蔡 峥，陈宇曦，李何伟，王 宇，韩 焦，赵 雷，李建鸿

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213025；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100）

上世纪90 年代初期，±500 kV 葛洲坝—上海直流输电工程的成功投运，标志着我国输变电技术向世界领先水平成功迈出第一步，中国超高压直流输电建设也由此进入了一个快速发展时期。

直流输电行业最核心的技术通常集中在换流站内，换流站是高压直流输电系统为了完成交、直流电的相互转换，同时使电力系统更加安全稳定运行、产出高质量电能而建立的站点。站内大型电力变压器大多是利用油来绝缘和散热，存在着较大的消防安全隐患。若站内发生火灾事故，轻则损坏开关设备导致单级停运，重则烧毁换流设备迫使停产检修影响电力输送，甚至危及跨区电网的运行安全[1]。站内消防安全历来是电网消防安全的重中之重，为保证站内消防安全，降低火灾危害性，保障生命财产安全[2]，消防工程应将“预防为主，防消结合”作为产品设计的方针，严格按照国家消防设计规范和标准执行，追求技术领先、经济可靠的同时，从根源上解决消防安全问题。

传统泡沫灭火系统将消防用水和泡沫原液按一定比例混合，工作过程基于文丘里管原理：高速水流在主管道内产生负压，将泡沫原液从储罐内吸入主管道进行预混合，然后在泡沫产生装置末端喷射腔发泡，最终将灭火用泡沫喷至火灾现场，从而达到扑灭火焰的目的。压缩空气泡沫灭火系统则是一种可用于换流站内的升级产品，相较于传统泡沫灭火系统，其具有高效、低耗、多用、质轻和环保等诸多优点[3]。目前，压缩空气泡沫灭火系统中的大部分关键设备都缺乏自主技术的积累，而进口设备采购和维护的价格昂贵，很大程度上限制了压缩空气泡沫灭火系统在国内市场的推广。为了推进压缩空气泡沫灭火系统实现国产自主化，对其关键设备的研究需求尤为迫切。本文将着眼于压缩空气泡沫灭火系统中关键设备之一的泡沫混合器（也称为泡沫比例混合器），针对其目前的研究及应用现状进行梳理，横向对比不同类型产品的优劣，同时对换流站消防工程的后续发展方向提出展望。

1 压缩空气泡沫系统介绍

压缩空气泡沫系统也称为CAFS（Com-pressed Air Foam System），其主要由动力泵、空压机、混合器、阀门、控制单元及相关连接管路等部件组成。系统工作原理如下：系统通过动力泵先将有压水同泡沫添加剂按一定比例进行液-液混合，然后再与空压机输送的压缩空气按一定比例进行气-液混合，在水路中预混合后会产生颗粒小但大小均匀、稳定且不易破碎的高质量泡沫，最终通过系统末端的喷射装置喷射到火灾现场，实现保护设备和工作场地的目的。系统组成原理如图1 所示。

图1 系统组成原理图

结合压缩空气泡沫灭火系统的工作原理分析可知，泡沫混合器可以称为整个工作系统的“心脏”，也是生产高质量压缩空气泡沫的第一道生产线。其主要作用是将泡沫原液与水混合成一定比例的泡沫混合液，通常其混合比的调节范围在0.1%～6.0%之间[4]。理想的泡沫混合液既可以使泡沫灭火的效果达到最佳，也可以大大减少灭火用水量，减轻系统的储水需求和设备的占地需求，同时还能节约大量水资源，带来的社会与经济效益非常显著。

2 泡沫混合器分类

目前，市面上已投入泡沫灭火系统中使用的泡沫混合器类型多样，根据其结构和工作原理的不同，本文主要针对以下几种类型进行介绍：管线式、环泵式、压力式、平衡压力式和计量注入式。

2.1 管线式

管线式泡沫混合器又称负压管线式泡沫混合器，其设计基于文丘里管原理，内部的喷嘴和扩散管为其核心部件，两者对接处形成喉道，由于流体的速度随流通横截面积的减小而上升，因此喉道处流速将达到最大值，静态压力达到最小值，泡沫储液会被负压抽取到主流道内与水进行混合，从而形成一定比例的泡沫混合液。管线式泡沫混合器的工作原理如图2 所示。系统整个工作过程如下：工作泵首先将水送入混合器入口端，压力水经过入口端的喷嘴后增速降压，在喷嘴与扩散管之间的喉道处形成负压，由于大气压的作用，泡沫液储罐中的泡沫液会在压差的作用下进入混合器内，最终与压力水按一定比例混合，混合液流经泡沫喷射设备时逐渐发泡，并经喷射口喷出从而达到泡沫灭火的效果。

图2 管线式泡沫混合器工作原理图

管线式泡沫混合器整体压损超过进口水压的三分之一，在低倍数泡沫灭火系统中，为形成良好的泡沫，通常要求混合器出口压力应大于出口至产生装置之间水头损失与产生装置进口所需压力之和，而高倍数泡沫灭火系统中使用管线式泡沫混合器时，要求混合器进口水压应在0.6～1.2 MPa 之间，水流量在9～54 m3/h 之间。该形式的泡沫混合器结构简单，成本优势大，但其流量范围较小，压力损失较大，混合比调节困难，产品柔性差等缺点一定程度上限制了它的使用及推广。

2.2 环泵式

环泵式泡沫混合器与管线式类似，都是基于文丘里管原理设计，都属于负压式泡沫混合器。环泵式泡沫混合器通常安装在主管路外的一个环形旁路，旁路进口接主管路水泵出口，旁路出口接主管路水泵进口，形成环形回路系统，也因此得名“环泵式”。

环泵式泡沫混合器工作原理如图3 所示，其工作过程大致如下：水泵输出压力水大部分沿主管流向泡沫产生装置出口，小部分流量则经旁路流向混合器本体，支流经过混合器本体时在混合腔内形成一定负压，而外部泡沫储液在压差作用下进入腔内与水流混合，然后预混液再次进入水泵，按上述循环混合一段时间后，出口泡沫混合液便可达到预设的混合要求。另外，泡沫吸液口在设计时应不高于泡沫储液最低液面，因为如果当泡沫混合器出口背压大于零时，吸液口直接与大气相连，内部水会倒流入泡沫液储罐，导致污染原液。

图3 环泵式泡沫混合器工作原理图

结合原理进一步分析可知，水泵进出口压力、泡沫混合器吸液高度（混合器与泡沫储液液面之间的高差）等因素是影响混合效果的主要因素。在一定范围内，水泵进口压力越低，泡沫液混合比越高，反之混合比越低，进口零压或负压较为理想；当进口压力一定时，水泵出口压力越高，泡沫液混合比越高，反之越低；常压下泡沫储液液面相对混合器越高，其混合比越高，反之越低[5]。

环泵式泡沫混合器产品结构简单，且通常配套使用常压泡沫储液罐，兼顾了制造成本低和运维方便的优势。然而，常压储罐的开式循环系统也面临水泵进出口压差不可控、泡沫储液液面与混合器存在高差等问题，导致其混合比不稳定，易受影响。实际工程中，为保证消防工作可靠运行，通常该环泵系统内泡沫混合器的数量都会设置冗余量。

2.3 压力式

压力式泡沫混合器主要由混合器本体、压力储罐、管路、减压孔板和相应阀门构成，根据结构形式的不同可以分为无囊式和囊式。如图4、图5 所示分别为无囊式和囊式压力泡沫混合器的工作原理图，两种类型混合器虽然结构形式有差异，但其实工作原理是相通的。

图4 无囊式压力泡沫混合器工作原理图

图5 囊式压力泡沫混合器工作原理图

通常压力式泡沫混合器本体处于主水管路中，与压力储罐之间通过进出支管连接，其工作过程大致如下：主管中的有压水进入泡沫混合器本体，经过内部减压孔板的减压后，在孔板前后形成压差，此时高压侧水通过支管进入压力储罐内，压力储罐内的泡沫液则被压入低压侧的混合腔内，实现泡沫液与水的混合。由此可知，减压孔板是调控混合比的关键部件，一般通过更换孔板大小改变前后压差，可以实现不同混合比，从而达到精确混合的目的。

压力式泡沫混合器适用于分散设置独立泡沫站的石油化工生产装置区，由于其特殊的混合调节方式，使得其产出的混合液比例相当稳定，且该形式下的泡沫原液与水是互相分开的，可分多次使用。另外该类型为一体化独立装置，安装方便，配置简单，系统相对稳定，便于实现自动化控制。压力式泡沫混合器通过更改减压孔板结构来改变混合比的方式简单实用，在消防工程不同需求的应用上优势十分明显。

但进一步分析可知，经水流后孔板截面是急剧收缩的，因此孔板前后易产生扰动，出现气穴、旋涡和尾流等现象，导致整体压损较大，因此流量可调范围也相对较窄[6]。另一方面，装置内关键阀门在一侧长期高压的情况下，较容易出现渗漏的问题，若因渗漏或密封问题导致泡沫液储罐进水，泡沫原液失效，不仅会严重影响后续泡沫产出效果，还会由于一体化程度高，事故处理较困难，导致损耗成本较大。囊式压力泡沫混合器的囊通常由橡胶制成，橡胶长期浸泡于液体中会导致其材料老化，必须时刻注意其带来的渗漏隐患，有的装置将囊的接口放在了储罐底部，接口处因长期受压有泡沫液渗漏的风险，一旦胶囊破漏，整个系统就将失效。

根据《低倍数泡沫灭火系统设计规范》的要求，压力比例混合器单罐容积不宜大于10 m3，对于无囊压力式混合系统来说，当单罐容积大于5 m3且储罐内无分隔设施时，会导致系统试验与检修进行困难，故障发现困难，无法实现泡沫原液在线补充，这些问题也导致该类型泡沫混合器的工程应用十分受限。

2.4 平衡压力式

平衡压力式泡沫混合器一般由泡沫液动力泵、混合器本体、控制阀门、过滤结构和连接管道等部件组成，其工作原理如图6 所示。工作过程如下：泡沫液泵工作，将泡沫原液输送至混合器本体，在压力控制阀的作用下，部分泡沫液通过支路回流到泡沫液储罐。其中，压力控制阀通过控制支路回流泡沫液的流量达到控制混合比的效果，压力控制阀主要由隔膜腔、阀杆和节流阀组成，隔膜腔分为上下两部分，下部空间与泡沫液动力泵出口相通，上部空间与主管道相连。当系统供水量增大时，水压升高，腔内隔膜膨胀，带动阀杆向下伸长，此时节流阀开度减小，泡沫液回流量减少，系统输送至与水混合的泡沫液用量便会相应增大。该形式的混合器在工程实际运行过程中，为了获取更稳定且高质量的泡沫，宜满足以下三点要求：压力控制阀的泡沫液进口压力应大于水进口压力；混合器的泡沫液进口管道应设置单向阀防止水回流；泡沫液管道上宜设置冲洗及放空结构，便于在线检修。

图6 平衡压力式泡沫混合器工作原理图

平衡压力式泡沫混合比稳定，可调精度较高，适用流量范围较大，且使用常压储罐储存泡沫液，可实现在线补充泡沫原液，运维受限较小。该形式泡沫混合器适用范围较广，尤其适合在设置有若干个独立泡沫站的大型甲、乙、丙类液体储罐区，多采用水力驱动式平衡压力比例混合装置。就目前市场应用来说，其劣势在于造价较高，且调试工作必须由专业人员在安装现场进行，产品的推广应用受专业性的限制较大。

2.5 计量注入式

计量注入式泡沫混合器最大的特点是依靠信息化、自动化和领先化的监测与控制技术来实现混合比的调控，克服了其他类型泡沫混合装置流量范围小、混合比调节不准确和难以实现在线补液等缺点，为大型消防场所的数字化控制开启了一个新篇章，是目前国内技术最先进的消防工程泡沫混合装置。该装置的工程应用设计规范已于2008 年编入最新的GB 50151《泡沫灭火系统设计规范》国家标准，属于工业消防泡沫灭火系统的首推产品[7]。

计量注入式泡沫混合器主要由泡沫泵、水泵、信号监控采集设备、控制电缆、电控器、阀门、液储罐和连接管道等部件组成，其工作原理如图7 所示。其基本原理为：利用流量变送器实时监控系统运行情况，将采集的流量信号持续向电控逻辑装置反馈，装置接收到信号变化后，输出控制信号，并利用变频泵来控制泡沫液按合适的流量供给，以达到调节和维持混合比的目的[8]。另外，泡沫液进口管道上应设置单向阀，避免回流影响储液，且泡沫液整体管路上宜设置冲洗及放空设施，便于实现在线检修功能。

图7 计量注入式泡沫混合器工作原理图

计量注入式泡沫混合器较市场上其他类型的产品优势在于：系统泡沫液储罐采用常压储罐，单次泡沫液可使用存量较大，同时可实现在线添加泡沫液，在大型换流站内面对严重火灾时，更好地保证了泡沫灭火系统工作的顺利进行；系统流量可调范围广，且运行过程不受系统进出压差影响，使其在较广的流量范围内同时兼顾精度调节的准确性，装置产出高质量泡沫的同时可最大程度地节约泡沫原液，经济可靠；可在线设定精确的混合比，并能在0～X 进行无级可调（X 为预定的任意混合比值）[9]；与同样一体化和自动化程度较高的压力平衡式对比，计量注入式产品泡沫混合过程不会出现液压平衡问题，混合比相对稳定。总结来说，相较基于文丘里管原理设计的传统泡沫混合器，采用计量注入的方式提高了其可控性，降低了压差带来的影响，故该装置的可靠性和准确性在目前阶段均优于国内其他类型的泡沫混合装置。另一方面，就市场应用来说，其劣势在于系统构成较复杂，较依赖变频泵等价格高昂设备的稳定运行，对系统前端供电可靠性要求较高。

3 对比

目前市面上投入使用的泡沫混合器类型多样，结构各异，不同类型都有特定的适用场合，需结合实际情况进行合理选择。前文提及5 种类型的泡沫混合器，其使用场景、使用优劣势的对比，见表1。

表1 泡沫混合器对比表

4 结束语

泡沫混合器作为压缩空气泡沫灭火系统的核心，针对泡沫混合器的深入研究，可以大大加快实现泡沫灭火系统工程国产自主化的步伐。而压缩空气泡沫灭火系统以其灭火效率高、水量损耗低、用途广泛、系统可靠和自然环保等特点，在应对电站消防工程要求的新形势下，具有不可估量的市场前景。在目前的研究背景下，针对泡沫混合器等关键部件的工程研究还有很大的空间。目前市场上泡沫混合器的产品类型多样，针对不同的使用场景都有其优势与劣势，但针对换流站等重点单位内的消防灭火系统，目前更多还是需要依靠一体化程度更高、运行更稳定可靠的设备，平衡压力式与计量注入式这两种形式的泡沫混合器是目前较为适合压缩空气泡沫灭火系统的设备，也是符合市场发展前景的设备。

基于目前对于泡沫混合器的研究，后续产品优化升级需综合考虑功能完整性、系统优化性、结构稳定性和运行可靠性等多方面因素，结合在工程中实际应用的经验，实现混合比灵活调节并提高调节精度，降低工程上的安装与运维成本，为实现压缩空气泡沫灭火系统的关键技术国产化不断努力。