环泵式\压力式\平衡式泡沫比例混合流程在消防系统设计中的比较

摘要：分别介绍了环泵式、压力式、平衡式泡沫比例混合装置的结构组成、原理流程以及设计要点，分析比较了各个流程在消防系统设计中的优缺点，提出了设计中需要注意的若干问题。

关键词：环泵式泡沫比例混合装置；压力式泡沫比例混合装置；平衡式泡沫比例混合装置

中图分类号：O648文献标识码： A

随着我国经济建设的蓬勃发展，在石油、化学、船舶、港口码头等工业消防中，泡沫灭火系统得到越来越广泛的应用，同时也推动了相关产品的发展。近几年，在固定式泡沫灭火系统产品中发展较快、应用较广泛的产品是压力式泡沫比例混合装置和平衡式泡沫比例混合装置，与早期使用的环泵式泡沫比例混合装置相比，均有其不同的特点。

1、结构组成及原理流程

1.1环泵式泡沫比例混合装置

环泵式泡沫比例混合装置是固定式泡沫消防系统和泡沫消防车提供泡沫液的重要设备。消防系统主要由消防水泵、环泵式泡沫比例混合器（以下简称“负压比例混合器”）、储罐以及泡沫产生设备配管和管件等组成。负压比例混合器安装于一个小循环系统中，它以消防水泵输出液流为动力，由负压比例混合器的喷射效应，从储液罐中吸取泡沫液，与水混合而形成泡沫混合液。

负压比例混合器由调节手柄、指示牌、阀体、调节球阀、喷嘴、混合室和扩散管组成。调节手柄用于调节混合液流量；调节球阀设4~5个口径不同的孔控制泡沫液流量；阀体是球阀的外壳；指示牌用于指示混合液数量，其指针与调节球阀各档位流量相对应；喷嘴是用于在混合室内产生真空度的；混合室是泡沫液和水的汇合处；扩散管使混合液的动能转变为压能。在安装时，负压比例混合器的喷嘴端与消防泵出水管相连，扩散管端与消防泵进水管相连。

该装置的工作原理为：消防泵启动后，带压水流经进水阀和负压比例混合器进水管，进入负压比例混合器。在负压比例混合器内，水流经喷嘴和混合室，进入扩散管，再由扩散管经出液管和水泵进水管进入消防水泵。在循环中，由于喷嘴喷射效应，在混合室中形成负压，储罐中的泡沫液在大气压的作用下，经吸液管和吸液阀进入混合室与水混合。泡沫混合液经出液管和水泵进水管进入水泵，进一步搅拌混合。经混合均匀的泡沫混合液大部分由水泵输往泡沫灭火系统，少部分返回负压比例混合器继续实施吸液。在这样不断循环中，供给泡沫灭火系统（泡沫产生器、泡沫钩管或泡沫枪、炮等其它喷射设备）所需泡沫混合液。

1.2压力式泡沫比例混合装置

压力式泡沫比例混合装置工作系统由正压比例混合器、压力式泡沫液罐、压力水管道、泡沫液管道、混合液管道及阀门等组成。

压力式泡沫比例混合装置原理为：由消防泵送出的压力水经过消防压力水输送管道进入压力比例混合器，一股水流入泡沫液贮罐，将罐内的泡沫液压出，泡沫液经过泡沫管道进入压力比例混合器，在混合器内与喷咀后以一定速度喷出的进入压力比例混合器的另一股水，按一定的比例配置成混合液并流出混合器，经混合液管道送入泡沫产生器等喷射装置，产生泡沫进行灭火。

1.3平衡式泡沫比例混合装置

平衡式泡沫比例混合装置通常由泡沫液储罐、泡沫液泵、泡沫比例混合器、压力平衡阀组以及相应阀门、仪表和管路组成。消防时消防泡沫供水泵启动，装置即可自行启动，只要保持消防水压力，它就可以始终正常工作。

该装置的工作原理（以水力驱动式为例）为：以消防泡沫供水系统的部分压力水作为动力水，驱动水轮机带动泡沫液泵将来自泡沫液储罐的泡沫液升压，经平衡阀调节后，供给平衡压力式比例混合器，使泡沫液与水按一定比例混合，在消防水驱动下将泡沫混合液送到泡沫产生器或其它泡沫消防设备。

2、设计要点及优缺点对比

2.1环泵式泡沫比例混合装置

前些年，在石油化工企业生产装置以及石油库的消防设计中，环泵式泡沫灭火占据了重要位置。该流程一般要求泡沫泵进水压不应大于3m水柱，以保持灭火剂处于负压吸入状态，其吸液口比泡沫液储罐的最低液位不得高于1m，以保证吸液率达到混合比要求。

（1）在系统设计中，为保证比例混合器吸入的泡沫液以6：94或3：97（即6%或3%的泡沫混合液的浓度）的比例输出，要求消防泵吸入端的水压力必须维持负压，或至少为零。为此，就要设置消防水池（或吸水井）以形成负压水源。因为如果在消防水泵吸入端的水压力为正压时，水泵吸入口的真空度降低，压力水经过泡沫比例混合器后所吸入的泡沫液将会减少，甚至泡沫混合液达不到所要求的6%（3%）的浓度，并将影响灭火效果。更有甚者，及致吸水池（井）的水经泡沫液吸入管倒流到泡沫液储罐中，导致污染泡沫液，灭火性能受到破坏；

（2）为在一旦得到火警报警后能在最短时间内启动消防泵，尽快将水和泡沫混合液输送至泡沫产生器，以利灭火。因此，《建筑设计防火规范》(GB50016-2006) （以下简称“建规”） 8.6.6条与《石油天然气工程设计防火规范》(GB50183-2004)（以下简称“油规”）8.8.5条均提出“消防水泵应采用自灌式引水”。据资料介绍：在环泵式比例混合流程的消防系统中，当消防水池最高水位比消防泡沫泵轴线高0.3m左右时，该消防系统建成后未能投入正常运行。该泵在未设置底阀的条件下，直至采用了真空引水灌泵技术后才可靠的投入使用。“建规”8.6.9条提出“消防水泵应保证在火警后30s内启动”。在采用真空泵引水设备或其它抽空引水装置来启动消防水泵时，如处理不当，就有可能发生延误扑救火灾的时机。所以，在环泵式比例混合流程里，比例混合器的使用条件限制了泡沫系统的合理选择，给设计形成无所适从的状况；

（3）在采用环泵式比例混合流程时，泡沫液储罐应设置在消防泵附近。在输送泡沫混合液时，要先充满消防泵到泡沫产生器之间的泡沫混合液输送管道后才能进入泡沫产生器产生泡沫。在消防泵房与灭火对象距离相对较长时，泡沫液储量相对要大，由于要充满输液管道，相对要推迟灭火时间。在这种情况下，要做到在接到火警后以最少的时间将水和泡沫混合液输送到泡沫产生器会存在困难。

(4) 在环泵式比例混合流程中，比例混合器进口工作压力的大小取决于满足所配用的空气泡沫产生器或喷射设备标定的工作压力。在此条件下，混合器内的泡沫液与水按规定比例混合。但是当配用的空气泡沫产生器或喷射设备的工作压力为非标定工作压力时，而混合器仍按规定的进口压力范围工作，吸取、输送的泡沫混合液量保持不变，而实际混合液量发生变化了，致使泡沫液与水的比例也将发生变化。

2.2压力式泡沫比例混合装置

鉴于环泵式比例混合流程存在上述局限性，我们目前在设计中常被压力比例混合流程取代，相对易解决上述存在的问题。

（1）压力比例混合流程与环泵式比例混合流程相比较，从某种意义上讲，受局限的因素相对较少。在固定式压力比例混合流程消防系统中，消防水池设计最高水位比消防泵轴线均高2~3米，这样做到了完全自灌式引水启动消防泵的要求，就能迅速、可靠地启动消防水泵，为泵提供了压力水源，取代了真空引水灌泵启动的操作过程，节省了时间；

（2）由压力比例混合器和配套的泡沫液罐组成的压力式泡沫比例混合装置适应能力强。在消防泵与生产装置或库区等灭火对象距离较长时，可将压力式泡沫比例混合装置设置在生产装置附近的界区内（储罐区围堰外的防火安全距离外）。在消防压力水管道迅即增压到压力比例混合器额定使用压力时，即可操作压力比例混合器的各阀门，能在最短时间内将泡沫混合液送到泡沫产生器上，方便操作，达到及时有效的灭火目的，并严格遵守了“油规”8.8.2条“消防泵房的位置应保证启泵后5min内，将泡沫混合液送到任何一个着火点”。

（3）在采用压力式泡沫比例混合流程消防系统时，是按所配用的空气泡沫产生器的工作压力及管道沿程水力损失来计算压力比例混合器的进口压力，其压力只要在0.6~1.2MPa范围内，混合器都能将泡沫液和水按规定的比例混合，相较而言，混合比例较为稳定；

（4）在压力式泡沫比例混合流程中，消防系统中的消防泵房至泡沫液储罐间只需一条消防压力水管道及时供水，在此管道内由于不输送泡沫混合液，也就不存在环泵式流程中泡沫混合液管道通常有的沉积、腐蚀和放空、清洗等工作。

2.3平衡式泡沫比例混合装置

在泡沫消防系统中，大规模泡沫消防工程对泡沫混合液的供给源提升了更高的要求。平衡式泡沫比例混合装置除了与压力式泡沫比例混合装置一样具有混合比精度高、压力损失小、流量压力范围广的特点外，还具有可靠性更高、泡沫液储量范围更大、结构设计更加灵活等诸多优点，尤其适用于大中型石油化工、油库等场所的泡沫消防系统。

在各种油库规定与标准中，也首推这种流程。如：《中国石油成品油库标准化手册设计技术统一规定》（2007年版）中提到“固定顶油罐、内浮顶油罐单罐油罐容量大于或等于10000m3采用平衡压力式泡沫比例混合流程”； 在《石油储备库工程项目建设标准》（建标119―2009）中第四十三条提到“泡沫混合装置应采用平衡压力式泡沫比例混合流程”。

结合平衡压力式泡沫比例混合装置在大型国家石油储备库工程消防设计中的应用，总结出如下设计要点：

（1）当泡沫站无人值守，且距离油库的管理区较远时，泡沫液储罐的进出液阀必须设置为可以遥控的阀门，否则，消防时不仅使平衡压力式泡沫比例混合装置无法工作，还会贻误消防灭火的时机。同时，针对整个消防系统，火灾探测、报警等一套控制措施仍然是必需的；

（2）由于水轮机需要依靠消防压力水工作，因此在系统设计中需要考虑到水轮机的用水量。当装置采用3 %泡沫液时，水轮机用水量取设计混合液流量的10 % ；若装置采用6 %泡沫液时，水轮机用水量取设计流量的20 %；

（3）泡沫液泵应采用具有较高性能的齿轮泵。齿轮泵具有平坦的流量―压力性能曲线，且出口压力由背压决定。因此，齿轮泵输出的泡沫液压力会随系统压力变化而改变，减轻了持压阀及压力平衡法应该调节的压差，从而提高压力平衡的精度。另一方面，由于所输送的介质为泡沫液，各种泡沫液都具有一定的粘度和腐蚀性，因此，要求泡沫液泵具有较强的抽吸能力且不受泡沫液粘度的影响。采用特殊的齿轮泵可以满足这些要求；

（4）平衡式压力比例混合器的泡沫液进口压力应大于水进口压力，但其压差不应大于0.2MPa；

（5）平衡式压力比例混合器应能使泡沫混合液在设计范围内的混合比不小于其额定值，也不得大于其额定值的30%，且实际混合比与额定混合比之差不得大于1个百分点；

（6）泡沫液储罐宜采用耐腐蚀材料制作，其上应设置液面计、排渣孔、进料孔、人孔、取样口、呼吸阀或带控制阀的通气管。

较环泵式与压力式泡沫比例混合流程而言，平衡式泡沫比例混合流程具有如下优点：

（1）与水力驱动式平衡压力泡沫比例混合装置配套的泡沫液储罐不再是压力容器，而是一般常压泡沫液储罐；与传统的压力囊式泡沫液储罐比较，常压泡沫液储罐避免了因胶囊损坏造成的损失和较高的压力容器制造费用；与环泵式流程中分隔式储罐比较，避免了因进水阀损坏或误动作使消防水进入腔体而造成泡沫液的浪费；

（2）装置可适用于蛋白、氟蛋白、水成膜等任何泡沫灭火剂；

（3）装置安装调试、补充泡沫简单易行；泡沫液还可在装置灭火使用过程中添加；

（4）压力平衡阀可动态调节确保混合比更为准确；

（5）泡沫液泵注入泡沫液的供给方式使得泡沫混合液工作压力和流量有较大的适应范围。

3、结语

鉴于上述比较，平衡式泡沫比例混合装置本着在满足安全和功能需要的前提条件下，严格执行国家资源能源节约、生态环境保护的各项法规和政策，做到安全可靠、技术先进、经济合理，在固定式泡沫消防系统已引起石油化工企业里安全技术部门的重视，正被更多设计人员所了解认识，并在大中型石油化工、油库工程中得到越来越广泛的应用，前景可观。

参考文献:

［1］中华人民共和国国家标准：《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)，国家质检总局，2006；

［2］中华人民共和国国家标准：《石油天然气工程设计防火规范》(GB50183-2004)，国家质检总局, 2004；

［3］《中国石油成品油库标准化手册设计技术统一规定》（2007年版）中国石油天然气股份有限公司

［4］《石油储备库工程项目建设标准》（建标119―2009） 中华人民共和国住房和城乡建设部中华人民共和国国家发展和改革委员会, 2009

［5］邱心鹏，吴海卫《平衡压力式泡沫比例混合装置》油气田地面工程，2009，28（6）： 87-88。