CN115569325B - 一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置，包括设置在其内部的泡沫发生器、空气压缩机、离心水泵、泡沫泵A和泡沫泵B，还包括控制模块和供电模块，所述离心水泵和泡沫泵A、泡沫泵B分别通过水管路和泡沫管路连通至主管路上，所述主管路与泡沫发生器相连，所述空气压缩机通过空气管路与泡沫发生器相连，所述泡沫发生器还通过输出管路与泡沫输出口连通。本发明还提供了一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置控制方法，采用三输入单输出的PQ控制算法，通过各子路的PID算法，实现三路介质流量可控的功能，使泡沫配置比例的范围可任意调节，适用于各种类型的火灾场景。
Description
技术领域
本发明涉及消防技术领域，具体涉及一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置的控制方法。
背景技术
压缩空气泡沫灭火系统作为目前消防领域的领先技术，在建筑火灾、电化学储能火灾、高压电站火灾等大型火灾抑制方面起到不可估量的作用，已经解决了国内消防领域的“卡脖子”技术。现有的固定式压缩空气泡沫装置虽然灭火效果好，但在火灾来临时，最重要的是控制火势的时间要短，灭火响应要迅速，这些条件传统固定式装置没能完全具备。
由于传统装置整体体积大、空压机等大型关键性硬件与主机分模块装配，水以及泡沫原液需要储存单元单独盛装，导致灭火前期准备工作复杂，使用流程繁琐，极大降低装置的灭火效率。一方面，在高压变电站等需要配备消防设施的场所，固定式压缩空气泡沫灭火装置运输困难，占地面积大，很难广泛应用于各大火灾频发场所。另一方面，传统固定式装置不具备水流量自动调节功能，仅控制泡沫原液和压缩空气的输入量调节压缩空气泡沫的干湿度，但两变量调节范围有限，配置的压缩空气泡沫使用范围较窄，应用场所单一。
因此，研究一种高度集成化、系统化、智能化，且具备三大流量自动调节、混合比可长时间精确调控、低灭火介质消耗量的宽范围集装箱式压缩空气泡沫灭火装置势在必行。其既具备传统装置的灭火技术，进一步提高火势压制效果，又使得运输和户外安装使用更加方便灵活，也促进国内消防科学技术进一步的提升。
发明内容
本发明提供一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置的控制方法，解决了传统固定式压缩空气泡沫灭火装置体积大、工程安装调试步骤繁琐、应用场景适应性差的问题。
本发明采用的技术方案为：
一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置，包括设置在其内部的泡沫发生器、空气压缩机、离心水泵、泡沫泵A和泡沫泵B，还包括控制模块和供电模块，所述离心水泵和泡沫泵A、泡沫泵B分别通过水管路和泡沫管路连通至主管路上，所述主管路与泡沫发生器相连，所述空气压缩机通过空气管路与泡沫发生器相连，所述泡沫发生器还通过输出管路与泡沫输出口连通，所述供电模块为集装箱及控制模块提供不间断电源，所述控制模块实时监测采集各部件及管路状态信息，并控制驱动各个模块正常工作。
优选的，所述主管路通过三通球阀分别与泡沫路和水路连通。
优选的，所述空气管路上设有调节阀和排气阀，所述排气阀连通排气管路，所述排气管路上设置有消声器。
优选的，所述输出管路上设置有电动蝶阀，通过电动蝶阀控制泡沫输出口的开通与关闭。
优选的，所述空气路还通过一支路与外扩空气压缩机连通，该支路上设置有闸阀。
优选的，所述水管路和泡沫管路上均设置有流量计，所述主管路上设置有压力变送器。
优选的，所述集装箱内还设置有监控摄像头、温度传感器和烟雾传感器，所述监控摄像头、温度传感器和烟雾传感器分别与控制模块相连。
优选的，所述控制模块包括PC控制端、泡沫泵启停控制端、电源控制端和消音按键，所述泡沫泵启停控制端包括控制泡沫泵A和泡沫泵B各自启停的启停按钮，以及显示泡沫泵A和泡沫泵B启停的指示灯，所述电源控制端包括电源开关、电压转换开关、故障指示灯和主备电源指示灯。
一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：火警启动，打开PC控制端、电源模块、离心水泵、泡沫泵A、泡沫泵B，空气压缩机、泡沫输出口及三通球阀，集装箱完成自检，准备工作；
步骤2：由注水入口、泡沫原液注入口分别通过离心水泵和泡沫泵A、泡沫泵B向泡沫发生器注入水和泡沫原液，两相介质在主管路中碰撞形成环流，生成泡沫混合液经主管路流入泡沫发生器；泡沫混合液为进入泡沫发生器前，排气阀打开并按下消音键，空气压缩机输出的压缩空气由排气管路排出集装箱，并由消音器消除噪音；
步骤3：所述水管路上的流量计检测当前水流量，所述压力变送器检测当前主管路的压力；
步骤4：控制模块根据流量计与压力变送器采集的数据，以及当前火灾场景所需泡沫的干湿度，利用PQ控制算法，分别计算所需的泡沫原液和对应气压，并将计算所得的数字量转化为模拟量传递给三路执行机构；
步骤5：三路执行机构同时接收到控制模块发送的动作指令：离心水泵驱动电机变频调速来调节当前所需的水流量大小，泡沫泵伺服电机调节转速大小控制泡沫原液输入量，泡沫混合液流入泡沫发生器后，排气阀关闭，压缩空气经空气路输送至泡沫发生器，控制系统通过调控空气路上的调压阀开度来控制压缩空气的输入量，进而调控泡沫发生器压力值；
步骤6：根据火灾场景所需的泡沫干湿度，水管路和包括管路上的流量计分别检测水流量以及泡沫原液流量是否满足场景需求，压力变送器检测混合气压是否达标。若三路介质均满足当前目标值，则打开电动蝶阀，高质量压缩空气泡沫经由泡沫输出口输出以控制火势；
若水流量未达标，则继续检测水流量，重新计算当前所需流量大小，再由执行机构继续调节水流量，循环此步骤，直至水流量满足需求；若泡沫原液流量未达标，同理继续检测计算并调节，直到泡沫原液流量达标为止；若泡沫发生器内气压未达标，同理返回检测，计算并调节气压，直至气压符合目标值；
步骤7：火警解除后，先关闭离心水泵，此时打开空气路排气阀，待泡沫泵和空气压缩机工作一段时间后再关闭，随后关闭所有阀门，关闭控制电源，装置工作结束。
优选的，在步骤4中，通过PQ控制算法计算分析管路特性、阀门限流特性以及气液两相流特性，确定各子控制回路中被控对象传递函数，最后根据具体火灾场景需要的压缩空气泡沫确定各个介质的调配标准，经过各控制回路压力流量相互制约、相互调节，得到标准的气液比，配置出与当前火灾场景相适应的压缩空气泡沫。
本发明的有益效果：
本发明采用模块集成设计，将装置运行所需的供电模块、控制模块、监测模块及执行机构全部集成至集装箱内部，整个装置结构紧凑，户外适应性强，运输安装便捷，使压缩空气泡沫灭火装置的功能和性能得以提升。
本发明采用三输入单输出的PQ控制算法，通过各子路的PID算法，实现三路介质流量可控的功能，使泡沫配置比例的范围可任意调节，适用于各种类型的火灾场景。整体突破了现有技术中水流量不可控的缺点，优化了压缩空气泡沫的质量，拓宽了装置的使用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置平面示意图。
图2为一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置控制模块示意图。
图3为本发明一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置控制流程图。
其中，1.水注入口；2.泡沫原液注入口；3.泡沫输出口；4.离心水泵；5.泡沫泵A；6.泡沫泵B；7.电动蝶阀；8.三通球阀；9.调压阀；10.温度和烟雾传感器；11.监控摄像头；12.闸阀；13.外扩空气压缩机接口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本实施例具体提供了一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置，如图1所示。包括泡沫发生器、空气压缩机、控制模块、供电模块、泡沫泵、离心水泵4、空调、监控摄像头、传感器及各阀门管路。
管路包括空气管路、水管路、泡沫管路和输出管路。
阀门包括主管路上设有的三通球阀8，用于连通泡沫管路和水管路，形成泡沫混合液；还包括空气管路上设有的调压阀9，以此调节压缩空气输入量；还包括接通外扩空气压缩机的闸阀12；还包括输出管路上的电动蝶阀7，控制输出口的开通与关闭。水管路与泡沫管路混合后通过主管路连接至泡沫发生器，泡沫发生器经输出管路连接泡沫输出口7。
监控摄像头11用于监控集装箱内部各硬件是否正常运行；感器为温度传感器和烟雾传感器10，用于监测集装箱内部温度及烟雾浓度情况，防止集装箱在火灾场所工作时自身出现热失控情况；所述空调用于调控集装箱工作温度，以适应应用场景气候温度的变化，在应用场景温度高于或低于装置正常运行温度时自动打开空调为集装箱升温或降温，减小装置运行受气候温度的影响，增强装置户外运行的适应性。
所述泡沫泵和空气压缩机为装置关键性硬件，均设有冗余配置，泡沫泵分为泡沫泵A5和泡沫泵B6，离心水泵4与泡沫泵A5和泡沫泵B6连通至主管路，主管路与泡沫发生器相连；所述空气压缩机与泡沫发生器相连，空气路上设有调压阀，用于控制压缩空气输入量；所述泡沫发生器作用是使三种介质均匀混合形成绵密细致的压缩空气泡沫，泡沫发生器还通过输出管路与泡沫输出口连通；所述供电模块为整个集装箱及控制系统提供不间断电源；所述控制系统实时监测采集各部件及管路状态信息，并控制驱动各个模块正常工作。
其中，所述泡沫泵A5和泡沫泵B6，直接安装于装置内部，装置运行时泡沫泵A5和泡沫泵B6同时工作，保证泡沫路的不间断供给；空气压缩机体积较大，本身可靠性高，故冗余的空气压缩机为选配模块，可根据需要配备单独空气压缩机，直接从外部连接至外扩空气压缩机接口，在需要使用时打开闸阀12，此时两个空压机互为热备份，保证压缩空气的绝对输入；此外，电源模块和控制器PLC 也为冗余设计，通过控制模块的电压转换按键调整主备电源的使用，硬件、控制器和电源的冗余设计保证整个装置可靠运行，提高整个装置使用寿命。
在本实施例中，所述控制模块包括PC控制端、泡沫泵启停控制端、电源控制端和消音按键，所述泡沫泵启停控制端包括控制泡沫泵A和泡沫泵B各自启停的启停按钮，以及显示泡沫泵A5和泡沫泵B6启停的指示灯，所述电源控制端包括电源开关、电压转换开关、故障指示灯和主备电源指示灯，当装置启动时，打开控制电源开关；当装置工作结束或故障灯亮起时，关闭控制电源开关。电压转换开关控制冗余电源的通断，主备电源互为备份，为装置及控制系统提供不间断电源。消音按键用于控制消音器的启停。
装置工作时，泡沫泵A5、泡沫泵B6、离心水泵以及调压阀分别向泡沫发生器输送泡沫原液、水和压缩空气，两相介质在主管路中经过迅速形成泡沫混合液，同时空气压缩机向泡沫发生器通入压缩空气，此时三种介质形成气液两相流，在发生器腔内快速生成颗粒细小均匀、稳定、不易破碎的高质量压缩空气泡沫，经泡沫输出口喷射后快速抑制现场火势。
其中，离心水泵提供形成压缩空气泡沫所需的水，离心水泵受控制系统驱动，水流量为可控量，系统为三输入单输出系统，泡沫发生器采用计量注入方式，可根据具体火灾场所和环境调节三路流量或压力，所形成的压缩空气泡沫干湿比例可调节范围大，由于三路介质均可控，故本发明的装置可适用于任何火灾场景。
所述PC控制端设定的控制算法包括整体三输入单输出系统的PQ控制算法、水路PI调节算法、泡沫路和空气路PID调节算法。通过计算分析管路特性，阀门限流特性以及气液两相流特性，确定各子控制回路中被控对象传递函数。最终根据具体火灾场景需要的压缩空气泡沫确定各个介质的调配标准，经过各控制回路压力流量相互制约、相互调节，得到标准的气液比，配置出与当前火灾场景相适应的压缩空气泡沫。
本实施例的泡沫发生器、空气压缩机、控制模块、供电模块、调节阀、电动蝶阀、三通球阀8、排气阀、泡沫泵、离心水泵4及各路管道均在装置内部集成化。供电、驱动、执行一体化同时进行，装置结构更加紧凑、小型化，运输及使用更加方便快捷；三路介质流量压力可控，正压计量注入发泡方式保证泡沫细致绵密，装置整体功能更加完备。
本实施例还提供了一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置控制方法，控制流程如图3所示，具体按照如下步骤进行：
步骤1：火警启动，打开PC控制端、电源模块、离心水泵4、泡沫泵A5、泡沫泵B6，空气压缩机、泡沫输出口3及三通球阀8，集装箱完成自检，准备工作；
若需要冗余配置空气压缩机，则在外扩空气压缩机接口13处连接另一台空气压缩机，在需要时打开闸阀12，同时打开外扩空气压缩机，此时两个空气压缩机互为热备份，交替或同时工作；
步骤2：由注水入口1、泡沫原液注入口2分别通过离心水泵4和泡沫泵A5、泡沫泵B6向泡沫发生器注入水和泡沫原液，两相介质在主管路中碰撞形成环流，生成泡沫混合液经主管路流入泡沫发生器；泡沫混合液为进入泡沫发生器前，排气阀打开并按下消音键，空气压缩机输出的压缩空气由排气管路排出集装箱，并由消音器消除噪音；
步骤3：所述水管路上的流量计检测当前水流量，所述压力变送器检测当前主管路的压力；
步骤4：控制模块根据流量计与压力变送器采集的数据，以及当前火灾场景所需泡沫的干湿度，利用PQ控制算法，分别计算所需的泡沫原液和对应气压，并将计算所得的数字量转化为模拟量传递给三路执行机构；
步骤5：三路执行机构同时接收到控制模块发送的动作指令：离心水泵驱动电机变频调速来调节当前所需的水流量大小，泡沫泵伺服电机调节转速大小控制泡沫原液输入量，泡沫混合液流入泡沫发生器后，排气阀关闭，压缩空气经空气路输送至泡沫发生器，控制系统通过调控空气路上的调压阀开度来控制压缩空气的输入量，进而调控泡沫发生器压力值；
步骤6：根据火灾场景所需的泡沫干湿度，水管路和包括管路上的流量计分别检测水流量以及泡沫原液流量是否满足场景需求，压力变送器检测混合气压是否达标。若三路介质均满足当前目标值，则打开电动蝶阀，高质量压缩空气泡沫经由泡沫输出口输出以控制火势；
若水流量未达标，则继续检测水流量，重新计算当前所需流量大小，再由执行机构继续调节水流量，循环此步骤，直至水流量满足需求；若泡沫原液流量未达标，同理继续检测计算并调节，直到泡沫原液流量达标为止；若泡沫发生器内气压未达标，同理返回检测，计算并调节气压，直至气压符合目标值；
步骤7：火警解除后，先关闭离心水泵，此时打开空气路排气阀，待泡沫泵和空气压缩机工作一段时间后再关闭，随后关闭所有阀门，关闭控制电源，装置工作结束。
在步骤4中，通过PQ控制算法计算分析管路特性、阀门限流特性以及气液两相流特性，确定各子控制回路中被控对象传递函数，最后根据具体火灾场景需要的压缩空气泡沫确定各个介质的调配标准，经过各控制回路压力流量相互制约、相互调节，得到标准的气液比，配置出与当前火灾场景相适应的压缩空气泡沫。
PQ控制算法具体如下：
根据具体火灾场景所需配置压缩空气泡沫的干湿度确定气液混合比Nah，以此确定气路流量和泡沫混合液流量，再根据气液混合比推算水和泡沫原液的混合比Nwf，以此得到水流量和泡沫原液流量，进而同时分别调节三路的流量。
其中，气液混合比为：
水和泡沫原液混合比为：
式中X一般取3，4，6；Qa为气路流量；Qh为泡沫原液与水的叠加流量；Y 一般取1，3，6；Qw为水流量；Qf为泡沫原液流量；
确定各路流量后，再将压力变送器检测的压力值与需求值比较而不断调节气液压力，最终产生所需的压缩空气泡沫。气液压力满足如下关系：
Pa＝KPh
式中，K一般满足：1.0≤K≤1.15；Pa为气路压力；Ph为泡沫原液和水的叠加压力。
通过以上算法步骤保证装置中三路流量压力可调节，拓宽产生压缩空气泡沫的干湿度，使装置场景适应性更强。
本发明装置集成度高，应用场景全覆盖，运输安装调试简便，控制方法高效可行，具备系统化、智能化、集成化的优势，为新型电力系统发展所需的消防装备和安全设施提供强有力支撑。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置的控制方法，该装置包括设置在其内部的泡沫发生器、空气压缩机、离心水泵、泡沫泵A和泡沫泵B，还包括控制模块和供电模块，所述离心水泵和泡沫泵A、泡沫泵B分别通过水管路和泡沫管路连通至主管路上，所述主管路与泡沫发生器相连，所述空气压缩机通过空气管路与泡沫发生器相连，所述泡沫发生器还通过输出管路与泡沫输出口连通，所述供电模块为集装箱及控制模块提供不间断电源，所述控制模块实时监测采集各部件及管路状态信息，并控制驱动各个模块正常工作；
其特征在于，该控制方法包括以下步骤：
步骤1：火警启动，打开PC控制端、电源模块、离心水泵、泡沫泵A、泡沫泵B，空气压缩机、泡沫输出口及三通球阀，集装箱完成自检，准备工作；
步骤2：由注水入口、泡沫原液注入口分别通过离心水泵和泡沫泵A、泡沫泵B向泡沫发生器注入水和泡沫原液，两相介质在主管路中碰撞形成环流，生成泡沫混合液经主管路流入泡沫发生器；泡沫混合液为进入泡沫发生器前，排气阀打开并按下消音键，空气压缩机输出的压缩空气由排气管路排出集装箱，并由消音器消除噪音；
步骤3：所述水管路上的流量计检测当前水流量，压力变送器检测当前主管路的压力；
步骤4：控制模块根据流量计与压力变送器采集的数据，以及当前火灾场景所需泡沫的干湿度，利用PQ控制算法，分别计算所需的泡沫原液和对应气压，并将计算所得的数字量转化为模拟量传递给三路执行机构；
步骤5：三路执行机构同时接收到控制模块发送的动作指令：离心水泵驱动电机变频调速来调节当前所需的水流量大小，泡沫泵伺服电机调节转速大小控制泡沫原液输入量，泡沫混合液流入泡沫发生器后，排气阀关闭，压缩空气经空气路输送至泡沫发生器，控制系统通过调控空气路上的调压阀开度来控制压缩空气的输入量，进而调控泡沫发生器压力值；
步骤6：根据火灾场景所需的泡沫干湿度，水管路和包括管路上的流量计分别检测水流量以及泡沫原液流量是否满足场景需求，压力变送器检测混合气压是否达标；若三路介质均满足当前目标值，则打开电动蝶阀，高质量压缩空气泡沫经由泡沫输出口输出以控制火势；
若水流量未达标，则继续检测水流量，重新计算当前所需流量大小，再由执行机构继续调节水流量，循环此步骤，直至水流量满足需求；若泡沫原液流量未达标，同理继续检测计算并调节，直到泡沫原液流量达标为止；若泡沫发生器内气压未达标，同理返回检测，计算并调节气压，直至气压符合目标值；
步骤7：火警解除后，先关闭离心水泵，此时打开空气路排气阀，待泡沫泵和空气压缩机工作一段时间后再关闭，随后关闭所有阀门，关闭控制电源，装置工作结束；
在步骤4中，通过PQ控制算法计算分析管路特性、阀门限流特性以及气液两相流特性，确定各子控制回路中被控对象传递函数，最后根据具体火灾场景需要的压缩空气泡沫确定各个介质的调配标准，经过各控制回路压力流量相互制约、相互调节，得到标准的气液比，配置出与当前火灾场景相适应的压缩空气泡沫；
PQ控制算法具体如下：
根据具体火灾场景所需配置压缩空气泡沫的干湿度确定气液混合比Nah，以此确定气路流量和泡沫混合液流量，再根据气液混合比推算水和泡沫原液的混合比Nwf，以此得到水流量和泡沫原液流量，进而同时分别调节三路的流量；
其中，气液混合比为：
水和泡沫原液混合比为：
式中X取3，4，6；Qa为气路流量；Qh为泡沫原液与水的叠加流量；Y取1，3，6；Qw为水流量；Qf为泡沫原液流量；
确定各路流量后，再将压力变送器检测的压力值与需求值比较而不断调节气液压力，最终产生所需的压缩空气泡沫；
气液压力满足如下关系：
Pa＝KPh
式中，K满足：1.0≤K≤1.15；Pa为气路压力；Ph为泡沫原液和水的叠加压力；
通过以上算法步骤保证装置中三路流量压力可调节，拓宽产生压缩空气泡沫的干湿度。
2.根据权利要求1所述的一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置的控制方法，其特征在于，所述主管路通过三通球阀分别与泡沫路和水路连通。
3.根据权利要求1所述的一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置的控制方法，其特征在于，所述空气管路上设有调节阀和排气阀，所述排气阀连通排气管路，所述排气管路上设置有消声器。
4.根据权利要求1所述的一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置的控制方法，其特征在于，所述输出管路上设置有电动蝶阀，通过电动蝶阀控制泡沫输出口的开通与关闭。
5.根据权利要求1所述的一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置的控制方法，其特征在于，所述空气路还通过一支路与外扩空气压缩机连通，该支路上设置有闸阀。
6.根据权利要求1所述的一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置的控制方法，其特征在于，所述水管路和泡沫管路上均设置有流量计，所述主管路上设置有压力变送器。
7.根据权利要求1所述的一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置的控制方法，其特征在于，所述集装箱内还设置有监控摄像头、温度传感器和烟雾传感器，所述监控摄像头、温度传感器和烟雾传感器分别与控制模块相连。
8.根据权利要求1所述的一种宽适应性集装箱式压缩空气泡沫装置的控制方法，其特征在于，所述控制模块包括PC控制端、泡沫泵启停控制端、电源控制端和消音按键，所述泡沫泵启停控制端包括控制泡沫泵A和泡沫泵B各自启停的启停按钮，以及显示泡沫泵A和泡沫泵B启停的指示灯，所述电源控制端包括电源开关、电压转换开关、故障指示灯和主备电源指示灯。
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