激光焊風(fēng)機(jī)自主滅火系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

蘇鳴宙 吳碧云

上汽大眾汽車有限公司安亭汽車二廠 上海市 201805

1 引言

在生產(chǎn)車間中，打磨灰塵、焊接煙塵等粉塵均為可燃物，由吸風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行收集。其中，由于激光焊煙塵量大、焊接溫度高的特點(diǎn)，激光焊風(fēng)機(jī)的粉塵收集率高，常常造成過濾網(wǎng)堵塞，極大增加了火災(zāi)、火警時(shí)間的風(fēng)險(xiǎn)。吸風(fēng)系統(tǒng)的有效運(yùn)行與車間的生產(chǎn)安全、工作人員的生命安全息息相關(guān)，激光焊風(fēng)機(jī)是吸風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分。特別是，公司規(guī)劃部門制定《激光焊消防設(shè)施配置標(biāo)準(zhǔn)（20190630）》，進(jìn)一步對(duì)激光焊風(fēng)機(jī)消防防護(hù)提出了更高要求。因此，在激光焊風(fēng)機(jī)中配置自主滅火系統(tǒng)，保證車間吸風(fēng)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效、安全、可控的運(yùn)行具有重要意義。

2 激光焊風(fēng)機(jī)自主滅火系統(tǒng)的方案設(shè)想

2.1 車間現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，車間中的激光焊風(fēng)機(jī)處于“零監(jiān)控”狀態(tài)，一旦發(fā)生自燃、陰燃等情況，如未得到及時(shí)、有效的處置，后果不堪設(shè)想。例如，在某次安全排查中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)過濾箱中存在一個(gè)濾筒發(fā)生陰燃，周圍三個(gè)濾筒已經(jīng)被熏黑的情況。車間現(xiàn)場(chǎng)上被熏黑的斑駁的墻壁，正無聲的宣示著風(fēng)機(jī)系統(tǒng)“零監(jiān)控”狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)與隱患，車間風(fēng)機(jī)的消防防護(hù)工作較為被動(dòng)，亟待進(jìn)一步優(yōu)化和改造。

2.2 市場(chǎng)現(xiàn)有改進(jìn)設(shè)備

經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)有的激光焊風(fēng)機(jī)可以選配二氧化碳自動(dòng)滅火裝置，配備3.5kg的滅火劑，達(dá)到對(duì)火災(zāi)能夠自主監(jiān)控的效果。同時(shí)，該設(shè)備也存在一定的短板，一是設(shè)備費(fèi)用投入和維護(hù)成本高，每臺(tái)費(fèi)用約3.5萬元，且每次險(xiǎn)情另付140元處理費(fèi)以及部分維護(hù)費(fèi)用，使用壽命為10年；二是滅火失效短，長(zhǎng)期高溫和大量的可燃物，極可能發(fā)生復(fù)燃事件；三是火情部分可控，滅火劑僅為3.5kg，如火勢(shì)較大、燃燒范圍較廣則難以控制。

2.3 基于惰性氣體的激光焊風(fēng)機(jī)自主滅火系統(tǒng)

經(jīng)研究現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的電路結(jié)構(gòu)，作者對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化改造，一是引入溫感系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)機(jī)設(shè)備的機(jī)體表面溫度；二是引入聲光報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)體表面溫度高于警報(bào)閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警；三是引入電磁閥和繼電器，溫度達(dá)到閾值后，驅(qū)動(dòng)電磁閥接入惰性氣體，驅(qū)動(dòng)繼電器斷開風(fēng)機(jī)電源。利用惰性氣體比重重于空氣的特點(diǎn)，通過窒息滅火法，降低燃燒物周圍氧氣濃度從未起到滅火效果，且氣體供應(yīng)持久，可以完全控制火勢(shì)進(jìn)展，達(dá)到主動(dòng)控制、完全可控的效果。

3 激光焊風(fēng)機(jī)自主滅火系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 惰性氣體

氣體滅火系統(tǒng)通常是指滅火劑以液體、液化氣或者純氣體狀態(tài)存儲(chǔ)處于壓力罐中，在使用時(shí)以氣霧狀態(tài)噴射作為滅火介質(zhì)，達(dá)到隔絕氧氣、阻斷燃燒條件的滅火系統(tǒng)，具有綠色環(huán)保、無二次分解物、滅火保護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。在消防工作中，常見的惰性氣體為氬氣、氮?dú)?、二氧化碳等阻止燃燒反?yīng)發(fā)生的氣體或液體。在本次試驗(yàn)中，作者選取了80%氬氣和20%二氧化碳的混合物作為實(shí)驗(yàn)氣體。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證惰性氣體混合物在不同燃燒物燃燒狀態(tài)的抑制速度和抑制效果，實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置了4組對(duì)照物，選取了燃燒的乙醇（99.5%）作為樣本一，模擬明火；燃燒的木炭作為樣本二，模擬板結(jié)成塊的粉塵；燃燒的蚊香作為樣本三，模擬陰燃的粉塵；燃燒的無紡布作為樣本四，模擬其他可燃異物。在燃燒開始后，注入惰性氣體，分別檢測(cè)四組樣本在15秒、10分鐘、13分鐘后的燃燒狀態(tài)和燃燒溫度，以及在脫離實(shí)驗(yàn)環(huán)境后，四組樣本的復(fù)燃情況。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)開始，四組樣本均處于燃燒狀態(tài)，溫度高于32度，發(fā)出溫度警報(bào)；持續(xù)注入惰性氣體15秒后，燃燒的乙醇（樣本一）和燃燒的無紡布（樣本四）熄滅，燃燒的木炭（樣本二）和燃燒的蚊香（樣本三）依舊處于燒紅狀態(tài)；7分40秒后，四組樣本均處于熄滅狀態(tài)且已無余溫。

需要說明的是，為了保障實(shí)驗(yàn)的可視性，本次實(shí)驗(yàn)所用的混合氣體壓力為0.05mpa，實(shí)際工作中最大壓強(qiáng)為0.3mpa，是實(shí)驗(yàn)的6倍。理論上，滅火效果應(yīng)為達(dá)到現(xiàn)在滅火水平的6倍。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程來看，15秒后明火熄滅；117秒后，燃燒反應(yīng)均得到有效抑制，放熱反應(yīng)及溫度呈下降趨勢(shì)；7分40秒后，燃燒樣本均熄滅，實(shí)驗(yàn)溫度回歸正常。脫離實(shí)驗(yàn)環(huán)境后（充分暴露在空氣中），四組樣本仍然具有可燃性，且均沒有復(fù)燃，充分證明四組樣本已完全處于熄滅狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)可以充分證明，惰性混合氣體可快速熄滅明火、抑制燃燒進(jìn)展，有效阻止陰燃事件發(fā)生。

表1 四組樣本燃燒情況表

4 激光焊風(fēng)機(jī)自主滅火系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益

4.1 現(xiàn)狀及引入現(xiàn)有設(shè)備的成本測(cè)算

在企業(yè)生產(chǎn)中，安全和效益均是決定企業(yè)是否盈利的關(guān)鍵因素。按照國(guó)家有關(guān)消防要求及公司戰(zhàn)略部署，改善現(xiàn)階段車間激光焊風(fēng)機(jī)消防防護(hù)水平勢(shì)在必行?，F(xiàn)階段，激光焊風(fēng)機(jī)消防系統(tǒng)處于“零防護(hù)”狀態(tài)，缺乏實(shí)時(shí)有效的安全監(jiān)控，一旦發(fā)生火災(zāi)事件，輕則造成設(shè)備資產(chǎn)損失，重則造成人員傷亡，損失無法估計(jì)。

為解決上述問題，從根源上杜絕火災(zāi)事件發(fā)生，作者對(duì)現(xiàn)生產(chǎn)所用的激光焊風(fēng)機(jī)進(jìn)行充分研究，并對(duì)市場(chǎng)設(shè)備詳細(xì)調(diào)研，現(xiàn)有吸風(fēng)設(shè)備可以選裝二氧化碳自動(dòng)滅火裝置：平均每年使用成本約3528元。

該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)功能：一是帶溫度探測(cè)，檢測(cè)腔體內(nèi)部溫度變化進(jìn)行滅火；二是帶有聲光報(bào)警系統(tǒng)，并可手動(dòng)釋放。從工作實(shí)際出發(fā)，該設(shè)備存在以下風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)：一是火情控制能力受二氧化碳滅火劑量影響，滅火持久力較弱，僅可在短時(shí)間內(nèi)控制火情蔓延；二是缺乏風(fēng)機(jī)電源阻斷裝置，無法從根源上解決問題。針對(duì)該設(shè)備的功能及局限性，作者使用現(xiàn)有元件設(shè)備對(duì)激光焊風(fēng)機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造。

圖1 某二氧化碳自動(dòng)滅火裝置

4.2 激光焊風(fēng)機(jī)自主滅火系統(tǒng)的改造方案設(shè)計(jì)和實(shí)施使用

本著利舊優(yōu)化、節(jié)約成本的原則，為實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)控、高溫報(bào)警、自動(dòng)斷電、自動(dòng)輸氣滅火等功能，作者按照?qǐng)D2示意圖，充分利用自主加工、網(wǎng)絡(luò)、車間拆卸舊物等，準(zhǔn)備了24V變壓器、貼片式溫度傳感器、溫度控制器、繼電器、電磁閥、聲光報(bào)警燈、專用氣接頭、電氣柜箱、單次滅火用氣等設(shè)備裝置，對(duì)激光焊電機(jī)自主滅火系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行安裝調(diào)試。

圖2 激光焊風(fēng)機(jī)自主滅火系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)激光焊風(fēng)機(jī)自主滅火系統(tǒng)整機(jī)已完成安全及調(diào)試，并投入使用。實(shí)體如圖3所示。設(shè)備共分為五個(gè)模塊，如光標(biāo)所示，圖標(biāo)1是惰性氣體注入口接入由PLC控制，PLC與溫度傳感器連接，當(dāng)溫度高于32攝氏度時(shí)，驅(qū)動(dòng)電磁閥惰性氣體入口打開；圖標(biāo)2是溫度傳感器，32攝氏度為警報(bào)閾值；圖標(biāo)3是電磁閥與PLC，是主要控制模塊；圖標(biāo)4是聲光報(bào)警燈，一旦溫度高于32攝氏度，聲光報(bào)警燈響；圖標(biāo)5是繼電器斷路開關(guān)，溫度高于32攝氏度，PLC驅(qū)動(dòng)繼電器斷路開關(guān)打開，切斷風(fēng)機(jī)工作供電。

圖3 激光焊風(fēng)機(jī)自主滅火系統(tǒng)實(shí)物圖

4.3 激光焊風(fēng)機(jī)自主滅火系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)測(cè)算

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本是能否投入量化使用的關(guān)鍵?？紤]到企業(yè)設(shè)備更新?lián)Q代快的特點(diǎn)，許多老舊的零部件依然能夠正常使用，作者充分利用現(xiàn)有資源，改造實(shí)現(xiàn)了激光焊風(fēng)機(jī)自主滅火系統(tǒng)，設(shè)備投入成本詳見表2。

表2 激光焊風(fēng)機(jī)自主滅火系統(tǒng)投入設(shè)備成本測(cè)算

從上表可以看出，投入成本中僅有“滅火用氣”為變量，作者對(duì)單次用氣成本進(jìn)行測(cè)算， 根據(jù)現(xiàn)有的惰性氣體滅火標(biāo)準(zhǔn)，混合氣體不屬于常規(guī)的滅火氣體，同時(shí)，為便于計(jì)算，本次測(cè)算先按照氬氣滅火進(jìn)行測(cè)算，再根據(jù)混合氣體比例構(gòu)成測(cè)算混合氣體總用量。具體如下。

實(shí)際滅火對(duì)象主要為焊渣、金屬化合物及灰塵等，按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4968-85《火災(zāi)分類》的規(guī)定，屬于固體物質(zhì)類火災(zāi)，可以定義為A類火災(zāi)，藥量滅火濃度按照36.2%計(jì)算。假設(shè)，滅火藥劑氣體為勻速流入，則用藥劑量的計(jì)算公式：

其中：

為保護(hù)區(qū)環(huán)境溫度；

為0.56119在每1013米內(nèi)；

為0.00205在每1013米內(nèi)；

為藥劑滅火濃度；

為保護(hù)區(qū)體積；

為藥劑用量。

在工作環(huán)境中中，V為1.03平米，T為25攝氏度，C為36.2，為0.56119；為0.00205，代入公式后為：

根據(jù)上述公式可得出Q為0.745kg。按照80%氬氣和20%二氧化碳的混合氣體比例，則混合氣體總需求為0.931kg，其中，氬氣占0.745kg，二氧化碳占0.186kg。經(jīng)換算，單次滅火所需混合氣體約0.346立方米。經(jīng)調(diào)研了解，每立方米混合氣體售價(jià)為3.83元，則單次滅火氣體費(fèi)用約1.32元。

綜上，激光焊風(fēng)機(jī)自主滅火系統(tǒng)具備可長(zhǎng)時(shí)間工作、完全可監(jiān)控的明顯優(yōu)勢(shì)，且經(jīng)濟(jì)成本低廉，完全兼顧企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和安全需求。

5 結(jié)語

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)整個(gè)車間的空氣除塵凈化工作，特別是激光焊風(fēng)機(jī)是重中之重，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)是保證工作和工作人員安全的關(guān)鍵。隨著國(guó)家和企業(yè)對(duì)安全生產(chǎn)的關(guān)注和重視，在高效的前提下，節(jié)約資源、壓縮成本、自主創(chuàng)新，充分體現(xiàn)了企業(yè)一線工作者嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作態(tài)度、求真務(wù)實(shí)的鉆研精神和敢想敢干的工作熱情。本文提出的激光焊風(fēng)機(jī)自主滅火系統(tǒng)既保證風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及各項(xiàng)工作的運(yùn)行安全，又極大程度的壓縮了設(shè)備投入成本，最終創(chuàng)新性的解決了實(shí)際工作困難，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)的自主監(jiān)控、完全可控。