入自動(dòng)化設(shè)計(jì)的反應(yīng)控制范疇。例如，在涉及鎂質(zhì)燃料的滅火程序中，燃料的燃燒速度介于0.5g/s至2g/s之間，借助自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以依據(jù)火勢(shì)的規(guī)模相應(yīng)地調(diào)節(jié)燃燒速度，從而來(lái)控制滅火反應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)。本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化控制系統(tǒng)，以使設(shè)備能迅速適應(yīng)火災(zāi)狀況的改變，防止燃料的無(wú)效消耗與不當(dāng)反應(yīng)，如表2所示。

（四）多功能化與智能化集成

針對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性，化學(xué)燃料消防設(shè)備的綜合性與智能化轉(zhuǎn)型，將成為未來(lái)發(fā)展的核心要素。設(shè)備需具備應(yīng)對(duì)多種火災(zāi)類型的能力，涵蓋固體、液體及氣體火災(zāi)。將多種燃料供應(yīng)系統(tǒng)整合，并結(jié)合先進(jìn)的滅火技術(shù)，設(shè)備能夠依據(jù)不同火源的特點(diǎn)，選取適宜的滅火介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類火源的協(xié)同撲滅。人工智能技術(shù)所推動(dòng)的智能化過程，能夠?qū)馂?zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并據(jù)此動(dòng)態(tài)地調(diào)整滅火策略。傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠探測(cè)到火情的擴(kuò)散方向和火焰的溫度等關(guān)鍵指標(biāo)，利用人工智能算法，設(shè)備將計(jì)算出最佳燃料供應(yīng)與滅火策略，從而有效縮短響應(yīng)時(shí)間并提高滅火效率。人工智能技術(shù)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠?qū)鹧媛勇窂竭M(jìn)行預(yù)測(cè)，并實(shí)施燃料噴灑，顯著提升滅火作業(yè)效率[4]。

四、基于化學(xué)燃料的火災(zāi)自動(dòng)撲滅系統(tǒng)案例分析

（一）問題分析與需求定義

在某石油化工生產(chǎn)基地，面對(duì)高溫且危險(xiǎn)的化學(xué)燃料引起的火災(zāi)，傳統(tǒng)的滅火體系顯示出較低的效能。針對(duì)自動(dòng)撲滅系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種基于化學(xué)燃料的模型，成為目前急迫的需求。此裝置須能夠迅速做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，并具備智能決策能力。

（二）化學(xué)燃料的選擇與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過對(duì)各類燃料屬性進(jìn)行比較分析，最終確定以鎂（Mg）作為主要的滅火介質(zhì)。在高溫條件下，鎂燃料展示了卓越的燃燒特性，生成的氧化鎂（MgO）不僅吸收熱量效率高，而且能形成穩(wěn)固的保護(hù)層，有效隔離火源與空氣的相互作用，從而快速控制火勢(shì)擴(kuò)散。針對(duì)石化廠區(qū)可能遇到的高溫火災(zāi)，采用燃燒溫度接近1400℃的鎂材料，能有效進(jìn)行火災(zāi)應(yīng)對(duì)。鎂燃料的燃燒過程可以通過自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確控制，這增強(qiáng)了滅火操作的穩(wěn)定性與安全性。

針對(duì)燃料供給與自動(dòng)化反應(yīng)控制兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)優(yōu)化。智能化的傳感器網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用于燃料供給系統(tǒng)，其功能是依據(jù)火災(zāi)溫度、火焰擴(kuò)展速度等參數(shù)，對(duì)燃料的供應(yīng)量實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，保障燃料供應(yīng)的精確度。嵌入式算法內(nèi)置于自動(dòng)化反應(yīng)控制模塊中，火勢(shì)的變化會(huì)被自動(dòng)檢測(cè)，并據(jù)此調(diào)節(jié)反應(yīng)速率，確保燃燒過程的安全性與可控性。此系統(tǒng)裝置了用于緊急狀況下的電源切斷裝置和人工操作控制功能，以保障在極端狀況下設(shè)備能安全關(guān)機(jī)，防止火情蔓延[5]，如圖1所示。

（三）性能評(píng)估與系統(tǒng)優(yōu)化

通過對(duì)自動(dòng)滅火系統(tǒng)的實(shí)際功效進(jìn)行考察，并通過反復(fù)模擬火情實(shí)驗(yàn)，著重考量了該系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)火警時(shí)的反應(yīng)時(shí)效、滅火成效以及自動(dòng)調(diào)控的精確性。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，觀察到化學(xué)燃料自動(dòng)滅火系統(tǒng)在執(zhí)行滅火操作時(shí)，所需時(shí)間顯著縮短。模擬試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)的中樞啟動(dòng)過程平均耗時(shí)為5秒鐘，相較于常規(guī)滅火系統(tǒng)，其啟動(dòng)速度提高了2s。在高溫火情的模擬實(shí)驗(yàn)中，能在20秒窗口期內(nèi)有效抑制火勢(shì)蔓延。經(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了燃料消耗與滅火成效之間的最優(yōu)平衡。系統(tǒng)具備自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力，能在高壓和高溫的環(huán)境下，針對(duì)不同規(guī)模的火災(zāi)，動(dòng)態(tài)地調(diào)整燃料供應(yīng)，有效避免了燃料浪費(fèi)。

結(jié)語(yǔ)

化學(xué)燃料消防設(shè)備的跨項(xiàng)目式創(chuàng)新設(shè)計(jì)展示了化學(xué)、工程與智能控制技術(shù)在消防領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。本文分析了化學(xué)燃料在傳統(tǒng)消防設(shè)備中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出了燃料選擇、供給系統(tǒng)優(yōu)化、自動(dòng)化控制及智能化集成的創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略?；趯?shí)際案例的分析表明，化學(xué)燃料消防設(shè)備在火災(zāi)撲救中具有高效、快速、智能化的特點(diǎn)，能夠有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜的火災(zāi)環(huán)境。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，化學(xué)燃料消防設(shè)備的多功能化和智能化將進(jìn)一步得到提升，成為消防設(shè)備設(shè)計(jì)中的重要方向。

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作者簡(jiǎn)介：

劉志榮（1991— ），女，漢族，寧夏銀川人，本科，研究方向：化學(xué)與消防。