大流量移动应急制氮系统设计与应用

大流量移动应急制氮系统设计与应用
Design and Application of Large Flow Mobile Emergency Nitrogen Production System
刘小羊 王振刚 颜江鲁
（湖南中联重科应急装备有限公司，湖南 长沙 410200）
摘要：针对无水无损应急救援存在的问题，提出采用移动制氮系统满足持续氮气供给需求的必要性。

重点论述了移动应急制氮系统组成及其控制系统，分析了移动制氮系统在应急救援领域的应用场景。

同时，本文对移动制氮系统未来应用方式和模式提出了建议，为移动制氮系统在应急救援应用领域推广上提供参考。

关键词：无损无水灭火；移动制氮系统；控制系统中图分类号：U469.6+8 文献标识码：A
持续性无水无损灭火是应急救援灭火装备的难题，如酒窖、计算机室、博物馆及图书等密闭空间需要采用无损灭火；锂、钠等活泼金属及其他遇水、遇湿、易燃易爆等危化品火灾需要使用无水灭火。

氮气具有绿色环保的特点，是无损无水灭火的最优选介质。

氮气作为一种惰性气体介质，不仅可以直接窒息灭火，也可作为干粉、泡沫等灭火剂的驱动气源，在应急救援领域发挥重要作用。

应急救援现有技术中，氮气存储在固定或车载式高压容器中，使用时通过减压后输送至现场。

受限于高压氮气瓶容量，在处置大型密闭空间如仓库等火灾时，无法实现连续正压供给，灭火效能差。

同时氮气存储占用大量空间，需要一定的维护成本。

因此，具备利用救援现场空气直接制取高纯度氮气功能的移动制氮系统具有较大的研究价值和应用前景。

1 膜分离制氮技术
膜分离制氮技术是一种成熟的工业制氮方法，其工作原理是以空气为原料，在一定压力条件下，利用氧和氮等不同性质的气体在中空纤维膜中具有不同的渗透率来使氧和氮分离[1]。

膜制氮技术将氮气制取与实际使用结合在一起，解决了传统氮气罐、液氮供应的氮气储存及运输等问题，启动和停止迅速，可随时制取随时应用。

与其他制氮技术相比，膜制氮设备体积相对较小，结构紧凑、节省环境适应性强，系统集成简单，氮气产生速度极快，非常适合移动类装备。

2 移动应急制氮系统结构设计
移动制氮系统由底盘及动力系统、车身、空压机、冷
却系统、膜分离制氮系统、氮气存储系统、氮气增压系统及整机控制系统等组成，其主要组成如图1所示。

图1 大流量移动应急制氮系统结构组成
底盘及动力系统为移动制氮系统提供动力来源，空压机可将现场的空气进行压缩，为膜分离制氮系统提供带压氮气。

氮气存储系统可将膜分离制氮系统产生的氮气进行存储和使用。

氮气增压系统可将膜分离制氮系统产生的氮气进行二次增压，为其他救援装备提供高压氮气供给。

2.1 底盘及动力系统计算
现有固定式制氮系统一般采用柴油机作为动力，柴油机外形尺寸大，占据空间多，不适用于大流量移动式制氮系统。

为了解决现有柴油机动力系统尺寸过大，占用整机空间过多的问题，采用消防专用大功率二类底盘发动机作为驱动动力源，通过专用底盘上加装动力分离装置，将制氮系统与底盘动力系统合二为一。

行驶时，底盘发动机动力驱动底盘行走，制取氮气时，底盘驻车，动力分离装置将底盘发动机动力切换至制氮系统。

结合制氮系统流量900m³/h ，出口压力1.0MPa 设计需求，根据膜制氮空气与氮气产出比系数0.55，空压机选用德国GHH 公司CE177G 型螺杆式空压机，其额定工况参数见表1所示：
底盘采用中国重汽汕德卡ZZ5356V524MF5底盘，选用斯宝分动箱断轴取力器，增速比为1.03；该底盘所配置的发动机为重汽MC11.46-60，功率341kW ，可满足使用空压机动力要求。

2.2 膜分离制氮系统设计
本项目设计的膜分离制氮系统流量为900m³/h ，纯度为90%，出口压力1.0MPa 。

空压机产生的带压空气经过三级过滤器后进入加热器。

加热器将过滤后的空气进行加热以保证空气的温度在45℃～55℃之间。

加热器加热后的空气经过活性炭过滤器去除油污等杂质，经过进气调节阀进入中空纤维膜，利用氮气和氧气在中空纤维膜中的渗透速率不同进行分离。

氧气在中空纤维膜中渗透速率快，在膜的一侧快速聚集并汇集到富氧排放处排出。

氮气由于渗透速率慢在另一侧聚集形成合格氮气向终端用户输出，其主要组成及原理如图3。

与传统膜制机相比，本项目设计的膜分离制氮系统根据车载空间布置及实际使用要求，将空气冷干机功能集成在空压机冷却风扇系统中，并在压缩空气进入中空纤维膜前设计
两级温度报警及控制系统。

中空纤维膜氮氧分离效率最高的温度区间为45℃～55℃之间，为保证中空纤维膜的最佳产氮温度，加热器前高温报警温度设定为50℃，加热器后高温报警温度设置为55℃，超温停机保护温度设置为60℃。

膜分离制氮系统配备进气自动调节阀，可根据实际使
用需求设置对应流量，满足流量多样化要求。

中空纤维膜后端有氧含量检测系统。

当氧含量大于10%时，产生的氮气为不合格品，系统自动将其向大气中排放。

五级过滤器排污口汇总至一处，系统可自动检测过滤器滤芯状态，具备自动排污和维护保养提醒功能，维修方便。

3 电气系统设计
电气系统主要由整车智能控制器、总控HMI 、控制面板、氮气制取控制器、传感器、通信总线、执行机构1、执行机构2等组成。

执行机构1包含底盘发动机、底盘变速箱、底盘取力结合、空压机、阀门等。

执行机构2包含制氮系统加热器、制氮系统调节阀等。

用户可通过总控HMI 查看底盘发动机转速、空压机转速、空压机排气压力、空压机排气温度、氮气流量、氮气压力、氮气纯度、制氮系统异常状态等数据，也可通过总控HMI 输入氮气参数预设值，如设定氮气流量、氮气压力、氮气纯度等。

用户可通过总控HMI 对氮气制取过程进行手动干预，如调整底盘转速、控制氮气制取进程的启停、阀组控制等。

本项目根据应急救援需求，氮气制取系统控制器根据整车智能控制器提供的启停信号、氮气纯度预设值，控制执行机构2
，进行氮气制取，其主要控制逻辑如图5所示。

控制系统运行过程中，整车智能控制器存储用户设定
图2 
底盘动力及传动系统
流量：
的氮气纯度和氮气流量预设值，程序检测用户通过HMI 或控制面板或其他输入设备输入的氮气制取启动命令，程序开始启动氮气制取流程。

控制发动机点火，发动机与空压机取力结合，空压机获得动力，整车智能控制器保持与空压机控制器实时通信，获取空压机的排气压力、排气温度、报警值等数据，判断空压机排气温度是否正常，超过50℃将立即切断空压机动力，空压机强制停机。

如排气温度正常，待排气压力达到1.0MPa 时，整车智能控制器向制氮机发送启动复位、启动命令，保持与制氮机控制器实时通信获得氮气流量、压力、纯度、报警值等数据。

当用户锁定纯度模式时，控制系统实时记录氮气出口纯度并将其与用户预设氮气纯度值对比。

氮气出口纯度值低于用户预设值时，自动控制阀自动将出气口阀门开度减少；氮气出口纯度值高于用户预设值时，自动控制阀自动将出气口阀门开度增大。

当用户锁定流量模式时，控制系统实时记录氮气出口流量与用户预设氮气流量值对比，氮气出口流量低于用户预设值时，控制发动机自动加速；氮气出口流量高于用户预设值时，控制发动机加速。

程序监测用户通过HMI 或控制面板或其他输入设备输
入的氮气制取停止命令，整车智能控制器向制氮机控制器发送停止命令，缓慢降低发动机转速，断开空压机与发动机取力，向空压机控制器发送停止命令，制氮过程结束。

4 大流量移动应急制氮系统应用分析
4.1 密闭空间持续浸渍灭火
通常当空气中氧气浓度降到15%以下时，燃烧将不能继续。

氮气的灭火原理是采用物理灭火方式，通过降低氧气浓度，使其不支持燃烧，整个过程不产生任何化学反应，对于相对密闭的空间，氮气灭火效果是理想的[2]。

移动制氮系统可持续进行正压氮气供给灭火。

作业过程中，全程无腐蚀作用，不导电，火灾后的现场易于清理。

基于此特性，移动制氮系统可广泛应用于图书馆、博物馆等高要求的文化场馆及博物馆中不能受潮、霉变的珍贵物品火灾。

4.2 持续驱动干粉灭火
干粉类消防车主要是通过高压氮气瓶减压到额定压力后给干粉罐内充气，干粉罐内干粉在带压氮气的作用下处于流化状态，打开干粉罐阀门后喷入灭火场所。

目前市场上主流干粉消防车配备6吨干粉和18个氮气瓶，干粉炮按40kg/s 速率喷射仅能维持3分钟的喷射时间。

受限于氮气瓶容量，干粉灭火的功能受到极大限制。

移动制氮系统的研制可改变传统干粉灭火作战方式，
利用大流量移动制氮系统持续制取氮气，与多台大吨位干粉消防车协同作业。

移动制氮系统氮气配有多个供氮管路插头，
干粉消防车上配有氮气快速接口。

干粉灭火作业时，移动制氮系统通过供氮管路为多台干粉消防车交替提供氮气支持，
图4 整车控制系统
图5 氮气制取控制逻辑图
（下转第72页）
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收稿日期：2023-06-07
作者简介：张斌，博士,教授级高级工程师，研究方向为工程流体系统及其部件内流特性的机理研究、数值仿真与优化
设计。

实现干粉的连续喷射，解决大型危化品无水火灾扑救难题。

4.3 压缩氮气泡沫灭火
与其他气体泡沫灭火技术相比，氮气泡沫稳定性高，不易破裂，具有固氮、冷却降温、抑爆、持久惰化等多种作用[3]。

从国内多个研究机构开展的试验研究可知，对于油罐等敞口火灾，氮气泡沫是一种新型高效的防灭火技术。

目前氮气泡沫主要是利用存储的高压氮气或液氮作为气源，氮气供给能力受限，无法满足大型油罐类火灾需求。

移动制氮系统可直接产生氮气，通过与供液车、举高类作战消防车配合作战，可实现大流量压缩氮气泡沫举高喷射，具有流量大、射程远、作业幅度大、灭火效能高的特点，可穿透大型火灾火羽流，快速形成高稳定性、保护作用时间长的泡沫覆盖层，在扑灭各类大型火灾时发挥关键作用，尤其是扑救石化类大型储罐火灾等大规模石油化工火灾的尖兵利器[4][5]。

4.4 氮气供给
在应急救援中，现有消防车存储的高压氮气或液氮需要多次补给。

现有氮气供给站数量少，距离救援现场距离远，及时补给困难。

移动制氮系统可利用增压系统随时为消防车进行高压氮气补给。

5 结论及展望
本文设计一套大流量移动制氮装备，该装备可实现氮气流量、纯度的自动调节和设定。

在控制面板上输入氮气参数如流量、纯度，控制系统将自动匹配底盘动力转速与空压系统，通过制氮逻辑策略库，实现氮气流量、纯度自动匹配，满足使用多样性要求。

大流量移动制氮装备开发成功后，已在全国多个消防支队参与消防演练并取得成功，目前已在海南消防救援总队实现销售。

大流量移动制氮系统作为一种新型的应急救援装备，由于其具有制氮迅速、流量持续、应用广泛、机动灵活的特点，目前已受到国内多家研究机构及消防装备研发企业的高度重视，部分消防救援队已开始列装移动制氮消防车。

但移动制氮系统在国内的应用处于初期，其救援作战方式及模式目前仍处于探索阶段。

因此，针对无水无损及危化品特殊火灾，氮气密闭空间持续正压灭火、氮气持续驱动干粉灭火、氮气与举高类灭火消防车协同作战等救援作战方法是移动制氮系统救援的研究方向。

参考文献
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收稿日期：2023-06-07
作者简介：刘小羊，硕士，工程师，主要从事特种消防装备的设计开发。