高层建筑智能高效抛射灭火装置研究

王 喆 孔维浩 安伟光

（中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116）

0 前言

与普通建筑火灾相比，高层建筑火灾扑救主要存在以下难题：高层建筑功能复杂、人员流动大、火灾蔓延途径多、消防员行动能力受限、火灾扑救难度大。

针对上述难题，前人研发了多种灭火装备。俄罗斯研制的GAZ-5903灭火车、美国O’Dwyer James Michael发明的移动式灭火炮等，这些装备在调控、射程、机动性能、扬程等性能方面不能兼顾。另外，国外直升机参加高层建筑灭火也有先例，由于起火建筑上空存在强烈的上升气流和紊流，其喷洒的灭火剂受到气流影响很难形成有效的覆盖面积[1]。刘少刚等发明了一种高层建筑消防炮，可以远距离将装有干粉灭火剂的灭火弹投送到火场内部弥散灭火[2]。缺点是消防炮采用了车载的方式，而高层建筑周边地形、交通复杂，机动性较差。邓全龙发明了一种气动破窗灭火炮，可以实现大曲率射击。但是否能够在火灾发生时打碎高层较厚玻璃，并将灭火弹射入室内，进行有效灭火，有待于实践验证[2]。

高层建筑消防灭火需要智能化程度高、灭火效率高、反应速度快、机动性能好的装置[1]。该文设计的高层建筑智能抛射灭火装置可以实现在起火的高层建筑外部自动调压调角，精准发射灭火弹，很大程度上弥补了我国在高层建筑灭火设备上存在的不足[3]。

1 技术路线

通过理论建模和实验，建立多因素耦合的精准抛射模型，结合数据采集系统、高效抛射系统、智能化调角调压系统等，实现智能抛射灭火。高层建筑智能高效抛射灭火装置研究的技术路线如图1所示。

图1 高层建筑智能高效抛射灭火装置技术路线

2 设计方案

高层建筑智能高效抛射灭火装置包括数据采集系统、高效抛射系统、智能化调压调角系统、控制面板、气源及底座系统。

2.1 数据采集系统

在选择合适的数据采集系统时一般遵循：满足测量精度；抗干扰（多为环境等影响因素）能力强；使用寿命长这3项原则。

数据采集系统包括测距部分、风向风速采集部分。抛射装置的抛射高度可达到100m，因此选取保时安CS系列激光测距仪（最大测距600m，精度±0.3m）作为测距系统仪器。风向、风速采集部分采用三杯式风速测定仪及风向测定仪，将采集到的数据转换为电信号反馈给PLC控制系统。

2.2 高效抛射系统

该系统主要由干粉灭火弹体、气室以及减震装置组成。干粉灭火弹弹体本身长为0.6m，内部装有适量的干粉。为使抛射速度更稳定，设计气动抛射装置如图2所示。工作原理：当击发电磁阀打开，气路上的气体通过通气孔一（图2，左图中短的箭头指向的孔）与通气孔二（图2，左图中长的箭头指向的孔）分别进入活塞与内缸体形成的腔室内、外缸体内腔。活塞与内缸体形成的腔室内的气体会通过通气孔一向外排出，由于单向阀的设置，通气孔不能向外排气，此时，外缸体内腔的气压大于活塞与内缸体形成的腔室内的气压，将活塞的另一端从外缸体的出口端顶开，达到抛投的状态。

图2 气动抛射装置图

同时，在该抛射系统中还装有减震装置，减少因为发射时所产生的后坐力，使发生的过程更稳定、高效、精准。

2.3 智能化调压、调角系统

2.3.1 自动调压系统

自动调压系统包括电动调压阀及压力传感器，调压系统对准确地调整抛射装置的压力起至关重要的作用。PID控制器具有简单易懂，可以调节控制规律如比例、积分、微分控制等优点，且使用中不需要精确的系统模型[4]，是应用最为广泛的控制器。因此调压系统采用PID运算控制器，可编程控制器PLC可以根据实际抛射高度的需要，自动计算出所需工作压力值，电控减压阀自动设定输出压力。压力传感器用于测定真实压力值[5]，并将真实值反馈给PLC，PLC控制调压阀做出调整，直至压力与设定值一致，以达到更好的调整抛射压力的效果。在该系统运行过程中，当所需压力为P，压力传感器检测到真实压力值达到P时，反馈给PLC，待PLC控制调压阀做出调整会出现一小段延迟时间，该时间内充气会出现延迟误差，为了对该误差进行一定弥补，设计出先粗调后微调的充气计划，以所需调节压力为6MPa为例，当压力达到5.8MPa时，即控制调压阀关闭，完成粗调，微调时以ns（短时，如0.02s）为充气时长，开关调压阀，进行比对，直至达到所需6MPa后停止。自动调压系统研发示意如图3所示。

图3 自动调压系统研发示意图

2.3.2 自动调角系统

自动调角系统包括旋转编码器、联轴器、减速器、伺服电机及滚珠丝杠等部分。编码器的使用可以使调角更快速、精准，加强调角系统的稳定性。自动调角系统利用旋转编码器调整角度，旋转编码器基于电磁原理将机械的几何位移量转换为电子信号反馈给联轴器，针对实际所需的抛射角度对控制电机发送正（负）反馈信号，从而使PLC启动电机和减速器调整角度及速度。根据计算的抛射角度，电机旋转到位，并根据编码器反馈信号进行微调，精确到0.1°。当速度过快时，减速器利用齿轮的速度转换器，将马达的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩[6]。自动调角系统工作示意图如图4所示。

图4 自动调角系统工作示意图

2.4 控制面板

面板显示内容包括目标距离、最优气压、当前气压最佳抛射角度和当前抛射角度等，并设置有一键调压调角按钮，操作人员可进行一键调压调角，最后点击屏幕上的发射键，即可实现快速抛射。如果第一次抛射不理想，还可根据具体实际情况自行进行增减压或增减角度。增减角度精度为1°，增减压力精度为0.1MPa，使设备在操作上更加人性化。

2.5 气源及底座系统

气源是高效抛射灭火装置的动力，气源的选型决定了抛射高度能否达到预期结果，项目设计的气源及底座系统包括气瓶、弹头、底座等。针对不同火灾环境，制定了多规格1/2/3/4/6/8L容积的压缩空气碳纤维气瓶利用方案，其中1L容积碳纤维气瓶充到30MPa可以工作4～5次，其余容积气瓶抛射次数等比增加，可以保证设备抛射效率的同时实现多次抛射。将电控器件和气源置于底座，利于便携和更换，不仅达到缩减整体尺寸的目的，还能增加底座稳定性。底座采用扁平化设计，并且底座设计有可收缩滑轮，需要移动时，滑轮凸出，运送便捷。发射时，滑轮隐入，底座面着地，增加稳定性。

3 样机

样机主箱体尺寸为700mm×560mm×580mm（长×宽×高），主箱体分为2个部分，一部分是用于调节压力和角度的PLC电控设备，另一部分用于储存气瓶。工作台包括角度调节模块、工作腔、缓冲装置、控制面板（7.9英寸触屏式）、风向传感器、风速传感器、测距仪（时安CS系列激光测距仪，精度±0.3m）、弹头（长0.6m）及弹体（长0.9m）。

3.1 主要技术指标

精度指标（以高层建筑着火房间窗户中心为基点）：纵向上/下1m、横向左/右0.5m。响应指标：抛射完成时间为2min。智能化指标：调压、调角误差控制在1%以内。抛射高度指标：100m。

3.2 性能参数

高层建筑智能抛射灭火装置总尺寸为750mm×560mm×750mm，压力范围为 0 MPa～8 MPa，角度范围为 0°～70°，总重量50 kg，抛射高度为0 m～100 m，完成抛投平均时间≤2min，测距仪距离为600 m。装置性能参数具体见表1。

表1 高层建筑智能抛射灭火装置的性能参数表

3.3 功能

装置工作时，先将环境信息测量后转变为电信号反馈给系统，然后系统根据算法优化输出最优抛射参数，最后控制器调整工作气压及抛射角度至指定值，一键触屏完成抛射，将灭火弹发射到指定着火房间发挥作用。

3.4 关键技术

关键技术包括精准抛射理论和自动调压调角并一键抛射。

3.4.1 精准抛射理论

建立弹体飞行的三维理论模型并通过模拟以及现场实验结果优化参数，使该模型可以对现场信息采集装置反馈回的数据快速处理，选择最佳抛射方案。

3.4.2 自动调压调角并一键抛射

通过PLC与显示器、电机旋转编码器、自动调压阀的协同运作，实现装置自动调压、调角的功能，操作简单快捷。

3.5 运行条件

该装置须在一定的运行条件下进行使用，运行条件如下：1） 难于发现，所以还无法应用该装置，但是，随着火灾继续发展，当达到轰燃时，房间的玻璃会由于过热而炸裂，这时，则可采用该装置，将灭火弹打到着火房间内，帮助消防队员灭火救援，因此，该装置所需运行条件的第一点就是要使着火房间内的火势达到轰然。2） 由于高层建筑分布集中，相邻高层中间应保留一定的间距，当装置达到70°仰角时可以将灭火弹抛射至建筑的最高层。3） 灭火弹抛射轨迹中无阻隔物。

4 结论

针对高层建筑火灾扑救存在的难题，该文研发了一款气动式高层建筑智能高效抛射灭火装置。该装置通过PLC与显示器、电机旋转编码器、自动调压阀的协同运作，完成装置的自动调压、自动调角，采用无火药的气动发射方式从远距离将装有灭火剂的灭火弹一键投送到火场内部弥散灭火，具有操作简单、智能化水平高、精确性强等特点，提高了灭火效率，弥补了当今高层建筑灭火装备的不足之处，为高层建筑灭火难题的解决提供了新思路和方法。