大型演出活动特效喷火系统项目设计

引言

2023 年9 月23 日晚，第19 届亚运会在杭州奥体中心体育场盛大开幕！“潮涌”是本次亚运会主火炬塔，主火炬塔由19 根形态各异的立柱排列组合，19 根立柱共同筑起“钱江潮涌”的造型，每一根立柱代表一届亚运会，形似一朵翻卷的浪花。主火炬点火仪式作为开幕式的核心亮点，为了让其更加惊艳，环保和安全可靠，亚组委在全球筛选了一批又一批的项目合作团队。最终，从众多供应商中脱颖而出，成为主火炬核心装置特效喷火系统供应商。作者在该项目中担任技术负责人，历时半年多时间，带领团队进行项目攻关，最终项目在开幕式上完成特效呈现。主火炬现场照片如图1。

一 项目的基本概况

本项目的初步技术沟通早在 2022 年初便已启动。然而，受国内疫情影响，亚运会延期举办，致使项目直至 2023 年 2 月才正式步入正轨。“潮涌” 火炬塔别具一格，由编号 1 至 19 的 19 根形态各异的立柱构成，如图 2 所示。其中，1 号柱为核心主火炬的安置之处，其总高度约达 19 米。2 号至 19 号立柱则依不同高度错落分布，自 1 号柱起，高度渐次降低。在整个项目分工中，1 号柱主火炬系统的研发与攻克由吉利公司承担。而 2 号至 19 号立柱顶端的特效喷火系统，共计 18 套，由孝文科技负责研发并完成攻关。此喷火系统肩负着主火炬塔开幕式点火仪式中快速递进式点火特效的关键任务。另外，19 根立柱的仿生机械骨骼系统及外饰板，由大丰实业精心打造。

开幕式主火炬点火仪式的具体流程如下：汪顺手持火炬行至主火炬塔 19 号立柱旁，向现场观众挥手示意。此时，主火炬塔的 19 根立柱由卷曲状态缓缓展开（见图 2 中主火炬塔的两种状态对比）。汪顺将火炬伸向 19号柱顶端，瞬间，从 19 号柱起始，18 根立柱由低到高依次快速喷火（每根立柱喷火时长约 0.1 秒），圣火以递进之势，最终传递至主火炬所在的最高处 —1 号柱顶部，主火炬随即燃起，整个点火过程仅约 3 秒钟。主火炬点火仪式作为开幕式的核心亮点，对效果的要求极高，必须达到惊艳全场的程度。同时，其喷火系统的可靠性与安全性务必确保万无一失。为实现这一目标，研发团队历经了成百上千次的试验与测试，图 3 便是样机测试点火时的照片。

二 项目关键技术难点提取

项目启动初期，我们全面且深入地查阅了历届奥运会以及各类相关大型赛事主火炬点火仪式的详细资料与信息。通过系统的分析与整理，并紧密结合团队在特效喷火领域长期积累的经验，识别出一系列亟待验证与攻克的关键技术难点，具体如下：

1. 点火可靠性的保障。主火炬点火仪式作为赛事中的关键环节，不容有丝毫差错。为实现点火成功率达到100%，需设计一套具备多重冗余机制的点火系统。该系统不仅要能在恶劣天气条件，如强风、暴雨等情况下稳定运行，还要对可能出现的电路故障、信号干扰等异常状况具备高度的容错能力。

2. 防火阻燃材料的科学选用。喷火燃烧过程会产生极高温度，因此防火材料的选择与应用至关重要。需要寻找并评估多种具备优异耐高温阻燃性能的材料，这些材料不仅要能够长时间承受高温火焰的直接冲击，防止火焰对周边设备和结构造成损害，还要满足严格的安全标准与环保要求。同时，要考虑材料在不同环境条件下的稳定性，确保其在长期使用过程中不会因温度、湿度等因素的变化而降低防火性能。

3. 燃料安全性的全方位把控。燃料的安全性是整个项目的核心关注点之一。从燃料的选择阶段开始，就需要综合考虑燃料的化学稳定性、可燃性、毒性等多方面因素，挑选出安全性高且符合赛事要求的燃料。

4.冗余设计。在奥运会、亚运会等重大活动的主火炬点火项目中，冗余设计是保障系统高可靠性的关键。活动中可能突发各种故障，而冗余设计能有效应对。冗余设计具体分为如下几类，硬件冗余，软件冗余，数据冗余，通信冗余等。在本项目中，需要具体结合项目的基本情况进行具体处理。

三 项目的安全要求

1. 人员安全。于奥运会、亚运会这类重大活动而言，人员聚集情况普遍，且在某些特定场合，重要领导与嘉宾亦会出席。与此同时，相关工作人员及演职人员在活动进程中，也常活跃于火炬周边。由此可见，人员安全至关重要，堪称项目规划首要考量因素。

2. 设备安全。首先，安全设计与选型方面。设备选型时，优先选择符合国际、国家及行业安全标准的产品。确保主火炬点火装置、燃料输送设备等关键设备具备过压、过载、漏电等保护功能，采用冗余设计、故障隔离等技术提升安全性。其次，定期维护与检测。制定设备维护计划，定期全面检查、保养和维修。对关键设备增加检测频次，建立设备安全档案。最后，安全防护措施方面。为设备配备隔热层、警示标识、防护围栏、紧急停机按钮和消防设施等，防止人员烫伤、误操作，确保能迅速应对突发安全事件。

四 项目系统的介绍

该特效喷火系统采用双冗余设计，如果一套系统出现问题，仍能保证设备效果的正常呈现。同时，产品设计通过严格的FMEA（失效模式与效应分析）分析与评估，确保设备的可靠性。喷火系统采用中央集中式供油，远程进行燃油输送，立柱顶部点火装置同燃油泵送系统分离布置，不仅提高了系统操作及维护的便捷性，还保障了产品的安全性。项目系统原理图如图4 所示。主要组成部分有：1 燃油泵送系统；2 双系统喷火头；3 管路系统与蓄能器模块；4 控制系统；5 控制线路；6 蓄能器模块；

4.1 燃油泵送系统

4.1.1 燃油泵送系统的设计

根据主火炬18 根立柱高度各异的特点，我们设计了一套通过管路供压的燃油泵送系统。为满足亚运会项目安全性要求，系统采用闪点较高（闪点大于60 摄氏度）工程专用喷火燃油。同时，为了保证系统的可靠性，整套系统采用双冗余设计，共四套，两用两备，可做到万无一失。燃油泵送系统由泵站，内部管路以及蓄能器模块组成。泵站是整个系统的加压装置，负责将燃油加压至1MPA 左右，并通过管路泵送至喷火头的燃油喷嘴，当喷火头接收到喷火指令时，燃油喷嘴电磁阀打开，在压力作用下燃油从喷嘴喷出并雾化，雾化的燃油被高压点火电极结构点燃，形成喷火效果。泵站配备专用液压阀组，可精准控制燃油供压，整体采用不锈钢材质，内置大容量油箱，油箱内部设置多重过滤，配置压力及油位监控等。主要技术参数如下：总功率：9KW；输入电压：三相AC380V；油箱容量：250L；压力范围：0.8-1.2MPa；流量：110L/min。蓄能器模块在泵送系统中起到稳压蓄能的作用，在系统设计中，通过加入蓄能器模块和相关结构（比如：关闭管路的手动节流阀，单向阀等），整个管路在没有泵站动力及燃油输出的情况，可以确保进行3 次开幕式点火仪式的特效喷火。管路是泵站内部高压胶管组件及相关接头部件，接头为了操作方便及连接可靠性，均采用带锁紧套的快插接头件。泵站系统在装配完成后需要进行整套系统的加压测试，保压时间不低于2 小时，需对管路进行保压测漏，巡检管路是否有漏油点。

4.1.2 泵站的组成结构及主要功能结构

如图5 所示，泵站的主要组成部分有：1 脚轮，2 油箱，3 拉手，4 DMX 通信控制接口，5 电源输入（AC380V），6 机械压力表，7 液晶显示操作面板，8 急停按扭，9 电源开关（3P 断路器），10 机箱门，11 燃油出油口。

油箱采用 304 不锈钢材质，用于存储燃油，全密封设计，配置有双液位计及排油口等结构。急停按扭主要是在紧急情况下可以人工关停设备，并执行泄压操作（及时将燃油回收到油箱中）。补充燃油都是通过机箱门处进行操作，泵站燃油采用异构烷烃（ISOPAR L），其闪点在60 摄氏度，正常情况下明火无法点燃。泵站有自动加压和手动加压两种操作模式，系统内可以设置上限压力和下限压力，通过压力传感器检测系统内的压力，当低于下限压力泵站会自动补压，补压过程中高于上限压力时就会停止补压，所以泵送系统可以长期将压力维持在一个稳定的工作范围。燃油出油口用于连接管路系统为喷火供油。

4.2 双系统喷火头的设计

喷火头确保100%的点火成功率和绝对安全性尤为关键。喷火头安装于立柱顶端，长期放置在户外，从调试到入场再到开幕式需要历时3 到4 个月时间，所以喷火头还需要解决耐用性和防水性的问题。这套系统为什么要做“双系统”喷火头？其原因在于，这个喷火头从外观看是一个喷火头，但实际上两套喷火头的组合体，喷火头内部是两套完全独立的喷火头设计在一起，在使用过程，两个喷火头同时独立工作，如果中间有一套出现问题，另外一套喷火头将不影响效果的呈现。每个喷火头点火成功率是通过双点火等结构进行保证。喷火头的材质均选用高等级阻燃材料和不锈钢制作，设计上融入多重安全隔离设计，保证绝对安全性。喷火头采用交流220V 直接供电控制，抗干扰能力强，所有产品结构均达到 IPX5 的防水等级性能。其主要技术参数如下：工作功率120W，供电控制电压AC220V，液压快插燃油接口，工作压力范围 8-12Bar（燃油接口供压），防水等级IPX5，双喷头及双头点火电极（每个喷嘴）。

如图6 所示为双系统喷火头的结构示意及实物照片，双系统喷火头的主要组成部分有：1 辅助燃油喷嘴，2喷火防风保护罩，3 主体结构外板，4 燃油管接口，5 燃油主喷嘴（2 组），6 点火电极（4 组，每个燃油喷嘴配双点火电极）。在火炬塔上，喷火头是整体安装在柱内并在喷口处下沉一定距离，并被外部装饰板所包裹，所以在从外部无法看到其结构。喷火头下部通过 4 燃油管接口与泵送系统相连接，带有压力的燃油从此处输送给喷火头。喷火头整体采用304 不锈钢材质。3 主体结构外板内部主要有点火变压器，喷射电磁阀（配双阀串联），管路过滤等结构。点火变器及喷射电磁阀均采用 AC220V 供电。整体结构是由两套喷火头的融合而成，从 5 和6 结构可以看到，两个燃油喷嘴进行横向并排布置，燃油喷嘴两侧各布置有一对点火电极。当喷火头收到喷火指令时，两个5 燃油主喷嘴以及顶部1 辅助燃油喷嘴会同时喷射，主喷嘴燃油被对应点火电极点燃后，同时引燃辅助燃油喷嘴喷出的燃油，这样是形成整过喷火效果的过程。顶部辅助燃油喷嘴数量设计多个，并且安装在万向接头之上，可用于调整喷射方向，在实际彩排测试过程中，可以根据效果需要进行数量及方向的调整，从而实现对火形高度及大小的调整。

4.3 管路系统与蓄能器模块

如图 7 所示，蓄能器模块的主要结构有：1 蓄能器；2 主油管接口；3 机械压力表；4 喷火头油管接口；5分流排；6 航空箱体。在管路系统设计中， 模块安装于泵站与喷火头之间，起到稳压蓄能的作用。在图8中，泵站通过主油管与2 主油管接口连 处连接， 整个泵站，主油管，蓄能器模块，支管，双系统喷火油连接成一整套管路系统。 蓄能 模块和相关结构（比如：关闭管路的手动节流阀，单向阀等），整个管路在没有泵站动力及燃油输出的情况，可以确保进行3 次点火开幕仪式的特效喷火。管路的选材经过严格筛选和测试，主要采用高压胶管，其耐压高，管壁厚，适应户外环境使用。

4.4 控制系统和控制线路

亚运会开幕式这样宏大且复杂的现场，灯光、音响等各类设备鳞次栉比，控制信号纷繁交错，线路纵横如织。这种复杂的环境，对控制系统的可靠性与稳定性提出了近乎严苛的要求。其中，确保喷火头能够精准、稳定地接收喷火控制指令，并迅速做出喷火反应，成为了关键所在。经过大量的测试与细致的比较分析，我们最终确定采用交流 220V 电压直接控制喷火头的喷火指令。这一控制方式原理相对直观，即喷火头在接收到交流220V 供电时，便会立即启动喷火动作，且供电时长与喷火时长保持一致。采用交流 220V 供电控制，有着显著的优势，它能够最大程度地降低线路输送过程中不可避免的压降问题，为设备的稳定、正常运行提供坚实保障。

基于冗余设计理念，本项目的控制系统精心采用了双系统双备份的设计方案。这样一来，即便其中一套系统出现意外故障，另一套系统仍能迅速接管工作，确保整个喷火系统的稳定运行。如图 8 所示为本套系统的控制电箱，它承担着至关重要的任务。其主要功能是接收来自总控的喷火指令（表现为开关信号），并将这一开关信息精准转化为交流 220V 的电信号，随后传输至每一台配备双系统的喷火头，从而完美呈现出预定的喷火效果。

结语

在大型演出活动中，特效喷火系统的设计是一项复杂而精细的工程。首先，要精准提炼出关键技术难点。同时，安全性始终是重中之重，必须从系统设计的源头消除潜在风险。在实际操作中，需要充分借鉴过往喷火系统产品的成功经验，取其精华，并在此基础上对系统的每一个组成部分都进行深入细致且严谨的研发与设计 。

参考文献

[1]冉 翊，蒋海波.某剧场舞台消防系统设计.建筑设备与建筑材料.2016

[2]刘文镔，徐竑雷，柴庆，等．中国国家大剧院消防设计［J］．给水排水，2004（ 10） ： 60－65