儲(chǔ)罐液下泡沫噴射系統(tǒng)的應(yīng)用研究

郎需慶，吳京峰，談龍妹，尚祖政

(中國(guó)石化安全工程研究院，山東青島 266071)

儲(chǔ)罐液下泡沫噴射系統(tǒng)的應(yīng)用研究

郎需慶，吳京峰，談龍妹，尚祖政

(中國(guó)石化安全工程研究院，山東青島266071)

建立了壓縮空氣泡沫滅火試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)儲(chǔ)罐，對(duì)儲(chǔ)罐液下泡沫噴射滅火技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果顯示：發(fā)泡倍數(shù)和泡沫液流量對(duì)滅火效果影響明顯，而儲(chǔ)罐泡沫的注入位置對(duì)滅火效果影響較小；液下噴射的發(fā)泡倍數(shù)宜控制在5～7之間，發(fā)泡倍數(shù)超過(guò)8后，泡沫層含油量超過(guò)40%，無(wú)法控火；泡沫混合液供給強(qiáng)度宜取5.0 L/(min·m2)，供給強(qiáng)度加倍后，無(wú)法控火；在適宜的試驗(yàn)條件下，控火時(shí)間在40～45 s。

壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng) 油罐 液下噴射 滅火

拱頂儲(chǔ)罐發(fā)生罐內(nèi)氣相空間爆炸會(huì)造成罐頂掀開或罐壁頂部扭曲，這往往會(huì)破壞罐壁頂部泡沫發(fā)生器和泡沫管線，造成泡沫無(wú)法噴入罐內(nèi)滅火，導(dǎo)致儲(chǔ)罐火災(zāi)失控或延誤最佳滅火時(shí)機(jī)。為此，20世紀(jì)70-80年代液下泡沫滅火技術(shù)開始在石化行業(yè)探索應(yīng)用，1982年我國(guó)在5 000 m3儲(chǔ)罐上對(duì)液下泡沫滅火系統(tǒng)進(jìn)行了滅火試驗(yàn)并取得了良好的滅火效果。自此，液下泡沫滅火技術(shù)相繼在多家石化企業(yè)的拱頂儲(chǔ)罐上推廣應(yīng)用。

1 液下泡沫滅火技術(shù)概述

該滅火系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，主要由罐內(nèi)泡沫噴射口、單向閥、爆破片、高背壓泡沫發(fā)生器及閥門等組成，其中高背壓泡沫產(chǎn)生器是核心器件。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：①泡沫液損失量少，泡沫液從罐底穿越油層達(dá)到著火油面實(shí)施滅火，無(wú)需穿越火焰進(jìn)入油面，這大大減少了熱輻射、熱氣流對(duì)泡沫的破壞作用，有效提高了泡沫液的利用率；②泡沫系統(tǒng)基本不會(huì)受到罐內(nèi)爆炸的破壞，在大多數(shù)情況下均可正常發(fā)揮滅火作用；③泡沫液從罐底穿越油層可將罐底的低溫油帶至頂部的著火油面，通過(guò)持續(xù)攪動(dòng)油層起到油面降溫的作用，在一定程度上減弱了油面油氣揮發(fā)，抑制了燃燒。

當(dāng)前液下泡沫噴射滅火系統(tǒng)都是采用負(fù)壓式泡沫滅火系統(tǒng)，即泡沫液從罐底輸入罐內(nèi)前，通過(guò)高背壓泡沫發(fā)生器從外界吸入適量空氣進(jìn)行發(fā)泡。這種泡沫往往發(fā)泡不均勻，氣泡尺寸大小不一，穩(wěn)定性不高，在泡沫穿越油層時(shí)，往往造成泡沫破裂，影響滅火效果。提高泡沫發(fā)泡性能是提高液下泡沫滅火系統(tǒng)滅火能力的關(guān)鍵。

壓縮空氣泡沫滅火技術(shù)憑借其泡沫發(fā)泡均勻、細(xì)膩、穩(wěn)定、質(zhì)輕等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在我國(guó)消防領(lǐng)域大量應(yīng)用，大量壓縮空氣泡沫撲滅B類火災(zāi)的研究也已證明其對(duì)油料火災(zāi)具有良好的抑制作用，如林霖等利用壓縮空氣泡沫進(jìn)行了熄滅油池火研究，指出改善氣液混合器結(jié)構(gòu)、增加噴射壓力可提高滅火效果[1]；包志明等利用壓縮空氣泡沫系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)罐的液上噴射進(jìn)行了可行性研究，指出固定管網(wǎng)式壓縮空氣滅火系統(tǒng)具有技術(shù)可行性，且泡沫滅火劑儲(chǔ)備量可低于現(xiàn)有吸氣式泡沫系統(tǒng)[2]；其利用壓縮空氣泡沫系統(tǒng)還對(duì)蛋白泡沫的抑制油料火進(jìn)行了研究，指出蛋白泡沫采用壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)后具有優(yōu)異的滅火性能，具備滅火能力[3]；其還對(duì)壓縮空氣泡沫抑制水溶性液體火的有效性進(jìn)行了研究，指出泡沫的穩(wěn)定性是保證滅火的關(guān)鍵[4]；雷蕾等介紹了FireFlex公司針對(duì)壓縮空氣泡沫固定管網(wǎng)滅火系統(tǒng)的研究情況，指出壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)可以固定管網(wǎng)的方式進(jìn)行滅火[5]；鄭翠玲介紹了俄羅斯壓縮空氣泡沫的輸出裝置的研究進(jìn)展，指出泡沫滅火劑的升級(jí)是提高該系統(tǒng)性能的關(guān)鍵之一[6]；包志明等利用壓縮空氣蛋白泡沫進(jìn)行了液下泡沫噴射試驗(yàn)研究，指出蛋白泡沫的發(fā)泡倍數(shù)宜介于3～8之間[7]。

為了深入研究壓縮空氣泡沫滅火技術(shù)在儲(chǔ)罐液下泡沫噴射系統(tǒng)的應(yīng)用，本研究采用壓縮空氣泡沫滅火裝置進(jìn)行儲(chǔ)罐液下泡沫滅火試驗(yàn)研究。

2 冷噴與滅火試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

2.1.1壓縮空氣泡沫滅火試驗(yàn)裝置

該壓縮空氣泡沫滅火試驗(yàn)裝置由100 L泡沫混合液儲(chǔ)罐、氣液混合器、空壓機(jī)、氣體緩沖罐、氣體流量計(jì)及控制閥門等組成，如圖1所示?？諌簷C(jī)排氣量400 L/min，最大出口壓力是1.2 MPa。為保證試驗(yàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)供氣，配置了容積100 L的氣體緩沖罐分別向泡沫混合液儲(chǔ)罐和氣液混合器內(nèi)供氣。

圖1 壓縮空氣泡沫滅火裝置組成示意

2.1.2試驗(yàn)儲(chǔ)罐

建立直徑1 500 mm、油層最大厚度1 200 mm的碳鋼儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐底部和側(cè)面分別設(shè)注液口，如圖2所示。為了適量減少試驗(yàn)的耗油量，儲(chǔ)罐底部設(shè)為錐形。

圖2 試驗(yàn)儲(chǔ)罐1-罐體; 2-上部注入口; 3-中部注入口; 4-底部注入口;5-泡沫輸送管

2.2 試驗(yàn)條件

參照GB50151-2010《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，泡沫混合液流量范圍8.5～11.0 L/min(泡沫供給強(qiáng)度是5.0～6.4 L/(min·m2)，泡沫供給壓力0.35～0.4 MPa，泡沫發(fā)泡倍數(shù)4.9～11.4。每次試驗(yàn)的油層厚度均控制在1 000～1 200 mm。在進(jìn)行滅火測(cè)試時(shí)，油面預(yù)燃60 s后進(jìn)行泡沫噴射滅火測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)泡沫液下噴射測(cè)試分別考察泡沫混合液流量、發(fā)泡倍數(shù)及泡沫液注入位置對(duì)滅火效果的影響。

3.1 發(fā)泡倍數(shù)的影響

在8.5～8.7 L/min的泡沫混合液流量條件下，從儲(chǔ)罐底部注入泡沫液，調(diào)節(jié)氣液混合器的進(jìn)氣量，使得泡沫的發(fā)泡倍數(shù)分別是4.9、7.5和11.4。結(jié)果顯示著火油面控火時(shí)間約40～45 s，但均未滅火。

需要指出的是，在發(fā)泡倍數(shù)為4.9時(shí)，從罐底部注入泡沫1 min后，泡沫覆蓋整個(gè)油面，油面上無(wú)火焰出現(xiàn)，僅浮盤邊緣的局部位置有火焰出現(xiàn)，且一直持續(xù)至泡沫噴射結(jié)束。主要原因是罐壁溫度高，泡沫層無(wú)法封閉罐壁處的油面，導(dǎo)致該處油面持續(xù)揮發(fā)油氣，形成持續(xù)燃燒。在實(shí)際儲(chǔ)罐滅火過(guò)程中，儲(chǔ)罐罐壁都設(shè)冷卻噴淋，這樣會(huì)大大降低罐壁溫度，有助于泡沫層封閉罐壁處的油面，從而實(shí)現(xiàn)滅火。

而在發(fā)泡倍數(shù)為7.5和11.4的試驗(yàn)中，注入泡沫后，油面逐步被泡沫層覆蓋，火焰減弱，但3～4 min后，油面火勢(shì)越來(lái)越大，直至整個(gè)泡沫層表面都在燃燒，泡沫層完全失去了隔離油面的作用。對(duì)此，在同樣試驗(yàn)條件下進(jìn)行了冷噴測(cè)試，對(duì)不同發(fā)泡倍數(shù)的泡沫層含油率進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示，發(fā)泡倍數(shù)低于5.5時(shí)，泡沫層含油率約17%；而發(fā)泡倍數(shù)高于8后，泡沫層含油率超過(guò)40%?？梢?，發(fā)泡倍數(shù)升高，泡沫層的含油率將明顯增加。因此，在滅火試驗(yàn)中，高發(fā)泡倍數(shù)條件下，泡沫液從罐底穿過(guò)油層時(shí)，泡沫表面黏附了大量油膜，即使泡沫層覆蓋了油面，但泡沫上黏附的油膜足以維持持續(xù)燃燒，如圖3所示。

圖3 泡沫層覆蓋后的持續(xù)燃燒

在泡沫注入的初始階段，油層溫度較低，加上泡沫層的快速覆蓋，著火油面在短時(shí)間內(nèi)大大減少，實(shí)現(xiàn)了一定程度的控火，在這個(gè)過(guò)程中，油面溫度逐步升高，油氣揮發(fā)加快，后續(xù)注入的泡沫層攜帶油膜浮到表面，加劇燃燒，造成火勢(shì)增大的現(xiàn)象。需要注意的是，泡沫層被持續(xù)燒灼后，水分大量析出，僅剩下泡沫骨架，氣泡之間出現(xiàn)較大的縫隙，使得油氣容易從氣泡間隙穿出泡沫層。

3.2 泡沫混合液流量的影響

分別采用8.5，16.7，23.7 L/min的泡沫混合液流量從罐底注入油層進(jìn)行滅火測(cè)試，其泡沫供給強(qiáng)度分別是5.0，9.6，13.7 L/(min·m2)，發(fā)泡倍數(shù)控制在4.9～5.9之間，這3組試驗(yàn)的控火時(shí)間分別是47s，11s和不能控火。在泡沫混合液流量為16.7 L/min時(shí)，控火時(shí)間最短，即泡沫層快速覆蓋油面，但整個(gè)罐壁邊緣都在持續(xù)燃燒，且罐中心的泡沫層表面上也時(shí)常有火焰跳動(dòng)；而流量提高至23.7 L/min后，泡沫層無(wú)法控火，從試驗(yàn)現(xiàn)象看，泡沫流量增大后，泡沫層對(duì)油層的沖擊力急劇增加，整個(gè)油面劇烈波動(dòng)，如圖4所示，油面上無(wú)法形成完整的泡沫層，裸露的油面即揮發(fā)油氣發(fā)生持續(xù)燃燒。

圖4 泡沫層對(duì)油面的沖擊

在流量為8.5 L/min時(shí)，盡管其控火時(shí)間較流量為16.7 L/min時(shí)明顯延長(zhǎng)，但是其控火效果好，在控火后，罐壁邊緣僅出現(xiàn)幾處火焰，其他區(qū)域無(wú)火焰，罐壁邊緣處的火焰主要因罐壁溫度高造成的，假如罐壁進(jìn)行冷卻，則罐壁邊緣處的火焰將會(huì)大大減弱或消失。由此可見，液下泡沫噴射與液上泡沫噴射的理念差別較大，對(duì)液上泡沫噴射而言，泡沫流量越大，滅火速度越快，而液下泡沫噴射需要以合適的流量噴射才能滅火，泡沫流量過(guò)大會(huì)造成油面波動(dòng)劇烈，破壞已形成的泡沫層，無(wú)法滅火。從這個(gè)角度看，在應(yīng)用過(guò)程中，儲(chǔ)罐液下泡沫噴射口位于罐底部，儲(chǔ)罐液位的高低會(huì)對(duì)滅火效果產(chǎn)生明顯影響，尤其是在低液位時(shí)，油層較薄，泡沫噴射口距離油面較近，泡沫層對(duì)油面的沖擊力較大，會(huì)增加滅火的難度。

3.3 泡沫注入位置對(duì)滅火的影響

泡沫混合液流量為8.5～8.8 L/min，發(fā)泡倍數(shù)控制在7.3～7.5之間，泡沫液分別從罐底和罐側(cè)面中部注入泡沫液進(jìn)行滅火測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示，其控火時(shí)間分別是45 s、54 s，均無(wú)法滅火。在從罐底注入泡沫的試驗(yàn)中，泡沫注入3 min后，火勢(shì)增大，整個(gè)油面發(fā)生燃燒；在從罐側(cè)面中間注入泡沫的試驗(yàn)中，泡沫注入4 min后，火勢(shì)增大，整個(gè)油面發(fā)生燃燒。從本試驗(yàn)看，受試驗(yàn)規(guī)模所限，泡沫注入位置對(duì)滅火效果影響不甚明顯，控火時(shí)間和控火能力相差無(wú)幾。

4 結(jié)論

本研究利用壓縮空氣泡沫滅火試驗(yàn)裝置在直徑1 500 mm的試驗(yàn)儲(chǔ)罐上對(duì)泡沫發(fā)泡倍數(shù)、泡沫液流量和儲(chǔ)罐泡沫注入位置對(duì)儲(chǔ)罐液下泡沫噴射滅火效果的影響分別進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

從試驗(yàn)結(jié)果看，發(fā)泡倍數(shù)和泡沫液流量對(duì)滅火效果影響明顯，而儲(chǔ)罐泡沫的注入位置對(duì)滅火效果影響較小。發(fā)泡倍數(shù)宜控制在5～7之間，而泡沫混合液供給強(qiáng)度取5.0 L/(min·m2)，滿足GB50151-2010《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求即可，這與液上泡沫噴射系統(tǒng)一致。在罐壁未冷卻的情況下，試驗(yàn)未能實(shí)現(xiàn)滅火，假如罐壁實(shí)施適度冷卻，液下泡沫噴射滅火系統(tǒng)在合適的噴射條件下完全具備滅火能力。

提高發(fā)泡倍數(shù)將增加泡沫含油率，不利于滅火。泡沫混合液供給強(qiáng)度增加會(huì)加劇油面波動(dòng)，破壞泡沫層，增加滅火難度。

受試驗(yàn)條件所限，本項(xiàng)目?jī)H研究了儲(chǔ)罐液下泡沫噴射系統(tǒng)的部分內(nèi)容，建議在后續(xù)研究中，還應(yīng)針對(duì)泡沫液類型、油層厚度、泡沫混合液供給強(qiáng)度、泡沫液在罐底的分配方式、輸送壓力等因素進(jìn)行深入研究，并擴(kuò)大試驗(yàn)規(guī)模，全面掌握壓縮空氣泡沫滅火技術(shù)在儲(chǔ)罐液下噴射系統(tǒng)的應(yīng)用參數(shù)，為工程應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

[1] 林霖,張永豐,張宇,等.壓縮空氣泡沫熄滅油池火的有效性[J].燃燒科學(xué)與技術(shù), 2008,14(2):176-179.

[2] 包志明,陳濤,傅學(xué)成,等.壓縮空氣泡沫系統(tǒng)用于油罐液上噴射的可行性研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2013,39(4):25-29.

[3] 包志明,陳濤,傅學(xué)成,等.壓縮空氣蛋白泡沫抑制液體火的有效性研究[J].火災(zāi)科學(xué),2012, 21(4):203-206.

[4] 包志明,陳濤,傅學(xué)成,等.壓縮空氣蛋白泡沫抑制水溶性液體火的有效性研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2013,9(3):9-12.

[5] 雷蕾,王龍,王明皓.壓縮空氣泡沫固定管網(wǎng)滅火系統(tǒng)[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2007(6):53-55.

[6] 鄭翠玲.壓縮空氣泡沫輸出裝置[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2011(11):73-75.

[7] 包志明,陳濤,傅學(xué)成,等. 油罐液下噴射壓縮空氣氟蛋白泡沫的試驗(yàn)研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2014,14(4):36-40.

ResearchofApplicationofSubsurfaceFoamInjectionforOilTanks

Lang Xuqing，Wu Jingfeng，Tan Longmei，Shang Zuzheng

(SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao, 266071)

The compressed air foam system and tank have been constructed for experiments of subsurface foam injection. The results showed that the foam expansion ratio and foam application rate played an important role in fire extinguishment while the foam injection position did not. The preferred foam expansion ratio was among 5～7 and if it was over 8, the oil content in foam layer would exceed 40% which could lead to failure of fire control. The appropriate foam rate was 5.0 L/(min·m2) and it would fail to control fire if it was doubled or more. The time to control fire was about 40～45 seconds under preferred conditions.

compressed air foam system；oil tank；subsurface injection；extinguishment

2016-01-11

郎需慶，高級(jí)工程師，注冊(cè)安全工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)石化安全工程研究院，從事石油化工消防與工業(yè)安全技術(shù)研究。