化學燃料消防設備的跨項目式創(chuàng)新設計研究

摘要：

本文從化學燃料的種類優(yōu)化、燃料供給系統(tǒng)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(tǒng)探討了化學燃料在消防設備中的創(chuàng)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(tǒng)設計需求、燃料選擇、系統(tǒng)性能評估及優(yōu)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(tǒng)的智能化與多功能化發(fā)展。

關鍵詞：化學燃料；消防設備；創(chuàng)新設計；跨項目集成

引言

隨著社會生產(chǎn)力的提高和工業(yè)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(tǒng)的水、泡沫滅火系統(tǒng)在應對化學燃料火災時表現(xiàn)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(chuàng)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(xiàn)代消防設備技術進步顯著，使得消防裝備不再僅限于傳統(tǒng)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(jīng)成為這一領域交叉研究的核心課題。

（二）項目式設計創(chuàng)新的關鍵要素

項目式設計創(chuàng)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(xié)作至關重要。這一協(xié)作需要融合化學、工程學、自動化控制等多個領域的專業(yè)知識。

二、化學燃料在消防設備中的應用現(xiàn)狀

（一）傳統(tǒng)消防設備簡介

傳統(tǒng)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(xiàn)滅火功能。水作為滅火的主要工具，通過吸收火源的熱量，有效遏制火勢蔓延。泡沫滅火器通過產(chǎn)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(fā)性和極端高溫的化學品引發(fā)的火災，傳統(tǒng)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(xiàn)代工業(yè)環(huán)境中，特別是在涉及高危化學燃料火災的情況下，傳統(tǒng)消防設備的局限性明顯表現(xiàn)出來。

（二）化學燃料在消防系統(tǒng)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(yè)迅速發(fā)展所帶來的日益復雜的火災類型。在這些場合，傳統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)的應用顯著提高了消防效率，減少了傳統(tǒng)滅火方法對設備和人力的依賴性[1]。

（三）現(xiàn)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(tǒng)顯示了顯著優(yōu)勢。然而，這無法掩蓋技術上所面臨的挑戰(zhàn)。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(shù)變化都可能導致滅火成效的改變。若燃料供應系統(tǒng)在工作過程中發(fā)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(chǎn)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(tǒng)穩(wěn)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(chuàng)新設計策略

（一）選擇與優(yōu)化化學燃料種類

在設計化學燃料消防設備時，選擇恰當?shù)娜剂项愋蛯τ谔嵘郎缁鸱磻始靶Ч麡O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(huán)境的協(xié)調性分析。

鈉（Na）與鉀（K）作為常見的堿金屬元素，在氧氣環(huán)境中能迅速進行化學反應，產(chǎn)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(lián)系，進而實現(xiàn)撲滅火勢的功能。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(xù)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(tǒng)的集成與優(yōu)化

在化學燃料消防設備的設計架構中，燃料供應系統(tǒng)負責輸送燃料至特定反應區(qū)，并對滅火反應的劇烈程度及持續(xù)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(tǒng)準確度、穩(wěn)定性及反應可控制性的直接影響，這與傳統(tǒng)滅火介質有顯著區(qū)別。自動控制技術在當前的燃料供應系統(tǒng)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(jù)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(xiàn)代消防設備中，用以實時監(jiān)控火焰溫度和擴散速度，這些數(shù)據(jù)隨后被傳輸至控制系統(tǒng)，以調節(jié)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(tǒng)的優(yōu)化設計中占據(jù)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(huán)境下引發(fā)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(zhàn)。在化學領域，反應的進行通常涉及諸多環(huán)節(jié)，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(jiān)控并實時調節(jié)化學反應的各項參數(shù)，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(jiān)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(wěn)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(tǒng)，可以依據(jù)火勢的規(guī)模相應地調節(jié)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(tǒng)，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(xiàn)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(fā)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(tǒng)整合，并結合先進的滅火技術，設備能夠依據(jù)不同火源的特點，選取適宜的滅火介質，實現(xiàn)對各類火源的協(xié)同撲滅。人工智能技術所推動的智能化過程，能夠對火災數(shù)據(jù)進行實時分析，并據(jù)此動態(tài)地調整滅火策略。傳感器網(wǎng)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(yè)效率[4]。

四、基于化學燃料的火災自動撲滅系統(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，面對高溫且危險的化學燃料引起的火災，傳統(tǒng)的滅火體系顯示出較低的效能。針對自動撲滅系統(tǒng)，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(xiàn)自動操作，并具備智能決策能力。

（二）化學燃料的選擇與系統(tǒng)設計

在系統(tǒng)設計過程中，經(jīng)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(wěn)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(qū)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(tǒng)實現(xiàn)精確控制，這增強了滅火操作的穩(wěn)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(huán)節(jié)，系統(tǒng)設計進行了重點優(yōu)化。智能化的傳感器網(wǎng)絡被應用于燃料供給系統(tǒng)，其功能是依據(jù)火災溫度、火焰擴展速度等參數(shù)，對燃料的供應量實施動態(tài)調節(jié)，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(jù)此調節(jié)反應速率，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(tǒng)優(yōu)化

通過對自動滅火系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)境下，觀察到化學燃料自動滅火系統(tǒng)在執(zhí)行滅火操作時，所需時間顯著縮短。模擬試驗所獲得的數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)的中樞啟動過程平均耗時為5秒鐘，相較于常規(guī)滅火系統(tǒng)，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(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)，實現(xiàn)了燃料消耗與滅火成效之間的最優(yōu)平衡。系統(tǒng)具備自動調節(jié)的能力，能在高壓和高溫的環(huán)境下，針對不同規(guī)模的火災，動態(tài)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(chuàng)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(tǒng)消防設備中的應用現(xiàn)狀，并提出了燃料選擇、供給系統(tǒng)優(yōu)化、自動化控制及智能化集成的創(chuàng)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(huán)境。未來，隨著技術的不斷發(fā)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。

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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。