1 引言

森林火灾是破坏森林资源的首要因素，是危害人类生存环境的重大自然灾害。我国每年森林火灾发生的次数和平均每次火灾烧毁的森林面积都高居世界第三位，其中一个重要原因是扑救技术落后，特别是缺乏控制森林大火的有效手段。泡沫灭火不仅是城市消防的重要手段，而且配合森林消防车使用将大大提高森林火灾首次扑救的效率。近年来，国外林火扑救中越来越多地采用压缩空气泡沫系统（CAFS）代替传统的真空吸入式泡沫系统。CAFS生成泡沫的机理是向泡沫混合液内通入一定比例的压缩空气，撞击混合后产生泡沫。对比真空吸入式泡沫系统，CAFS具有以下优点：①出口处泡沫动量大，可以喷射到较远距离，且不易被风吹散；②泡沫均匀，稳定性好，阻火有效时间长；③可获得泡沫的膨胀比范围大，调节容易；④充满泡沫的水龙带很轻，泡沫输送距离长；⑤扑火效率高，泡沫灭火剂用量少。

目前，在CAFS的研究和应用领域，我国仍处于空白状态，参考国外已有的技术和研究成果，设计了一套试验用压缩空气泡沫灭火系统。

2 利用压缩空气产生灭火泡沫的主要方法

2.1 高压气瓶提供压缩空气、压力液罐提供混合液压力的膨胀水系统（WES）

将泡沫混合液装入压力罐中，由充有空气或氮气的高压气瓶给液体加压。压缩空气也由高压气瓶提供，与泡沫液混合生成泡沫。整个系统主要包括高压气瓶和装有混合液的压力罐，无需外部动力，结构简单，只需打开阀门即可工作，特别适合于移动扑火。该装置常用于保护车辆和驾驶员，也可装在集材机上防止木材起火。该系统的压力罐容积范围为0.01~0.2m3，但产生泡沫的参数无法控制，泡沫总量有限。

2.2 利用空气压缩机代替压力罐的WES

由于压力罐不仅质量和体积较大，而且高压气瓶在火场中存在危险。WES用空气压缩机代替高压气瓶（空气压缩机由一个单独的发动机驱动），通过流量调节阀来调节混合液流量。该系统可以实现移动灭火，操作简单方便，便产生泡沫的膨胀比范围小。

2.3 装有消防泵的CAFS系统

用无压容器替代压力泡沫液罐，由离心泵给混合液加压，压缩空气由空气压缩机产生。离心泵通过叶轮带动液体旋转，产生的离心力使液体沿流道甩向叶轮出口并获得能量。该系统具有扬程高、流量适中、体积小、质量轻的特点。CAFS选用离心泵可通过调整发动机转速在一定范围内调节出水压力和流量。

2.4 装有泡沫比例混合器的CAFS系统

以上的泡沫产生装置中，泡沫混合液均为预混后置于压力罐或无压容器中。系统不仅需要较大容器装混合液，而且需预先将原液和水按一定比例混合，混合比例无法改变，扑火过程中难以实现水灭火和泡沫灭火的随时转换，无法充分利用自然水源。装有泡沫比例混合器的CAFS系统将水和原液分别贮存在不同的容器中，可通过比例混合器按所需比例混合成泡沫液。

3 CAFS试验装置的设计

3.1 系统主要参数的确定

混合液和空气的混合压力及流量是CAFS系统的核心设计参数。参考国外现有的设计，混合点处混合液和空气的压力一般为0.5~0.8MPa，而泵出口处到混合点处的压力降为0.1~0.2MPa，压力降取决于泡沫喷枪的喷头尺寸和输送泡沫的水龙带长度以及管路直径等因素。而配合真空泡沫产生器的消防泵的压力一般为0.4~0.8MPa，参考以上参数，确定泵的工作压力为0.8MPa。

泵的流量和空气压缩机的流量有一定比例关系，本试验要求泡沫的膨胀比从低倍数到中倍数，故设计了两组流量组合参数：①水泵流量5~6m3/h，空气压缩机的流量20~25m3/h；②水泵流量10~12m3/h，空气压缩机的流量35~40m3/h。试验用CAFS泡沫流量要求不大，选用第一组流量参数。管道通径一般为1英寸（25mm）或1.5英寸（40mm），考虑到现有实验条件，确定管道系统通径为40mm。试验用CAFS应结构简单，操作方便，因此不设计比例混合装置，水池中为按一定比例预混好的泡沫混合溶液。混合液的流量和压力由调节阀控制，在混合液和压缩空气管路上分别设有流量和压力监控仪表。

3.2 CAFS的动力设计

CAFS系统可选择以下几种动力配置方案：

①系统安装在消防车上，由消防车动力输出轴输出动力，驱动空气压缩机和水泵。此方案体积小，质量轻，适于森林火灾扑救中消防车以中低速移动扑火和建立泡沫阻火隔离带。

②一个单独的发动机同时驱动空气压缩机和消防泵。动力输出不受消防车动力限制，整套系统可装在消防车上移动灭火，也可单独使用作为固定灭火系统，但CAFS系统体积和质量较大。

③消防车动力输出轴驱动消防泵，空气压缩机由一个附加发动机提供动力。消防车可进行水灭火，装上附加的发动机和空压机也可进行泡沫灭火，附加发动机的功率要求不高。

④空气压缩机和水泵分别由两个不同的发动机驱动。这种结构安装方便，但系统装有两个发动机，体积和质量较大。

由于试验是在实验室进行，选用了带有电动机的空压机，旋涡式水泵也由电机单独驱动，工作稳定可靠，噪音小，无排放污染。

3.3 系统主要设备选型和设计

3.3.1 泵的选型

旋涡泵是一种高扬程、低流量的离心泵，适于输送黏度较小的泡沫混合液。按照设计参数，选型号为40W—90的旋涡式水泵，其主要技术参数为：电机功率7.5kW；流量5.4m3/h；扬程90m；转速2900r/min；允许吸上真空高度3.5m。

3.3.2 空气压缩机的选型

空气压缩机是输送气体介质并提高其压力能的机械，目前可供选用的主要有活塞式和离心式。活塞式压缩机能耗低，适应性和灵活性好。根据空气排量设计参数，对规定参数范围内的产品进行比较，选择了PE30100的PUMA皮带传送式空气压缩机，其主要技术参数为：电机功率2.2kW；排气量21m3/h；气缸数2；使用压力0.8MPa；储气筒容量0.1m3。

3.3.3 混合器的设计

混合器是泡沫混俣液和压缩空气混合生成泡沫的装置，其结构决定了气液混合的质量和泡沫的性能。试验用CAFS混合器结构是压缩空气进入位于混合液管路的中心线位置，压缩空气管壁上开有均匀分布的256个Φ1mm小孔，压缩空气进气管与混合液管路成45°角，进入管路后平行于液流方向，端头焊封。

3.3.4 泡沫喷头

喷嘴出口有五种尺寸，分别是8mm、10mm、13mm、18mm和28mm。

3.4 系统管路和控制

3.4.1 管路和连接设计

整套系统最高工作压力可达到1.0MPa，为满足系统压力要求且安装简便，采用了水龙带与镀锌钢管组合输送混合液、氧气软管输送压缩空气的连接设计。

3.4.2 调节阀

生成的灭火器泡沫膨胀比应能在较大范围内调节，由于选择的压缩机流量有限，因此需要调节混合液的流量，在涡轮流量计的下游设置调节阀。按照设计要求，选用带波纹管的球阀作为调节阀来调节管道中的流量和压力，调节阀的型号为T40H-16，通径40mm，公称压力1.6MPa。为在恒定压力下获得不同混合液流量，在泵的出口处设计了溢流旁路，由一个楔形闸阀控制，通径为20mm。通过两个调节阀可以获得混合液压力和流量的不同组合，生成性能指标不同的灭火泡沫。

3.4.3 单向阀

为防止混合液倒流入气体流量计，选用H11W-16P型单向阀，通径25mm，公称压力1.6MPa。为防止气体倒流入泡沫混合液，选用H447-10旋启式单向阀，通径40mm，公称压力1.0MPa。

3.4.4 压力监控装置

分别在调节阀前300mm处和混合点空气入口后90mm处连接压力表，监控混合液的压力。

3.4.5 流量控制装置

①玻璃转子式流量计监控气体流量

玻璃转子流量计属于浮子式流量计，适用于低压、常温、不带颗粒的透明液体和气体。本系统中选用LZJ-25型流量计监控压缩空气流量。其技术参数为：通径25mm；流量范围1~25m3/h；温度范围0~120℃；压力范围≤1.0MPa。

②涡轮流量计监控混合液流量

涡轮流量传感器是一种精密流量测量仪表，安装在管道内与流量积算仪配套可测量液体的流量。当被测流体流经传感器时，传感器内的叶轮因流体的动能而产生旋转，叶轮周期性改变磁电感应系统中的磁阻值，使通过线圈的磁通量周期性变化而产生电脉冲信号，经放大器放大后传送至积算仪，测量瞬时流量和总流量。根据设计要求，选用型号LWGY-40型涡轮传感器及XSF-40A型流量指示积算仪。其技术参数为：公称通径40mm；流量范围2~20m3/h；温度范围-20~120℃；公称压力≤2.5MPa。

4 结论及建议

①在试验用CAFS的基础上，可设计与运载车辆配套的移动式CAFS装置。将系统装载在一个小车上，以方便上下森林消防车。利用森林消防车原有的水箱，通过比例混合器产生泡沫混合溶液，再与压缩空气混合产生灭火泡沫。这套系统在水源充足或泡沫液缺乏时可方便地喷水灭火。CAFS系统的主要部件如空气压缩机、消防泵等在我国已有可供选用的定型产品。

②森林火灾扑救用CAFS需较大的膨胀比范围，以满足直接和间接扑火的不同需求；采用汽车动力输出轴为动力源的较复杂，移动扑火也受到限制，建议采用单独的发动机驱动空气压缩机和消防泵；为改善发泡性能，喷头内可增设发泡网；不同扑火作业项目可使用不同直径的喷嘴，以获得不同的出口泡沫动量；由于系统工作压力一般在0.8MPa左右，密封要求较高，建议系统采用镀锌钢管螺纹连接。

③CAFS技术可在内蒙和东北林区普遍推广，其运载车辆如A531型装甲运兵车、BFC804型森林消防车在我国东北林区已有成功使用的经验，森林消防专业队伍装备该系统将显著提高火场控制能力，大大减少森林火灾的损失。CAFS还可广泛用于城镇和工矿消防战线，日后将为我国现代化建设和国民经济发展带来巨大的经济和生态效益。