新型消防演练仿真液化气瓶的设计研究

徐凤¹ 韩超² 李刚³ 孙泽东¹ 李贺文¹阳一帆¹ 陆海燕¹

（1. 新疆大学 建筑工程学院，新疆 830000；2. 新疆凝石工程技术有限公司 新疆 830000；3. 新疆维吾尔自治区消防产品质量监督检验站，新疆，830000）

摘要：针对消防人员在液化气瓶火灾救援及模拟训练中可能造成爆炸伤人等严重危害的现状，利用阻燃材料、热储能块、温度继电器、电磁阀等对普通液化气瓶进行重新设计改造。实验表明：实验气瓶可在800℃以上火焰内加热20min，而气瓶内表面温度小于30℃，气瓶缸体无任何变形。这种自动化控制程度高的新型消防演练仿真液化气气瓶有效提高了灭火救援训练的针对性、有效性、安全性。

关键词：消防演练；仿真气瓶；爆炸；阻燃材料；电磁阀

1 前言

液化气瓶着火是家庭火灾、餐饮商铺中最常见的一种。因此，对液化气瓶着火进行有效的灭火处置也成为消防人员日常训练的必修科目之一^[1]。在消防人员实训过程中，通常都是使用家用的液化气瓶进行模拟训练。在火中燃烧的液化气瓶，由于燃烧，瓶体受热，温度升高，液化气瓶内液化气急剧膨胀，稍有不慎极易引发爆炸，对训练人员的生命安全造成威胁。如果在实训过程中使用不充气的空液化气瓶进行模拟训练，虽然不会发生由于温度过高导致气瓶爆炸的现象，但是对受训人员起不到火场救援心理承受力的训练，对真火救援留下隐患^[2]。

因此，课题组针对消防人员在液化气瓶火灾救援及模拟训练中可能造成爆炸伤人等严重危害的现状，开展新型仿真液化气瓶演练装置的研究。通过巧妙利用阻燃材料、储能模块、温度继电器和电磁阀等对液化气瓶进行重新组装改造，有效控制燃烧液化气瓶温度，实现燃烧液化气瓶出气阀门的自动开启、关闭及液化气瓶自动点火燃烧、熄灭等。对推进消防演练装置自动化，锻炼受训人员心理承受力，提高训练环境与真实火场的契合度有重大意义。对提高训练科目的科学性、安全性、时效性有重大的现实意义。对建设绿色、和谐、节能、环保型社会具有重要意义^[3-5]。

2 新型消防演练仿真液化气瓶的设计研究

2.1设计原理

在YSP23.5/9.8 L液化气瓶中放置液化气瓶YSP4.7/4.7L，巧妙利用阻燃材料、热储能块、温度继电器、电磁阀等对液化气瓶YSP23.5/9.8L进行重新设计改造，有效控制燃烧液化气瓶温度，实现燃烧液化气瓶出气阀门的自动开启、关闭及液化气瓶自动点火燃烧、熄灭等。

阻燃材料采用硅酸铝保温毯。对液化气瓶YSP23.5/9.8L与内部液化气瓶YSP4.7/4.7L进行有效隔温，延缓由于外界环境着火燃烧，液化气瓶YSP23.5/9.8L向内部液化气瓶YSP4.7/4.7L传导热量，有效防止燃烧液化气瓶气体膨胀、爆炸的发生。

热储能块采用紫铜板，延缓能量传递，保护温度继电器由于温度升高过快而损坏。同时，紫铜板延迟传递能量，给消防演练仿真装置工作提供了一定的时间。

温度继电器选用60～80℃的，有效控制电磁阀的启闭。从而控制消防演练仿真液化气瓶出气阀门的自动开启、关闭及液化气瓶自动点火燃烧、熄灭等。资料表明气瓶温度达到62℃就可能引起超压泄露，因此选用60～80℃的温度继电器。

2.2 电气控制原理

热储能块安装在液化气瓶YSP23.5/9.8L的内壁上，热储能块另一端与60～80℃的温度继电器相连接。当热储能块给温度继电器传递的温度达到60～80℃时，电路闭合，电磁阀打开。消防演练仿真装置中液化气瓶YSP4.7/4.7L自动向外部供气，液化气瓶YSP23.5/9.8L瓶口自动喷出液化气。当继电器温度低于60℃时，电路断开，电磁阀关闭，消防演练仿真装置瓶口停止向外部供气。当充气按钮按下，电路闭合，电磁阀打开，给消防演练仿真装置液化气瓶YSP4.7/4.7L中充气。当充气按钮断开，电路断开，电磁阀关闭，充气停止。当继电器温度为60～80℃或充气按钮按下其一种情况发生时，电路都会闭合，电磁阀打开；当两种情况都不发生时，电路断开，电磁阀关闭。电气控制原理图，如图1所示。

图1 新型消防演练仿真液化气瓶的电器控制原理图

2.3 充气气路原理

新型消防演练仿真液化气气瓶充气气路图见图2。瓶头角阀与充气气瓶管连接，手动按住消防演练仿真装置底部充气按钮，电磁阀打开，气源自动经过液化气瓶YSP23.5/9.8L瓶头角阀，液化气瓶YSP23.5/9.8L与液化气瓶YSP4.7/4.7L连接铜管，进入液化气瓶YSP4.7/4.7L中，直至充满。松开充气按钮，电磁阀关闭，气源停止向消防演练仿装置充气。液化气瓶YSP23.5/9.8L瓶头角阀可以处于常开状态。

图2 新型消防演练仿真气瓶液化气回路连接图

2.4 结构设计

新型消防演练仿真液化气瓶的结构如图3所示，三维图见图4。新型消防演练仿真液化气瓶主要由一大一小两个液化气瓶，液化气瓶YSP23.5/9.8L、液化气瓶YSP4.7/4.7L组成，还有电磁阀、6V-1.5A/h蓄电池、连接片、热储能块、温度继电器、电线等^[6]。连接片主要是改造液化气瓶YSP23.5/9.8L时在其内部装填组件的切割、安装连接口。在标准YSP23.5/9.8L与液化气瓶YSP4.7/4.7L之间填充硅酸铝保温毯，一层层包裹在液化气瓶YSP4.7/4.7L外侧。热储能块为长宽高40mm×20mm×15mm紫铜板，4块，均匀安装在液化气瓶YSP23.5/9.8L内壁上。4块紫铜板另一端与4个60～80℃温度继电器相连接。1个6V-1.5A/h蓄电池与4个60～80℃温度继电器,1个电磁阀相连接构成闭合电路。热储能块主要起保护温度继电器的作用。当燃烧液化气瓶瓶体温度急剧升高，瓶体温度瞬间达到60～80℃，继电器很容易超过工作温度而烧坏。因此，安装热储能块延缓温度升温过快，有效保护温度继电器。

图3 新型消防演练仿真液化气瓶的结构图          图4 新型消防演练仿真液化气瓶的三维结构图

4 新型消防演练仿真液化气瓶的实验研究

4.1 充气过程

手动按压充气按钮，进行充气，待气瓶充满后松开充气开关即可。

4.2 训练过程

首先将已充满液化气的试验气瓶放置在能控制火焰的燃烧容器中，令燃烧的火焰直接加热试验气瓶。当试验气瓶内热储能块温度达到60～80℃时，温度继电器导通，电磁阀开启，试验气瓶排出液化气的同时被火焰点燃。此时，训练人员携带着火的试验液化气瓶奔向安全区域。带着火焰的试验液化气瓶离开燃烧的火焰后，等待一段时间，待气瓶壳体温度下降至60℃时，热继电器断开，电磁阀关闭，液化气停止释放，带火焰的试验液化气瓶火焰会自动熄灭。

4.3 试验结果

通过多次试验，新型消防演练仿真液化气瓶可在800℃以上火焰内加热20min，而液化气瓶YSP4.7/4.7L表面温度小于20℃，远远达不到气瓶受热膨胀爆炸温度，所以训练非常安全。同时液化气瓶YSP23.5/9.8L缸体无任何变形。表明阻燃材料有效发挥作用。试验中发现，一次训练中新型消防演练仿真装置气瓶燃烧可持续10-20min，满足训练时间的要求，说明热储能块有效发挥作用，温度继电器选用60～80℃适合。新型消防演练仿真气瓶实物见图5。

                      图5 新型消防演练仿真气瓶实物图

5 新型消防演练仿真液化气瓶的效益分析

5.1 安全效益

（1）新型消防演练仿真装置安全性高，大大减少受训人员的伤亡。以前实训过程中，通常都是使用家用液化气瓶进行模拟训练，稍有不慎极易引发爆炸。现在使用阻燃材料，有效阻隔液化气瓶YSP4.7/4.7L内温度受外界的影响，气瓶不易发生因温度过高体积膨胀而爆炸爆炸现象。通过大量试验，新型消防演练仿真液化气瓶可在800℃以上火焰内加热20min，而气瓶内表面温度小于20℃，气瓶缸体无任何变形。

（2）对灭火受训人员进行了有效的心理训练。新型消防演练仿真装置有效模拟了液化气瓶燃烧，使训练场景更接近真实场景从而有效锻炼了受训人员应对真实火灾现场开展灭火救援行动的心理承受能力。

5.2  经济效益

（1）自动控制程度高。以前实训过程中，就是简单的让气瓶燃烧，将燃烧气瓶放置无火现场，进行降温扑灭。新装置中使用温度继电器、电磁阀实现气瓶自动放气点火，自动关闭阀门，熄火。气瓶工作过程实现自动化控制。

（2）训练装置充气量小，训练效果不变。在演练气瓶大小不变的情况下，气瓶充装天然气量大大减少，但是演练效果不变。液化气瓶YSP23.5/9.8L实际充填量为液化气瓶YSP4.7/4.7L的4.7L，节气量5.1L/瓶，每次充气省1.1元。

（3）可重复使用。以前实训过程中，充气气瓶燃烧过程中极易发生瓶体变形，造成大量钢瓶报废。通过试验表明，新型气瓶演练装置当气瓶充满气时，一次训练燃烧10-20min，一罐气可反复使用7-8次，瓶体完好。增加了装置的使用周期，有效降低成本。

（4）性价比高。一个新型气瓶成本196-246 元，一罐气可以完成7-8次训练，标准气瓶使用年限14年。按一年模拟80次训练，气瓶使用10年，则一次训练成本是0.30-0.37元。

5.3  生态环境效益

新型消防演练仿真装置安全、自控程度高、可重复使用，就是积极推进了绿色、环保、节能型社会的建设。

6 结语

综上所述，这种新型消防演练仿真液化气瓶不仅可以使参加训练的人员在接近火灾现场实战的环境中进行有效的模拟训练，提高处置液化气瓶火灾的针对性、有效性和安全性，还可以锻炼消防人员应对真实火灾现场开展灭火救援行动的心理承受能力。因此，这种耗材少，成本低，可重复，无危险的新型消防演练仿真液化气瓶具有一定的实用价值，可以在现役消防部队、消防安全重点单位及其他大型企事业单位专、兼职消防队员日常训练中广泛推广应用。这种新型消防演练仿真液化气瓶装置已在新疆某地消防培训基地进行试验性试用见图6。试用效果与实验效果基本吻合。同时，这种新型消防演练仿真装置已与2018年2月8日获批中华人民共和国国家知识产权局实用新型专利的授权。

图6 新型消防演练仿真气瓶点火、实验现场图

参考文献：

刘春龙，王勇，李佳. 基于虚拟消防演练的综合评价研究与应用[J]计算机工程与设计，2014，35（6）：2244-2249.

汤华清，袁狄平，靳学胜. 虚拟场景生成系统在灭火救援训练中的应用[J]消防科学与技术，2012，31（1）：61-64.

徐守祥，梁永生，刘晓东. 基于火灾模型的消防虚拟现实体系结构[J]系统仿真学报，2009，21（1）：255-259.

张云明，陈蕾. 基于虚拟现实技术的灭火救援训练系统[J]消防科学与技术，2010，29（11）：996-998.

石亮. 灭火和应急疏散预案的制定与演练[J]中国西部科技，2009，27（8）：77-78.

徐凤，李刚，韩超，韩国文，赵学智.一种消防演练仿真气瓶装置[P].中国专利：CN207162110U,2018-03-30.

The Design and Research of a New Simulation Cylinder for Fighting Fire Drills

Xu Feng¹, Hanchao², Li Gang³，Sun Zedong¹,Li Heweng¹,Yang Yifan¹, Lu Haiyan¹

(1. Xinjiang University  Architectural Engineering Institute, Xinjiang 830000, China; 2.Xinjiang Ningshi Engineering Technology Limited Company, Xinjiang 830000, China; 3.The Xinjiang Uygur Autonomous Region Fire Product Quality Supervision and Inspection Station,Xinjiang 830000, China）

Abstract:According to the present situation of the fire officers and soldiers may cause explosion and other serious harm in the rescue of liquefied gas fire and simulation training, by using of flame retardant materials, thermal energy storage block, temperature-control relay, electromagnetic valve redesign and remodel the ordinary liquefied gas cylinder . The experimental results show that the cylinder can be heated in flame above 800 ℃ for 20 min, and the inner surface temperature of the cylinder is less than 30 ℃.There is no distortion in the cylinder block. The novel fire drill simulation liquefied gas cylinder with high automation control degree effectively improves the pertinence, effectiveness and safety of fire fighting and rescue training .

Key words:fire drills; simulation cylinder; explosion; flame retardant materials; electromagnetic valve

基金项目：新疆大学2017年横向课题：新型仿真气瓶灭火演练装置的设计研发；项目编号：20180410。

实用新型专利：名称：一种消防演练仿真气瓶装置，专利号：201721054550.7，已授权。