壓縮空氣泡沫滅火系統中泡沫混合器研究現狀

蔡 崢，陳宇曦，李何偉，王 宇，韓 焦，趙 雷，李建鴻

（1.常州博瑞電力自動化設備有限公司，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90 年代初期，±500 kV 葛洲壩—上海直流輸電工程的成功投運，標志著我國輸變電技術向世界領先水平成功邁出第一步，中國超高壓直流輸電建設也由此進入了一個快速發展時期。

直流輸電行業最核心的技術通常集中在換流站內，換流站是高壓直流輸電系統為了完成交、直流電的相互轉換，同時使電力系統更加安全穩定運行、產出高質量電能而建立的站點。站內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。若站內發生火災事故，輕則損壞開關設備導致單級停運，重則燒毀換流設備迫使停產檢修影響電力輸送，甚至危及跨區電網的運行安全[1]。站內消防安全歷來是電網消防安全的重中之重，為保證站內消防安全，降低火災危害性，保障生命財產安全[2]，消防工程應將“預防為主，防消結合”作為產品設計的方針，嚴格按照國家消防設計規范和標準執行，追求技術領先、經濟可靠的同時，從根源上解決消防安全問題。

傳統泡沫滅火系統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產生負壓，將泡沫原液從儲罐內吸入主管道進行預混合，然后在泡沫產生裝置末端噴射腔發泡，最終將滅火用泡沫噴至火災現場，從而達到撲滅火焰的目的。壓縮空氣泡沫滅火系統則是一種可用于換流站內的升級產品，相較于傳統泡沫滅火系統，其具有高效、低耗、多用、質輕和環保等諸多優點[3]。目前，壓縮空氣泡沫滅火系統中的大部分關鍵設備都缺乏自主技術的積累，而進口設備采購和維護的價格昂貴，很大程度上限制了壓縮空氣泡沫滅火系統在國內市場的推廣。為了推進壓縮空氣泡沫滅火系統實現國產自主化，對其關鍵設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中關鍵設備之一的泡沫混合器（也稱為泡沫比例混合器），針對其目前的研究及應用現狀進行梳理，橫向對比不同類型產品的優劣，同時對換流站消防工程的后續發展方向提出展望。

1 壓縮空氣泡沫系統介紹

壓縮空氣泡沫系統也稱為CAFS（Com-pressed Air Foam System），其主要由動力泵、空壓機、混合器、閥門、控制單元及相關連接管路等部件組成。系統工作原理如下：系統通過動力泵先將有壓水同泡沫添加劑按一定比例進行液-液混合，然后再與空壓機輸送的壓縮空氣按一定比例進行氣-液混合，在水路中預混合后會產生顆粒小但大小均勻、穩定且不易破碎的高質量泡沫，最終通過系統末端的噴射裝置噴射到火災現場，實現保護設備和工作場地的目的。系統組成原理如圖1 所示。

圖1 系統組成原理圖

結合壓縮空氣泡沫滅火系統的工作原理分析可知，泡沫混合器可以稱為整個工作系統的“心臟”，也是生產高質量壓縮空氣泡沫的第一道生產線。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，通常其混合比的調節范圍在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到最佳，也可以大大減少滅火用水量，減輕系統的儲水需求和設備的占地需求，同時還能節約大量水資源，帶來的社會與經濟效益非常顯著。

2 泡沫混合器分類

目前，市面上已投入泡沫滅火系統中使用的泡沫混合器類型多樣，根據其結構和工作原理的不同，本文主要針對以下幾種類型進行介紹：管線式、環泵式、壓力式、平衡壓力式和計量注入式。

2.1 管線式

管線式泡沫混合器又稱負壓管線式泡沫混合器，其設計基于文丘里管原理，內部的噴嘴和擴散管為其核心部件，兩者對接處形成喉道，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到最大值，靜態壓力達到最小值，泡沫儲液會被負壓抽取到主流道內與水進行混合，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。系統整個工作過程如下：工作泵首先將水送入混合器入口端，壓力水經過入口端的噴嘴后增速降壓，在噴嘴與擴散管之間的喉道處形成負壓，由于大氣壓的作用，泡沫液儲罐中的泡沫液會在壓差的作用下進入混合器內，最終與壓力水按一定比例混合，混合液流經泡沫噴射設備時逐漸發泡，并經噴射口噴出從而達到泡沫滅火的效果。

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口水壓的三分之一，在低倍數泡沫滅火系統中，為形成良好的泡沫，通常要求混合器出口壓力應大于出口至產生裝置之間水頭損失與產生裝置進口所需壓力之和，而高倍數泡沫滅火系統中使用管線式泡沫混合器時，要求混合器進口水壓應在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構簡單，成本優勢大，但其流量范圍較小，壓力損失較大，混合比調節困難，產品柔性差等缺點一定程度上限制了它的使用及推廣。

2.2 環泵式

環泵式泡沫混合器與管線式類似，都是基于文丘里管原理設計，都屬于負壓式泡沫混合器。環泵式泡沫混合器通常安裝在主管路外的一個環形旁路，旁路進口接主管路水泵出口，旁路出口接主管路水泵進口，形成環形回路系統，也因此得名“環泵式”。

環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生裝置出口，小部分流量則經旁路流向混合器本體，支流經過混合器本體時在混合腔內形成一定負壓，而外部泡沫儲液在壓差作用下進入腔內與水流混合，然后預混液再次進入水泵，按上述循環混合一段時間后，出口泡沫混合液便可達到預設的混合要求。另外，泡沫吸液口在設計時應不高于泡沫儲液最低液面，因為如果當泡沫混合器出口背壓大于零時，吸液口直接與大氣相連，內部水會倒流入泡沫液儲罐，導致污染原液。

圖3 環泵式泡沫混合器工作原理圖

結合原理進一步分析可知，水泵進出口壓力、泡沫混合器吸液高度（混合器與泡沫儲液液面之間的高差）等因素是影響混合效果的主要因素。在一定范圍內，水泵進口壓力越低，泡沫液混合比越高，反之混合比越低，進口零壓或負壓較為理想；當進口壓力一定時，水泵出口壓力越高，泡沫液混合比越高，反之越低；常壓下泡沫儲液液面相對混合器越高，其混合比越高，反之越低[5]。

環泵式泡沫混合器產品結構簡單，且通常配套使用常壓泡沫儲液罐，兼顧了制造成本低和運維方便的優勢。然而，常壓儲罐的開式循環系統也面臨水泵進出口壓差不可控、泡沫儲液液面與混合器存在高差等問題，導致其混合比不穩定，易受影響。實際工程中，為保證消防工作可靠運行，通常該環泵系統內泡沫混合器的數量都會設置冗余量。

2.3 壓力式

壓力式泡沫混合器主要由混合器本體、壓力儲罐、管路、減壓孔板和相應閥門構成，根據結構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構形式有差異，但其實工作原理是相通的。

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，與壓力儲罐之間通過進出支管連接，其工作過程大致如下：主管中的有壓水進入泡沫混合器本體，經過內部減壓孔板的減壓后，在孔板前后形成壓差，此時高壓側水通過支管進入壓力儲罐內，壓力儲罐內的泡沫液則被壓入低壓側的混合腔內，實現泡沫液與水的混合。由此可知，減壓孔板是調控混合比的關鍵部件，一般通過更換孔板大小改變前后壓差，可以實現不同混合比，從而達到精確混合的目的。

壓力式泡沫混合器適用于分散設置獨立泡沫站的石油化工生產裝置區，由于其特殊的混合調節方式，使得其產出的混合液比例相當穩定，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立裝置，安裝方便，配置簡單，系統相對穩定，便于實現自動化控制。壓力式泡沫混合器通過更改減壓孔板結構來改變混合比的方式簡單實用，在消防工程不同需求的應用上優勢十分明顯。

但進一步分析可知，經水流后孔板截面是急劇收縮的，因此孔板前后易產生擾動，出現氣穴、旋渦和尾流等現象，導致整體壓損較大，因此流量可調范圍也相對較窄[6]。另一方面，裝置內關鍵閥門在一側長期高壓的情況下，較容易出現滲漏的問題，若因滲漏或密封問題導致泡沫液儲罐進水，泡沫原液失效，不僅會嚴重影響后續泡沫產出效果，還會由于一體化程度高，事故處理較困難，導致損耗成本較大。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導致其材料老化，必須時刻注意其帶來的滲漏隱患，有的裝置將囊的接口放在了儲罐底部，接口處因長期受壓有泡沫液滲漏的風險，一旦膠囊破漏，整個系統就將失效。

根據《低倍數泡沫滅火系統設計規范》的要求，壓力比例混合器單罐容積不宜大于10 m3，對于無囊壓力式混合系統來說，當單罐容積大于5 m3且儲罐內無分隔設施時，會導致系統試驗與檢修進行困難，故障發現困難，無法實現泡沫原液在線補充，這些問題也導致該類型泡沫混合器的工程應用十分受限。

2.4 平衡壓力式

平衡壓力式泡沫混合器一般由泡沫液動力泵、混合器本體、控制閥門、過濾結構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罐。其中，壓力控制閥通過控制支路回流泡沫液的流量達到控制混合比的效果，壓力控制閥主要由隔膜腔、閥桿和節流閥組成，隔膜腔分為上下兩部分，下部空間與泡沫液動力泵出口相通，上部空間與主管道相連。當系統供水量增大時，水壓升高，腔內隔膜膨脹，帶動閥桿向下伸長，此時節流閥開度減小，泡沫液回流量減少，系統輸送至與水混合的泡沫液用量便會相應增大。該形式的混合器在工程實際運行過程中，為了獲取更穩定且高質量的泡沫，宜滿足以下三點要求：壓力控制閥的泡沫液進口壓力應大于水進口壓力；混合器的泡沫液進口管道應設置單向閥防止水回流；泡沫液管道上宜設置沖洗及放空結構，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定，可調精度較高，適用流量范圍較大，且使用常壓儲罐儲存泡沫液，可實現在線補充泡沫原液，運維受限較小。該形式泡沫混合器適用范圍較廣，尤其適合在設置有若干個獨立泡沫站的大型甲、乙、丙類液體儲罐區，多采用水力驅動式平衡壓力比例混合裝置。就目前市場應用來說，其劣勢在于造價較高，且調試工作必須由專業人員在安裝現場進行，產品的推廣應用受專業性的限制較大。

2.5 計量注入式

計量注入式泡沫混合器最大的特點是依靠信息化、自動化和領先化的監測與控制技術來實現混合比的調控，克服了其他類型泡沫混合裝置流量范圍小、混合比調節不準確和難以實現在線補液等缺點，為大型消防場所的數字化控制開啟了一個新篇章，是目前國內技術最先進的消防工程泡沫混合裝置。該裝置的工程應用設計規范已于2008 年編入最新的GB 50151《泡沫滅火系統設計規范》國家標準，屬于工業消防泡沫滅火系統的首推產品[7]。

計量注入式泡沫混合器主要由泡沫泵、水泵、信號監控采集設備、控制電纜、電控器、閥門、液儲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：利用流量變送器實時監控系統運行情況，將采集的流量信號持續向電控邏輯裝置反饋，裝置接收到信號變化后，輸出控制信號，并利用變頻泵來控制泡沫液按合適的流量供給，以達到調節和維持混合比的目的[8]。另外，泡沫液進口管道上應設置單向閥，避免回流影響儲液，且泡沫液整體管路上宜設置沖洗及放空設施，便于實現在線檢修功能。

圖7 計量注入式泡沫混合器工作原理圖

計量注入式泡沫混合器較市場上其他類型的產品優勢在于：系統泡沫液儲罐采用常壓儲罐，單次泡沫液可使用存量較大，同時可實現在線添加泡沫液，在大型換流站內面對嚴重火災時，更好地保證了泡沫滅火系統工作的順利進行；系統流量可調范圍廣，且運行過程不受系統進出壓差影響，使其在較廣的流量范圍內同時兼顧精度調節的準確性，裝置產出高質量泡沫的同時可最大程度地節約泡沫原液，經濟可靠；可在線設定精確的混合比，并能在0～X 進行無級可調（X 為預定的任意混合比值）[9]；與同樣一體化和自動化程度較高的壓力平衡式對比，計量注入式產品泡沫混合過程不會出現液壓平衡問題，混合比相對穩定。總結來說，相較基于文丘里管原理設計的傳統泡沫混合器，采用計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確性在目前階段均優于國內其他類型的泡沫混合裝置。另一方面，就市場應用來說，其劣勢在于系統構成較復雜，較依賴變頻泵等價格高昂設備的穩定運行，對系統前端供電可靠性要求較高。

3 對比

目前市面上投入使用的泡沫混合器類型多樣，結構各異，不同類型都有特定的適用場合，需結合實際情況進行合理選擇。前文提及5 種類型的泡沫混合器，其使用場景、使用優劣勢的對比，見表1。

表1 泡沫混合器對比表

4 結束語

泡沫混合器作為壓縮空氣泡沫滅火系統的核心，針對泡沫混合器的深入研究，可以大大加快實現泡沫滅火系統工程國產自主化的步伐。而壓縮空氣泡沫滅火系統以其滅火效率高、水量損耗低、用途廣泛、系統可靠和自然環保等特點，在應對電站消防工程要求的新形勢下，具有不可估量的市場前景。在目前的研究背景下，針對泡沫混合器等關鍵部件的工程研究還有很大的空間。目前市場上泡沫混合器的產品類型多樣，針對不同的使用場景都有其優勢與劣勢，但針對換流站等重點單位內的消防滅火系統，目前更多還是需要依靠一體化程度更高、運行更穩定可靠的設備，平衡壓力式與計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的設備，也是符合市場發展前景的設備。

基于目前對于泡沫混合器的研究，后續產品優化升級需綜合考慮功能完整性、系統優化性、結構穩定性和運行可靠性等多方面因素，結合在工程中實際應用的經驗，實現混合比靈活調節并提高調節精度，降低工程上的安裝與運維成本，為實現壓縮空氣泡沫滅火系統的關鍵技術國產化不斷努力。