激光焊風機自主滅火系統的研究與實現

蘇鳴宙 吳碧云

上汽大眾汽車有限公司安亭汽車二廠 上海市 201805

1 引言

在生產車間中，打磨灰塵、焊接煙塵等粉塵均為可燃物，由吸風系統進行收集。其中，由于激光焊煙塵量大、焊接溫度高的特點，激光焊風機的粉塵收集率高，常常造成過濾網堵塞，極大增加了火災、火警時間的風險。吸風系統的有效運行與車間的生產安全、工作人員的生命安全息息相關，激光焊風機是吸風系統的重要組成部分。特別是，公司規劃部門制定《激光焊消防設施配置標準（20190630）》，進一步對激光焊風機消防防護提出了更高要求。因此，在激光焊風機中配置自主滅火系統，保證車間吸風系統能夠穩定、高效、安全、可控的運行具有重要意義。

2 激光焊風機自主滅火系統的方案設想

2.1 車間現狀

現階段，車間中的激光焊風機處于“零監控”狀態，一旦發生自燃、陰燃等情況，如未得到及時、有效的處置，后果不堪設想。例如，在某次安全排查中發現，風機過濾箱中存在一個濾筒發生陰燃，周圍三個濾筒已經被熏黑的情況。車間現場上被熏黑的斑駁的墻壁，正無聲的宣示著風機系統“零監控”狀態的風險與隱患，車間風機的消防防護工作較為被動，亟待進一步優化和改造。

2.2 市場現有改進設備

經調研，現有的激光焊風機可以選配二氧化碳自動滅火裝置，配備3.5kg的滅火劑，達到對火災能夠自主監控的效果。同時，該設備也存在一定的短板，一是設備費用投入和維護成本高，每臺費用約3.5萬元，且每次險情另付140元處理費以及部分維護費用，使用壽命為10年；二是滅火失效短，長期高溫和大量的可燃物，極可能發生復燃事件；三是火情部分可控，滅火劑僅為3.5kg，如火勢較大、燃燒范圍較廣則難以控制。

2.3 基于惰性氣體的激光焊風機自主滅火系統

經研究現有風機的電路結構，作者對現有設備進行了優化改造，一是引入溫感系統，實時監控風機設備的機體表面溫度；二是引入聲光報警系統，當機體表面溫度高于警報閾值時，驅動聲光報警；三是引入電磁閥和繼電器，溫度達到閾值后，驅動電磁閥接入惰性氣體，驅動繼電器斷開風機電源。利用惰性氣體比重重于空氣的特點，通過窒息滅火法，降低燃燒物周圍氧氣濃度從未起到滅火效果，且氣體供應持久，可以完全控制火勢進展，達到主動控制、完全可控的效果。

3 激光焊風機自主滅火系統的實驗驗證

3.1 惰性氣體

氣體滅火系統通常是指滅火劑以液體、液化氣或者純氣體狀態存儲處于壓力罐中，在使用時以氣霧狀態噴射作為滅火介質，達到隔絕氧氣、阻斷燃燒條件的滅火系統，具有綠色環保、無二次分解物、滅火保護時間長、價格低廉等優點。在消防工作中，常見的惰性氣體為氬氣、氮氣、二氧化碳等阻止燃燒反應發生的氣體或液體。在本次試驗中，作者選取了80%氬氣和20%二氧化碳的混合物作為實驗氣體。

3.2 實驗設計

為驗證惰性氣體混合物在不同燃燒物燃燒狀態的抑制速度和抑制效果，實驗分別設置了4組對照物，選取了燃燒的乙醇（99.5%）作為樣本一，模擬明火；燃燒的木炭作為樣本二，模擬板結成塊的粉塵；燃燒的蚊香作為樣本三，模擬陰燃的粉塵；燃燒的無紡布作為樣本四，模擬其他可燃異物。在燃燒開始后，注入惰性氣體，分別檢測四組樣本在15秒、10分鐘、13分鐘后的燃燒狀態和燃燒溫度，以及在脫離實驗環境后，四組樣本的復燃情況。

3.3 實驗結論

實驗開始，四組樣本均處于燃燒狀態，溫度高于32度，發出溫度警報；持續注入惰性氣體15秒后，燃燒的乙醇（樣本一）和燃燒的無紡布（樣本四）熄滅，燃燒的木炭（樣本二）和燃燒的蚊香（樣本三）依舊處于燒紅狀態；7分40秒后，四組樣本均處于熄滅狀態且已無余溫。

需要說明的是，為了保障實驗的可視性，本次實驗所用的混合氣體壓力為0.05mpa，實際工作中最大壓強為0.3mpa，是實驗的6倍。理論上，滅火效果應為達到現在滅火水平的6倍。

3.4 實驗結論

從整個實驗過程來看，15秒后明火熄滅；117秒后，燃燒反應均得到有效抑制，放熱反應及溫度呈下降趨勢；7分40秒后，燃燒樣本均熄滅，實驗溫度回歸正常。脫離實驗環境后（充分暴露在空氣中），四組樣本仍然具有可燃性，且均沒有復燃，充分證明四組樣本已完全處于熄滅狀態。

實驗可以充分證明，惰性混合氣體可快速熄滅明火、抑制燃燒進展，有效阻止陰燃事件發生。

表1 四組樣本燃燒情況表

4 激光焊風機自主滅火系統的經濟效益

4.1 現狀及引入現有設備的成本測算

在企業生產中，安全和效益均是決定企業是否盈利的關鍵因素。按照國家有關消防要求及公司戰略部署，改善現階段車間激光焊風機消防防護水平勢在必行。現階段，激光焊風機消防系統處于“零防護”狀態，缺乏實時有效的安全監控，一旦發生火災事件，輕則造成設備資產損失，重則造成人員傷亡，損失無法估計。

為解決上述問題，從根源上杜絕火災事件發生，作者對現生產所用的激光焊風機進行充分研究，并對市場設備詳細調研，現有吸風設備可以選裝二氧化碳自動滅火裝置：平均每年使用成本約3528元。

該設備可實現功能：一是帶溫度探測，檢測腔體內部溫度變化進行滅火；二是帶有聲光報警系統，并可手動釋放。從工作實際出發，該設備存在以下風險點：一是火情控制能力受二氧化碳滅火劑量影響，滅火持久力較弱，僅可在短時間內控制火情蔓延；二是缺乏風機電源阻斷裝置，無法從根源上解決問題。針對該設備的功能及局限性，作者使用現有元件設備對激光焊風機進行升級改造。

圖1 某二氧化碳自動滅火裝置

4.2 激光焊風機自主滅火系統的改造方案設計和實施使用

本著利舊優化、節約成本的原則，為實現溫度監控、高溫報警、自動斷電、自動輸氣滅火等功能，作者按照圖2示意圖，充分利用自主加工、網絡、車間拆卸舊物等，準備了24V變壓器、貼片式溫度傳感器、溫度控制器、繼電器、電磁閥、聲光報警燈、專用氣接頭、電氣柜箱、單次滅火用氣等設備裝置，對激光焊電機自主滅火系統進行實現，并進行安裝調試。

圖2 激光焊風機自主滅火系統示意圖

現激光焊風機自主滅火系統整機已完成安全及調試，并投入使用。實體如圖3所示。設備共分為五個模塊，如光標所示，圖標1是惰性氣體注入口接入由PLC控制，PLC與溫度傳感器連接，當溫度高于32攝氏度時，驅動電磁閥惰性氣體入口打開；圖標2是溫度傳感器，32攝氏度為警報閾值；圖標3是電磁閥與PLC，是主要控制模塊；圖標4是聲光報警燈，一旦溫度高于32攝氏度，聲光報警燈響；圖標5是繼電器斷路開關，溫度高于32攝氏度，PLC驅動繼電器斷路開關打開，切斷風機工作供電。

圖3 激光焊風機自主滅火系統實物圖

4.3 激光焊風機自主滅火系統的經濟測算

系統的實現成本是能否投入量化使用的關鍵。考慮到企業設備更新換代快的特點，許多老舊的零部件依然能夠正常使用，作者充分利用現有資源，改造實現了激光焊風機自主滅火系統，設備投入成本詳見表2。

表2 激光焊風機自主滅火系統投入設備成本測算

從上表可以看出，投入成本中僅有“滅火用氣”為變量，作者對單次用氣成本進行測算， 根據現有的惰性氣體滅火標準，混合氣體不屬于常規的滅火氣體，同時，為便于計算，本次測算先按照氬氣滅火進行測算，再根據混合氣體比例構成測算混合氣體總用量。具體如下。

實際滅火對象主要為焊渣、金屬化合物及灰塵等，按照現行國家標準GB4968-85《火災分類》的規定，屬于固體物質類火災，可以定義為A類火災，藥量滅火濃度按照36.2%計算。假設，滅火藥劑氣體為勻速流入，則用藥劑量的計算公式：

其中：

為保護區環境溫度；

為0.56119在每1013米內；

為0.00205在每1013米內；

為藥劑滅火濃度；

為保護區體積；

為藥劑用量。

在工作環境中中，V為1.03平米，T為25攝氏度，C為36.2，為0.56119；為0.00205，代入公式后為：

根據上述公式可得出Q為0.745kg。按照80%氬氣和20%二氧化碳的混合氣體比例，則混合氣體總需求為0.931kg，其中，氬氣占0.745kg，二氧化碳占0.186kg。經換算，單次滅火所需混合氣體約0.346立方米。經調研了解，每立方米混合氣體售價為3.83元，則單次滅火氣體費用約1.32元。

綜上，激光焊風機自主滅火系統具備可長時間工作、完全可監控的明顯優勢，且經濟成本低廉，完全兼顧企業的經濟效益和安全需求。

5 結語

風機系統承擔整個車間的空氣除塵凈化工作，特別是激光焊風機是重中之重，風機系統的安全運轉是保證工作和工作人員安全的關鍵。隨著國家和企業對安全生產的關注和重視，在高效的前提下，節約資源、壓縮成本、自主創新，充分體現了企業一線工作者嚴謹認真的工作態度、求真務實的鉆研精神和敢想敢干的工作熱情。本文提出的激光焊風機自主滅火系統既保證風機系統及各項工作的運行安全，又極大程度的壓縮了設備投入成本，最終創新性的解決了實際工作困難，實現了火災的自主監控、完全可控。