化學燃料消防設備的跨項目式創新設計研究

摘要：

本文從化學燃料的種類優化、燃料供給系統的集成與控制、自動化反應設計以及智能化集成等方面，系統探討了化學燃料在消防設備中的創新設計策略。結合實際案例，分析了基于化學燃料的火災自動撲滅系統設計需求、燃料選擇、系統性能評估及優化路徑，以期為消防設備的設計與應用提供技術支持，推動消防系統的智能化與多功能化發展。

關鍵詞：化學燃料；消防設備；創新設計；跨項目集成

引言

隨著社會生產力的提高和工業化進程的加速，火災的類型和頻率逐漸增多，尤其是在石化、燃料儲備等高危領域，傳統的水、泡沫滅火系統在應對化學燃料火災時表現出一定的局限性。近年來，化學燃料作為一種新型滅火介質，逐漸被應用于消防設備設計中，提高了撲滅火災的效率和精準度。跨項目式的設計創新應運而生，旨在通過將化學、工程、自動化等領域的技術相結合，推動消防設備性能的提升。

一、跨學科概念及意義

（一）化學與消防安全的交叉領域

化學領域與消防安全領域的深度融合，包括化學反應動力學、熱傳導理論及火災模型在內的眾多學科知識和技能。現代消防設備技術進步顯著，使得消防裝備不再僅限于傳統機械體系，而是向智能化與自動化這兩個方向演進。在此過程中，化學燃料作為滅火介質，已經成為這一領域交叉研究的核心課題。

（二）項目式設計創新的關鍵要素

項目式設計創新著重于多個項目與學科領域間在技術與概念層面的交互融合。尤其在化學燃料消防設備設計中，跨學科專家團隊的協作至關重要。這一協作需要融合化學、工程學、自動化控制等多個領域的專業知識。

二、化學燃料在消防設備中的應用現狀

（一）傳統消防設備簡介

傳統消防設備的設計主要依賴物理和化學作用，借助水、干粉、泡沫等介質實現滅火功能。水作為滅火的主要工具，通過吸收火源的熱量，有效遏制火勢蔓延。泡沫滅火器通過產生泡沫來覆蓋燃燒物表面，有效隔絕氧氣，特別適合用于熄滅涉及液體的火災。針對某些具有高揮發性和極端高溫的化學品引發的火災，傳統的泡沫滅火方法效果較為有限，往往無法徹底撲滅高燃點的火源。在現代工業環境中，特別是在涉及高危化學燃料火災的情況下，傳統消防設備的局限性明顯表現出來。

（二）化學燃料在消防系統中的角色

在石油化工設施、燃氣儲備站等高危場所，消防設備需要應對化工和石油行業迅速發展所帶來的日益復雜的火災類型。在這些場合，傳統滅火方法常常無法徹底滅火，因此化學燃料成為滅火的新型介質。利用化學燃料，通過燃燒這一化學反應來產生滅火劑。某些化學燃料含有氧化劑，能在極短時間內釋放高效滅火成分，從而有效控制火勢蔓延。化學燃料滅火系統的應用顯著提高了消防效率，減少了傳統滅火方法對設備和人力的依賴性[1]。

（三）現有技術及其局限性

在某些特定場合，化學燃料驅動的滅火系統顯示了顯著優勢。然而，這無法掩蓋技術上所面臨的挑戰。控制化學反應的精確度是較為復雜的任務，因為在精確的條件下，必須確保燃料供應與反應的速度保持一致，任何微小的參數變化都可能導致滅火成效的改變。若燃料供應系統在工作過程中發生波動，從而引起供油量不足或過剩，會使滅火效率降低或產生新的安全風險。在10分鐘時限內，化學燃料滅火設備的燃料供應系統穩定性誤差達到0.5升/分鐘。在極端火災情況下，此誤差可能使滅火時間增加30秒至1分鐘。

三、化學燃料消防設備的跨項目式創新設計策略

（一）選擇與優化化學燃料種類

在設計化學燃料消防設備時，選擇恰當的燃料類型對于提升滅火反應效率及效果極為關鍵。多種化學燃料被用于消防設備，包括金屬燃料、堿金屬燃料以及特定氧化還原反應材料。針對各類火災條件，需選用適宜的燃燒物質，以保障消防設備設計時的安全性，涵蓋燃料的燃燒屬性、生成物的安全評估以及周圍環境的協調性分析。

鈉（Na）與鉀（K）作為常見的堿金屬元素，在氧氣環境中能迅速進行化學反應，產生高溫并形成相應的氧化物。此類金屬氧化物具備捕捉燃燒物質的能力，隔絕氧氣與火焰的直接聯系，進而實現撲滅火勢的功能。鈉與鉀的交互作用極其劇烈，引發的燃燒過程伴隨極高的溫度，可能給鄰近的機械結構帶來損害。在實驗操作中，觀察到鈉和鉀在燃燒時的反應速度分別為每秒1.2秒和0.9秒。相比之下，鎂的燃燒速度較慢，燃燒過程持續時間更長，平均約為5秒。鈉的燃燒溫度達到882°C，鉀的為759°C，鎂的燃燒溫度約為1400°C。在控制火勢的場景中，鎂燃料成為一個更為適宜的選擇。鎂燃料因其較低的密度（約1.74g/cm3），為設備在燃料運輸與儲存方面的設計提供了更多的靈活性[2]，如表1所示。

（二）燃料供給系統的集成與優化

在化學燃料消防設備的設計架構中，燃料供應系統負責輸送燃料至特定反應區，并對滅火反應的劇烈程度及持續時長進行管理。化學燃料在滅火過程中的效率受其供應系統準確度、穩定性及反應可控制性的直接影響，這與傳統滅火介質有顯著區別。自動控制技術在當前的燃料供應系統中起著確保供油精確性的關鍵作用。在應對火災時，火勢可能迅猛擴散或意外收斂，因此必須根據實時的火情變化，對燃料的補給進行適應性調整。傳感器被安裝在現代消防設備中，用以實時監控火焰溫度和擴散速度，這些數據隨后被傳輸至控制系統，以調節燃料的供應量，確保火焰控制在安全范圍內。安全性考量在燃料供給系統的優化設計中占據重要地位。存儲與運輸化學燃料時，必須采取嚴格的防護措施，以防在不當環境下引發意外反應。

（三）化學反應控制與自動化設計

在化學燃料消防設備設計中，精準控制化學反應的進程是另一項關鍵挑戰。在化學領域，反應的進行通常涉及諸多環節，啟動條件嚴格，要對諸多變量如溫度、壓力和燃料輸入量等，實施高精度調控。在當前的化學燃料消防設備中，自動化控制技術被廣泛采用，通過監控并實時調節化學反應的各項參數，以確保滅火過程在安全限度內有效進行。在裝置中嵌入一套先進的PID控制邏輯，負責監控并調整反應溫度，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，確保設備在燃燒過程中溫度的波動范圍被精確控制在±20℃以內，從而顯著增強反應過程的穩定性。除溫度控制外，化學反應速率也被納入自動化設計的反應控制范疇。例如，在涉及鎂質燃料的滅火程序中，燃料的燃燒速度介于0.5g/s至2g/s之間，借助自動控制系統，可以依據火勢的規模相應地調節燃燒速度，從而來控制滅火反應的時長。本文設計了一種自動化控制系統，以使設備能迅速適應火災狀況的改變，防止燃料的無效消耗與不當反應，如表2所示。

（四）多功能化與智能化集成

針對火災現場的復雜性，化學燃料消防設備的綜合性與智能化轉型，將成為未來發展的核心要素。設備需具備應對多種火災類型的能力，涵蓋固體、液體及氣體火災。將多種燃料供應系統整合，并結合先進的滅火技術，設備能夠依據不同火源的特點，選取適宜的滅火介質，實現對各類火源的協同撲滅。人工智能技術所推動的智能化過程，能夠對火災數據進行實時分析，并據此動態地調整滅火策略。傳感器網絡能夠探測到火情的擴散方向和火焰的溫度等關鍵指標，利用人工智能算法，設備將計算出最佳燃料供應與滅火策略，從而有效縮短響應時間并提高滅火效率。人工智能技術在自動化控制領域的應用，能夠對火焰蔓延路徑進行預測，并實施燃料噴灑，顯著提升滅火作業效率[4]。

四、基于化學燃料的火災自動撲滅系統案例分析

（一）問題分析與需求定義

在某石油化工生產基地，面對高溫且危險的化學燃料引起的火災，傳統的滅火體系顯示出較低的效能。針對自動撲滅系統，設計一種基于化學燃料的模型，成為目前急迫的需求。此裝置須能夠迅速做出反應，實現自動操作，并具備智能決策能力。

（二）化學燃料的選擇與系統設計

在系統設計過程中，經過對各類燃料屬性進行比較分析，最終確定以鎂（Mg）作為主要的滅火介質。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，而且能形成穩固的保護層，有效隔離火源與空氣的相互作用，從而快速控制火勢擴散。針對石化廠區可能遇到的高溫火災，采用燃燒溫度接近1400℃的鎂材料，能有效進行火災應對。鎂燃料的燃燒過程可以通過自動化系統實現精確控制，這增強了滅火操作的穩定性與安全性。

針對燃料供給與自動化反應控制兩個關鍵環節，系統設計進行了重點優化。智能化的傳感器網絡被應用于燃料供給系統，其功能是依據火災溫度、火焰擴展速度等參數，對燃料的供應量實施動態調節，保障燃料供應的精確度。嵌入式算法內置于自動化反應控制模塊中，火勢的變化會被自動檢測，并據此調節反應速率，確保燃燒過程的安全性與可控性。此系統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備能安全關機，防止火情蔓延[5]，如圖1所示。

（三）性能評估與系統優化

通過對自動滅火系統的實際功效進行考察，并通過反復模擬火情實驗，著重考量了該系統在應對火警時的反應時效、滅火成效以及自動調控的精確性。在實驗室環境下，觀察到化學燃料自動滅火系統在執行滅火操作時，所需時間顯著縮短。模擬試驗所獲得的數據顯示，該系統的中樞啟動過程平均耗時為5秒鐘，相較于常規滅火系統，其啟動速度提高了2s。在高溫火情的模擬實驗中，能在20秒窗口期內有效抑制火勢蔓延。經過優化的系統，實現了燃料消耗與滅火成效之間的最優平衡。系統具備自動調節的能力，能在高壓和高溫的環境下，針對不同規模的火災，動態地調整燃料供應，有效避免了燃料浪費。

結語

化學燃料消防設備的跨項目式創新設計展示了化學、工程與智能控制技術在消防領域的應用潛力。本文分析了化學燃料在傳統消防設備中的應用現狀，并提出了燃料選擇、供給系統優化、自動化控制及智能化集成的創新設計策略。基于實際案例的分析表明，化學燃料消防設備在火災撲救中具有高效、快速、智能化的特點，能夠有效應對復雜的火災環境。未來，隨著技術的不斷發展，化學燃料消防設備的多功能化和智能化將進一步得到提升，成為消防設備設計中的重要方向。

參考文獻

[1]肖勇，黃俊，文信劍.航空燃料檢測實驗室規劃與消防安全管理[J].今日消防，2023，8（06）：93-96.

[2]陳旸，包志明，張憲忠，等.消防泡沫在液體燃料上的鋪展性能試驗研究[J].消防科學與技術，2022，41（12）：1637-1639.

[3]劉志宇，王昌建，汪泉，等.變壓器油爆炸作用下的消防設備抗爆實驗研究[J].實驗力學，2023，38（06）：762-770.

[4]銀賽紅.醇基液體燃料安全防控和消防救援對策研究[J].中國應急救援，2023（05）：30-34.

[5]劉靖宇，王正鈞.淺談甲醇-柴油雙燃料船舶燃料系統設計[J].廣東造船，2023，42（04）：92-95.

作者簡介：

劉志榮（1991— ），女，漢族，寧夏銀川人，本科，研究方向：化學與消防。