吊斗鏟自動滅火系統設計與應用

摘要：針對吊斗鏟在運行過程中歷次發生的火災，設計一套適合吊斗鏟的集自動監測、預警和滅火的自動滅火系統。詳細描述系統的設計原則、構成、功能、特點以及滅火區域、滅火劑和探測器的選取。通過實際應用證明，系統能夠全天候、全方位對吊斗鏟各系統、各部位進行監測，并在第一時間進行自動滅火，確保吊斗鏟電氣、機械以及輔助系統能夠正常運行，有效降低了火災風險。

關鍵詞：吊斗鏟；自動監測；預警；滅火劑；自動滅火系統

0" "引言

黑岱溝露天煤礦地處內蒙古鄂爾多斯準格爾旗境內，現生產規模為3400萬t/年。2007年11月，該礦從美國比塞洛斯公司引進的吊斗鏟投入使用，該設備原值達5.5億元，自重5300t，裝機容量30400kW，鏟斗容積90m3，挖掘深度71m，排棄高度45m，作業半徑達150m，生產能力5100m3/h，年倒堆剝離量達2200萬m3，年節能減排2萬t標準煤。該產品是世界上首臺使用無齒輪傳動交流變頻調速系統的吊斗鏟，在我國乃至亞洲的引進和使用尚屬首次。

該設備于2005年在黑岱溝露天煤礦開始組裝，歷時2年多時間。2007年年初在調試期間，電氣系統發生火災，損失慘重。2016-2018年期間在設備作業過程中，回轉滾盤先后4次起火，因滅火及時未造成較大損失，但存在較大的安全隱患。針對上述情況，我們設計安裝一套適合吊斗鏟的集自動監測、預警和滅火的自動滅火系統，能夠全天候、全方位對吊斗鏟各系統、各部位進行監測，發現高溫及時報警，及時監測到著火點，并可在第一時間進行自動滅火，確保吊斗鏟電氣、機械以及輔助系統能夠正常運行，避免發生火災。

1" "自動滅火系統的設計原則

1.1" " 系統的適應性

根據吊斗鏟內部結構、供電和控制線路走向以及磁場分布，自動滅火系統的設計必須具有較強的抗干擾能力。電路設計采用線路仿真技術，具有良好的電磁兼容特性，符合EMC標準的結構設計，對強電磁場及靜電具有良好的屏蔽和隔離作用。系統所有通訊線纜均采用屏蔽阻燃線纜，滿足抗電磁環境干擾要求。系統性能穩定可靠，能夠適應露天礦山的工作環境。

1.2" " 設計的規范性

根據吊斗鏟的實際運行情況和需求為設計出發點，系統設計符合實際需要的國家有關規范和功能要求，系統操作簡捷、界面友好、顯示直觀，維護和擴容方便。

1.3" " 系統硬件設備的穩定性

系統集成采用經過專業機構認證的工業級一線品牌的消防設備，功能設計實用、合理、可靠，技術水平優于國內外普遍使用的大型設備自動滅火系統。

2" "自動滅火區域的確定

吊斗鏟的機械結構主要是由底盤、回轉平臺、機械室、提升/回拉機構、回轉機構、行走機構、懸臂/三角架機構、繩索/鏟斗機構和增壓凈化、空氣壓縮、液壓制動、集中潤滑等輔助系統組成。電氣系統主要由主/輔變壓器、變頻控制系統、PLC輔助控制系統、驅動電機和輔助電機組成[1]。

通過對吊斗鏟機械結構和電氣系統的運行情況分析，重點針對電氣控制、潤滑油脂、電纜、液壓系統進行了火災評估，按照吊斗鏟機械和電氣系統整體安裝和布局特點，確定了9個需要火災監控的區域，即變壓器室、電氣室、電抗器平臺、潤滑室、回轉平臺、輔變及高壓柜、制動器液壓站、機棚整體空間區域。

3" "滅火劑的選取

對目前工業領域在用的幾種滅火劑技術性能進行比較，并結合吊斗鏟滅火區域特點對滅火劑進行選取。

3.1" " 七氟丙烷

七氟丙烷 [2]是一種以化學滅火為主，兼有物理滅火作用的潔凈氣體滅火劑。它無色、無味、低毒、不導電，不污染被保護對象，不會對保護對象造成損壞，能以較低的滅火濃度，迅速的滅火速度（≤10s），可靠的撲滅B、C類火災及電器火災。其儲存空間小，臨界溫度高，臨界壓力低，在常溫下可液化儲存。七氟丙烷滅火劑具有良好的清潔性和絕緣性，適用于以全淹沒滅火方式撲救電氣火災、液體火災、可熔固體火災、固體表面火災，滅火前能切斷氣源的氣體火災，可廣泛用于保護計算機房、變配電室、精密儀器室等場所。在吊斗鏟自動滅火系統中，其主要保護各部電氣室和電氣控制柜。

3.2" " 超細干粉

超細干粉滅火劑[3]是由滅火基料、潤滑劑和防潮劑混合研磨制成的細小顆粒，用氮氣做噴射動力噴射出的粉末，其顆粒微細，濃度密集，蓋在固體燃燒物上能夠阻礙燃燒的隔離層，同時析出不可燃氣體，使空氣中的氧氣濃度降低，從而將火焰熄滅。常用的脈沖式超細干粉滅火裝置均采用無管網式或管網式。可將滅火裝置直接安裝在現場，實施自動探測滅火或手動控制滅火。在吊斗鏟自動滅火系統中，其主要用于保護潤滑室、電抗器和液壓站。

4" "檢測探頭的選擇

4.1" " 感溫探測器

該探測器外形美觀（見圖1），生產工藝采用現代SMT技術，殼體采用阻燃耐高溫材料，在120℃的高溫下不發生變形。靜態電流小，工作電壓范圍寬，抗潮性能優良，響應速度快，具有極高的靈敏度。探測器對非火災干擾影響具有很強的免疫力，報警溫度可設定為90～120℃，使用時須與專用的底座或編碼底座及相兼容的控制器配套使用，特別適用于高溫、高濕、高腐蝕性、振動強烈、粉塵干擾等惡劣工業場所。在吊斗鏟自動滅火系統中，其主要用來監測各部電氣室和電氣柜內的溫度變化情況。

4.2" " 可恢復式感溫電纜

可恢復式感溫電纜[4]（見圖2）是一種新型消防火災探測專利產品，報警溫度可設定調整，環境溫度自動跟蹤補償，可顯示被保護物溫度值，可重復使用，并具有報警防斷電功能。該探測器以我國國家標準GB16280-2005《線型感溫火災探測器》及第一號修改單為其主要設計依據，它的主要性能指標已處于世界領先水平。在吊斗鏟自動滅火系統中，其主要用來監測電抗器和電纜槽的溫度變化情況。

4.3" " 紅紫外復合波長火焰探測器

該探測器采用3個不同波長的光學紅外傳感器和1個紫外傳感器（見圖3），并結合多頻紅外技術和自動數字縮放技術來識別火焰，具有很高的抗干擾能力，不受風雨、高溫、高濕、陽光等自然及人工光源的影響，廣泛應用于復雜的工業應用環境。在吊斗鏟自動滅火系統中，其主要用來監測吊斗鏟機棚整體空間區域的火焰情況。

5" "系統構成

吊斗鏟自動滅火系統由先進的智能化報警控制器、性能靈敏穩定的專用探測器和多種滅火介質系統組成，采用多分區控制，能夠實現全方位的火災自動報警和滅火保護。系統構成如圖4所示。

5.1" " 潤滑油室

潤滑室為封閉式，內有油箱和油泵及加熱裝置，易發生油脂類火災。設計采用點式感溫探測器+柜式超細干粉滅火裝置組合。2只感溫探測器布置在油室頂部，柜式超細干粉滅火裝置放置于油室內。當保護區發生火警時，滅火裝置啟動對油室進行全淹滅式滅火。

5.2" " 輔變及高壓柜

該柜組區域位于回拉機構前端，共4組柜子。設計采用點式感溫探測器+管網式FM200型氣體滅火裝置組成滅火系統。在每個柜子內安裝一只感溫探測器（90℃）和一個高壓噴頭。管網式FM200型儲瓶設置在防擴區域內。當該區域內觸發火警時，FM200型儲瓶啟動電磁閥組，滅火氣體通過輸送管路輸送至噴頭實施滅火。

5.3" " 回轉平臺

平臺為高度1m、直徑20m的封閉結構，設計采用在平臺頂部安裝2只感溫探測器和4具懸掛式超細干粉滅火裝置。該裝置采用電啟動或感溫自啟式，當發生火情時，觸發裝置啟動，對整個平臺實施全淹滅式滅火。

5.4" " 電器室

電器室為獨立封閉式機房，內置兩排電氣柜，設備精密度及造價昂貴，要求滅火介質無任何殘留且滅火效率高。設計采用點式感溫探測器+管網式FM200型氣體滅火裝置構成B區滅火系統。在每組電氣柜內設置1只感溫探測器和1個高壓噴頭，管網式FM200型儲瓶設置在電氣柜室內。當該區域內觸發火警時FM200型儲瓶啟動電磁閥組，滅火氣體通過輸送管路輸送至噴頭實施滅火。

5.5" " 電抗器平臺

平臺為開放式，布置有兩列電抗器設備。設計采用可恢復纜式感溫電纜+短管網式超細干粉滅火裝置組合。感溫電纜以正弦波S形敷設在電抗器設備上，短管網式超細干粉裝置設置于平臺兩側，噴頭角度呈扇形覆蓋保護設備。當火警觸發時，儲罐內的超細干粉通過輸送管路輸送至噴頭噴灑，對防護區進行滅火。

5.6" " 變壓器室

變壓器室為半敞開式結構，高度約為4m，3臺主變壓器外殼為全封閉式結構。采用點式感溫探測器+非貯壓懸掛式超細干粉滅火裝置組成A區滅火系統。每臺主變壓器的頂部機棚位置各設置1只感溫探測器和1只非貯壓懸掛式超細干粉滅火裝置，在火警觸發時以氣固二相流模式對保護區域進行全淹式滅火。

5.7" " 液壓站

液壓站位獨立的小型控制柜，采用探火自啟式氣體滅火裝置，無需任何電源，無需專門的探測器，無需復雜的設備及管線，利用自身儲壓，依靠一根經充壓的火探管[5]及一套火探瓶組，就能快速、準確、有效地探測及撲滅火源，集報警和滅火于一體，可將火患撲滅在最初階段。同時，可將動作信號反饋回控制系統，通過預先編定的地址，在控制器液晶面板上顯示動作位置，提醒操作人員采取處置措施。

5.8" " 機棚整體區域

吊斗鏟機棚長度約67m，寬度約30m，高度約25m。機棚內安裝各部控制機構和驅動單元，空間較大。設計在機棚四周設置6臺高速紅/紫外復合火焰探測器，探測器探測角度呈扇形無縫覆蓋整個機棚內部，機棚內任意一個位置發生火情，探測器均迅速向控制系統發出火警信號，提醒操作人同采取處置措施。

5.9" " 自動滅火系統控制器

自動滅火系統控制器經專業設計生產，滿足吊斗鏟高溫、高粉塵、高震動、高強度的特殊工作需求，采用壁掛式安裝在司機室內，集成火災自動報警、分區聯動、遠程啟停、精確地址顯示等功能為一體。用于接收各分區所有前端探測設備的報警信號后，聯動各分區的滅火裝置啟動進行滅火，同時發出聲光警示，并對整個系統所有設備的故障情況進行巡檢。同時對火警、故障、動作等信息進行存儲記錄，便于事后查詢。

控制器采用CPU超大規模集成電路設計，超大液晶面板顯示，與現場的各類型探測器、緊急啟停按鈕、聲光報警器、放氣指示燈、滅火系統等，組成一個完整的火災報警滅火控制系統。積木式模塊化設置，可根據現場需求擴展多個獨立控制，每區接2路探測器，每路探測器并聯數不超過25個，具有手動、自動、緊急啟動3種控制模式，能輸出二組24V閥信號，最大電流為24VDC/2A。能輸出二組24V聯動信號，最大電流為1A。具有線路斷路、短路自檢、消音、復位功能，能接收每個防火分區急啟、放氣等動作及反饋信號并記錄供檢查使用。繼電器觸點容量為直流24VDC/3A或交流220V/1A，具有抗雷擊、抗靜電、抗電磁、抗電瞬變等功能，自動動作延時時間可設定0～30s。

6" "系統具備的主要功能

自檢功能：按下自檢按鈕，系統進入自檢狀態。自檢結束后，系統自動復位，然后進入正常監視狀態。線路檢測功能：系統對現場設備的狀態及線路短路、斷路能實時監測，并能在氣體滅火盤上指示出設備類型和具體位置。電源雙備份功能：系統具有主、備兩路電源，一旦主電源發生故障，備用電源將自動投入，保證系統在沒有主電的情況下，仍能可靠工作。精確報警功能：控制器超大液晶顯示面板，可用漢字顯示任一報警點的精確位置，方便操作人員第一時間對火警點作出響應及處置。手/自動轉換功能：手動、自動可切換，便于駕駛人員靈活設置。防止非法操作功能：控制器上設有電子鎖，可防止其他人員的誤操作。

7" "系統的特點

7.1" " 火災探測器智能化

根據現場不同的保護對像采用最適應的多種探測器組合方式。探測器內的智能傳感器對采集到的環境參數、溫度、故障等信號進行分析判斷，并向火災報警控制器傳送正常、火警、故障等狀態信號，極大降低誤報現象，提高了火災報警系統的可靠性。

7.2" " 火災報警控制器智能化

控制器為工業專用定制開發的火災報警聯動控制器，針對吊斗鏟復雜的工況，可直接接收火災探測器傳送的各類狀態信號，并在液晶面板上精確顯示出預先設定的中文地址。通過控制器可將現場火災探測器設置成信號傳感器，并可對傳感器采集到的參數信號進行分析，為準確的判斷現場是否發生火災提供決策依據。

7.3" " 控制系統全功能化

控制器采用內部并行總線設計、積木式結構，容量擴充簡單方便。系統可采用報警聯動共線式布線，也可采用報警和聯動分線式布線，適用于目前各種報警系統的布線方式，徹底解決了變更產品設計帶來的原設計圖紙改動問題。

8" "系統的應用情況

吊斗鏟自動滅火系統設計應用近4年內，成功預警20余次，及時控制了高溫著火點，避免了火災事故的發生，有效保障吊斗鏟系統正常運行，避免由于火災帶來的經濟損失。系統的研發成功，填補了國內空白，可以在煤炭、冶金露天開采礦山推廣使用，應用在大型無人值守成套設備上則使用價值更高。

參考文獻

[1] 美國比塞洛斯公司.8750-65 型邁步式吊斗鏟操作手冊[Z].

[2] 聶忠葉.關于ＷＫ系列電鏟安裝自動滅火系統的研究[J].內蒙古科技與經2017（12）：74-77.

[3] 賈雷.基于超細干粉滅火劑性能的研究[J].化學工程與裝備，2019（10）：29-31.

[4] 盧紀東.可恢復式纜式線型感溫火災探測器的工作原理與工程應用[J].裝備應用與研究，2012（36）：46-47.

[5] 李玉玲.火探管式自動滅火系統在港口工程中的應用[J].工程建設與設計，2018（2）：96-99.