摘要：三剂联用高喷射消防车干粉系统填补了国内消防领域的装备空白。本文将从消防车布置、干粉管路直径确定、干粉工作压力确定、干粉与氮气匹配计算以及案例试验几方面，探究三剂联用高喷射消防车干粉系统的理论计算与试验研究。
关键词：干粉；消防车；氮气；喷射炮头
引言：不同于传统消防车，三剂联用消防车是新型消防灭火装备，包含了气态、液态、固态三种灭火剂形态，并从流体力学层面设计了消防车的喷射系统。基于此，三剂联用高喷射消防车干粉系统的理论计算及实验研究具有重要意义。
一、消防车布置
三剂联用高喷射灭火系统放弃传统泡沫覆盖的灭火方式，借助冷气溶胶实现瞬间灭火，目前主要使用抗复燃灭火剂、冷气溶胶，以水为载体混合氮气喷射到燃烧表面，进而实现灭火效能。该种消防技术在一定程度上改变了国内消防装备的原有结构。装备关系着战术打法，装备结构的变化也意味着消防战术的变更。三剂联用灭火消防技术的广泛普及会逐步取代传统的泡沫灭火技术，该种领先全球的灭火技术由我国独立进行研发，具有广阔、光明的应用前景，能够提升灭火效率、经济效益、社会效益。
三剂联用消防车主要涵盖了三剂联用炮头、臂架上装、器材箱、粉管、水泵以及车辆底盘等部分。消防车的三剂联用炮头可使用干粉泡沫水进行单独喷射或同时喷射三种灭火剂。干粉喷射系统是独立灭火系统，在救援灭火作业时，高喷射消防车内的干粉喷灭火剂混合高压氮气形成气固两相流体，借助消防车内的管路运送至干粉炮头，与泡沫、高压水在泡头出口进行混合喷射，可高空灭火或远距离灭火，具有极佳的灭火效果[1]。
干粉灭火系统主要由干粉炮头、减压阀、分气管、干粉罐、氮气瓶与瓶口阀等部分构成。氮气瓶能为消防车提供高压氮气，压力高达15MPa。消防车氮气瓶内的高压氮气借助集气管集中到一起，并受到减压阀的减压作用，降低干粉喷射压力，使其达到1.4MPa；工作氮气经过减压阀减压后进入分气管，氮气在经过分流后，可以开展管路扫吹作业，也可与消防车干粉罐中的干粉进行混合形成气固两相流体，在消防车喷射作业时，经过喷射炮头向外进行喷射。
二、三剂联用高喷消防车干粉系统理论计算与试验
（一）确定干粉管路直径
经相关研究表明，对干粉喷射效率产生主要影响的因素包括管路管径、管路举升高度、干粉罐进气压力以及干粉松密度。干粉管路的直径与气固两相流体的流动速度与体积有关，气固两相流体的流动速度需要经过相应的研究试验进行确定，而气固两相流体的体积可依靠输送压力、环境温度、驱动气体系数、驱动气体种类以及干粉喷射速度计算而得。
为确保干粉与气体不分离，必须使气固两相流保持一定的流动速度。这需要干粉管路的输送速率大于最小的流动速度理论值。日本与美国在相关领域的研究表明，在内径长度为27毫米的干粉管道内，干粉最小理论输送速率为1.5kg/s；内径长度为35毫米的干粉管道内，干粉最小理论输送速率为2.5kg/s；内径长度为41毫米干粉管道内，干粉最小理论输送速率为3.2kg/s；内径长度为52毫米的干粉管道内，干粉最小理论输送速率为5.7kg/s；内径长度为66毫米的干粉管道内，干粉最小理论输送速率为9.6kg/s；内径长度为78毫米的干粉管道内，干粉最小理论输送速率为13.5kg/s；内径长度为102毫米的干粉管道内，干粉最小理论输送速率为,23.5kg/s、依照相应的设计要求，高喷射消防车的干粉灭火器喷头的喷射速率应大于或等于9kg/s，根据上述数据可得，管路内径长度应为66毫米；依照相应的管路标准，应选取内径长度为65毫米的干粉管路。
（二）确定干粉工作压力
干粉灭火系统能够正常运转的关键在于干粉管道压力。干粉管道压力包含高度引发的势能损失、炮头喷射等部件局部压力、损失管路压力三部分。管路压力损失是指干粉管路内部由通径、表面质量等因素引发的损失，为最大程度减少管路压力损失，应选取具有较高光洁度的铝制管路；为实现干粉喷射，需要确保炮头喷射压力符合相应数值，炮头喷射压力应确保干粉保持大于9kg/s的喷射速率，并满足相应射程要求；干粉的势能损失是指由于气固两相流体的重力而引发的压力损失。
将干粉喷射等效高度、干粉管路直径、干粉罐工作压力。驱动气体的摩尔质量、干粉管路输送速率、驱动气体阻力损失系数、驱动气体系数、环境绝对温度、摩尔气体模量常数代入相应公式进行计算。由于干粉管道中的干粉驱动气体具有极大的流动速度，可以结合水力粗糙管的实际状况计算沿程阻力损失系数[2]。通过一系列计算可以得出，高喷射消防车的干粉灭火系统的设计参数应为：使用拉伸铝制管路作为干粉输送管道，设置内径长度为65毫米的干粉管道，为消防车配备四个含量为90L的氮气瓶，确保充气压力能够达到15MPa，设定干粉混合压力为1.4MPa，干粉炮头的喷射压力为0.74MPa，确保消防车能够储存1500L的干粉剂量，确保消防车的干粉喷射速度大于9kg/s。
（三）氮气与干粉匹配试验
依照业内相关试验经验，氮气工作体积与消防车的干粉体积的比应大于20，消防车的余粉率应小于15%。在氮气混合压力条件下，氮气瓶内的氮气量即为氮气的等效工作体积，假定某高喷射干粉消防车配备四个90L的氮气瓶，具有1500L的干粉剂量且充气压力能够达到15MPa。将消防车的臂架抬高到三十二米高度，使消防车的干粉炮头垂直于消防车臂架并正对试验窗口；在试验过程中，使用手动模式将消防车内的四个高压氮气瓶进行开启操作，打开瓶口阀，打开高压球阀，使得消防车氮气瓶内的氮气进入消防车的集气管中；打开罐进气阀，将工作氮气减压并与干粉罐内的干粉进行混合；当干粉罐处于1.4MPa的压力条件下，打开干粉炮头的气动阀，使干粉炮头向外喷射混合后的干粉。经相应的数据统计，该次试验共持续53秒，消防车氮气罐内的氮气压力从充满状态的15MPa下降至8MPa；消防车的出粉量为900L，剩余600L的干粉剂量。通过计算可得在上述消防车的数据条件下，该消防车在三十二米的高度条件下，干粉炮头的喷射速度可达到14.4kg/s且氮气瓶的氮气压力能够确保将消防车内的全部干粉喷射而出，确保消防车氮气瓶内的剩余氮气能够满足消防车内部管路的扫吹要求。
三、试验结论
通过上述实验可以发现，高喷射消防车的干粉灭火系统若想在满足完全喷射1500L干粉剂量，实现达到并超过20kg/s的干粉喷射速率，实现三十二米高度的高空喷射作业，该消防车的干粉灭火系统的工作压力应大于1.4MPa，并配备大于30000L的等效工作体积的氮气。与此同时，该高喷射消防车的干粉管路的直径应超过65mm。三剂联用举高喷射消防车主要被应用于新型灭火领域，是消防行业的新装备，但是目前国内涉及到消防车干粉灭火系统高空喷射试验的相关经验与案例不够充足。上文通过理论计算、举例试验、结果分析得到了在三十二米高度状态下的三剂联用举高喷射消防车的干粉喷射消防系统为满足相应的消防需求所需的技术参数，能够为后续三剂联用举高喷射消防车的设计以及相应干粉灭火系统的构建提供有力的数据支持。
结论：综上所述，为有效开展三剂联用举高喷射消防车的干粉灭火系统理论计算工作，应确定消防车干粉管路直径、确定消防车干粉灭火系统的干粉工作压力、对消防车内干粉罐中的干粉与氮气瓶中的氮气进行匹配计算，再通过实际的消防车干粉喷射试验得到在相应条件下的三剂联用举高喷射消防车干粉灭火系统的技术参数，为后续的理论设计工作打下坚实基础。
参考文献：
[1]倪军,李光荣.三相射流灭火技术研究及在消防技术装备上的应用[Z].明光浩淼安防科技股份公司.2017.
[2]郭志强,庞太水.举高喷射消防车灭火应用技术[J].企业文化(下旬刊),2018,(3):215.
作者简介：李银波，男，汉，四川射洪人，本科，助理工程师，研究方向，消防车设计，干粉系统设计。