壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在大型儲罐消防上的應(yīng)用研究綜述

盧 娜，張 行，2，金 劍，董紹華，2， 張仕民

(1.中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京) 管道技術(shù)與安全研究中心，北京 102249；3.中石油管道有限責(zé)任公司西部分公司， 新疆 烏魯木齊 830013)

近年來，由于國際石油市場供需波動較大，使得國內(nèi)原油和成品油的儲量大幅度增加。在我國多個沿海地區(qū)，已經(jīng)建立第一批國家戰(zhàn)略石油儲備基地[1]。儲罐是用來接收和儲存油品的主要容器。目前，我國石油儲罐趨于大型化和密集化[2]，國內(nèi)儲罐最大單罐容量可達(dá)15萬m3，油庫儲罐區(qū)庫容甚至達(dá)到100萬m3[3]。原油與成品油屬于易燃易爆炸的危險(xiǎn)品，靜電、明火、雷擊均可能引起儲罐的失火。近10年來，我國石油罐區(qū)火災(zāi)、爆炸事故總體呈上升趨勢。罐區(qū)火災(zāi)存在火勢蔓延速度快、火場溫度高、爆炸性火災(zāi)多、撲救難度大等特點(diǎn)，罐區(qū)一旦失火，極易引發(fā)大面積火災(zāi)，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

泡沫滅火是大型儲罐滅火的主要方式[4]。泡沫滅火系統(tǒng)從20世紀(jì)30年代出現(xiàn)至今，伴隨著石油工業(yè)的發(fā)展逐漸成熟并得到了廣泛的應(yīng)用[5]。 壓縮空氣泡沫系統(tǒng)作為一種新型滅火系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)負(fù)壓式泡沫滅火系統(tǒng)具有高效、低耗、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已受到世界范圍的重視[6]。該系統(tǒng)雖已廣泛應(yīng)用于諸多消防領(lǐng)域，但在大型儲罐上的應(yīng)用研究相對較少。但目前國內(nèi)許多原油罐區(qū)的消防系統(tǒng)都存在著消防系統(tǒng)老化、泡沫原液與消防水消耗較大等問題，為了提高罐區(qū)滅火效率，增強(qiáng)大型儲罐的安全性，提升我國對儲罐大面積失火的應(yīng)對能力，針對壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在大型儲罐中應(yīng)用的研究已成為一種必然趨勢[7]。

1 壓縮空氣泡沫系統(tǒng)

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)作為一種新型的泡沫滅火系統(tǒng)，其最早起源于德國。在20世紀(jì)30年代，英國皇家海軍通過使用壓縮空氣進(jìn)行了發(fā)泡試劑的實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)40年代，美國海軍使用壓縮空氣泡沫系統(tǒng)撲滅了船舶上可燃液體火災(zāi)。20世紀(jì)60年代，美國某公司設(shè)計(jì)了低壓力、小直徑管線與小口徑噴射裝置的壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，該系統(tǒng)泡沫溶液流量為15 L/min，壓縮空氣流量為0.11 m3/min，噴射最大距離可達(dá)到12 m。直到1988年，壓縮空氣泡沫系統(tǒng)成功運(yùn)用于黃石國家公園森林火災(zāi)的撲救，使得該系統(tǒng)受到了世界范圍的關(guān)注。1994年，美國大力公司成功設(shè)計(jì)了壓縮空氣泡沫消防車。此后，美國、加拿大等對其系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行深入研究。目前，該系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用多個消防領(lǐng)域[8-11]。

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)主要由泡沫比例混合系統(tǒng)、空氣比例混合系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，是一種節(jié)能、環(huán)保、高效的滅火系統(tǒng)，其原理如圖1所示。先由起泡劑與消防水在泡沫比例混合器中按一定比例形成泡沫混合溶液。再將一定壓力的壓縮氣體注入泡沫混合液中，在氣液混合室中形成壓縮空氣泡沫，由噴射系統(tǒng)噴出。壓縮空氣泡沫有效附著在燃燒物體上，隔絕了氧氣。由于高壓氣體的作用，使得消防水能夠附著在泡沫膜的表層，增加了消防水與火焰的接觸面積，同時快速降低了燃燒物體表面的溫度，提高了滅火的效率[12-18]。

圖1 壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)原理圖

傳統(tǒng)的吸氣式泡沫滅火系統(tǒng)是通過在管路中形成負(fù)壓，從而吸入空氣形成泡沫。所產(chǎn)生泡沫沖量小，易受噴射口附近的高溫氣流影響，并且泡沫大小不均勻，性質(zhì)不穩(wěn)定，在保護(hù)物表面附著能力差，嚴(yán)重影響了滅火可靠性，降低了滅火效率[19]。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)通過向系統(tǒng)中正壓輸入氣體，在高壓氣體的作用下，產(chǎn)生沖量大、射程遠(yuǎn)、細(xì)膩均勻的滅火泡沫。相比于其他的泡沫滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過控制泡沫溶液與壓縮空氣的混合比例，使得發(fā)泡倍數(shù)能在很大范圍內(nèi)變化，從而形成不同類型的滅火泡沫。根據(jù)美國消防協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，壓縮空氣泡沫可以分成類型1(極干型)到類型5(濕型)5個等級的滅火泡沫。使用時可以根據(jù)保護(hù)物的性質(zhì)與火勢，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)，選擇最佳的滅火泡沫[20-23]。

2 壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在儲罐上的應(yīng)用

考慮到儲罐內(nèi)油液的復(fù)雜性與火災(zāi)撲救的困難性，壓縮空氣泡沫系統(tǒng)由于產(chǎn)生的泡沫動能大、性質(zhì)穩(wěn)定，越來越多的研究人員將其作為泡沫的發(fā)生裝置應(yīng)用到儲罐的消防系統(tǒng)中[24]，通過實(shí)驗(yàn)研究探求壓縮空氣泡沫對撲救各類儲罐火災(zāi)的可行性以及泡沫參數(shù)對滅火效果的影響，驗(yàn)證了壓縮空氣泡沫撲救可燃液體的優(yōu)勢，并結(jié)合儲罐現(xiàn)有消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)了儲罐壓縮空氣泡沫消防系統(tǒng)。

2.1 常見儲罐失火類型及滅火方式

我國大型儲罐主要分為固定頂儲罐和浮頂儲罐[25]。儲罐失火類型主要分為以下兩種[26-27]：①儲罐的全面積火災(zāi)。當(dāng)固定頂儲罐、蓄油池等的油面遇到火源，或是當(dāng)浮頂儲罐的浮盤傾斜、下沉導(dǎo)致油面暴露遇到火源時，致使儲罐整個油面失火。②浮頂儲罐的密封圈火災(zāi)。浮頂儲罐密封圈長期與油液接觸易腐蝕老化，導(dǎo)致油液滲出，遇到明火、閃電容易形成火災(zāi)。

目前固定式泡沫滅火系統(tǒng)是我國儲罐最常使用的滅火系統(tǒng)，根據(jù)安裝方式可以分為罐壁式和浮盤邊緣式。

罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)是我國各類儲罐常使用的消防系統(tǒng)，可用于撲救全面積火災(zāi)和密封圈火災(zāi)[28-32]。該系統(tǒng)的特點(diǎn)為泡沫輸送管線安裝在儲罐外壁，在罐壁頂部安裝有泡沫發(fā)生裝置及泡沫噴嘴，系統(tǒng)示意圖如圖2所示。當(dāng)滅火系統(tǒng)啟動后，滅火泡沫由儲罐頂部的泡沫噴嘴噴出，沿儲罐內(nèi)壁流下，覆蓋在失火油面。該系統(tǒng)存在著明顯的不足：泡沫輸送距離長，不能快速進(jìn)入密封圈處，延誤了最佳滅火時機(jī)；由于泡沫噴嘴安裝位置較高，泡沫極易受外部風(fēng)載、火場熱氣流的干擾，導(dǎo)致泡沫利用率降低。

圖2 罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)

浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)[33-35]主要用于撲救浮頂儲罐的密封圈火災(zāi)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)為滅火泡沫通過安裝在浮盤上的泡沫輸送管線到達(dá)浮盤邊緣的泡沫噴嘴，從而噴射在密封圈失火處。泡沫可以由儲罐外部或是安裝在浮頂上的泡沫發(fā)生裝置供應(yīng)。泡沫噴嘴可以安裝在密封圈外部，也可安裝在密封圈內(nèi)部。相對于罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)大大減小了外部環(huán)境的干擾。但當(dāng)消防泡沫由外部供應(yīng)時，泡沫輸送柔性管需在儲罐內(nèi)部(如圖3所示)，泡沫通過罐內(nèi)柔性管輸送到浮頂中央的泡沫分配器，再輸送到各個噴嘴。由于輸送管線的密封性能不能得到很好的保證，加上維修保養(yǎng)費(fèi)用較高，使得浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)在我國的推廣受到了限制。

圖3 浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)

儲罐現(xiàn)有泡沫滅火系統(tǒng)主要是通過以下方式產(chǎn)生滅火泡沫：①直接由儲罐外部的泡沫發(fā)生系統(tǒng)生成滅火泡沫，通過泡沫輸送管線輸送到泡沫噴嘴處；②當(dāng)滅火系統(tǒng)啟動后，一定比例的泡沫混合溶液通過泡沫輸送管線到達(dá)安裝在罐壁頂部的泡沫噴射裝置或是浮頂儲罐的泡沫分配器中，在裝置內(nèi)形成負(fù)壓區(qū)域，吸入氣體從而形成滅火泡沫，由噴嘴噴出。由于負(fù)壓作用吸入火場高溫氣體，嚴(yán)重影響了泡沫的滅火性能，且產(chǎn)生的泡沫沖量小，易受高溫氣流、熱輻射的干擾，降低了滅火效率。將壓縮空氣泡沫系統(tǒng)作為泡沫發(fā)生裝置與現(xiàn)有儲罐消防系統(tǒng)結(jié)合，可產(chǎn)生高質(zhì)量滅火泡沫，提升滅火效率，是目前儲罐消防系統(tǒng)的研究趨勢。

2.2 壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在儲罐全面積火災(zāi)上的應(yīng)用

對于固定頂儲罐的全面積火災(zāi)，均采用罐壁式滅火系統(tǒng)。根據(jù)消防系統(tǒng)泡沫噴射裝置的安裝位置，可以分為液上噴射與液下噴射兩種。

圖4 液上噴射實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

液上噴射是指滅火泡沫由安裝在儲罐頂部的噴嘴噴出，自上而下堆積在油面上形成泡沫覆蓋層從而達(dá)到滅火的效果。大量研究人員設(shè)計(jì)了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在儲罐液上噴射的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖4所示。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在儲罐液上噴射應(yīng)用的可行性，并在實(shí)驗(yàn)中探求了不同類型泡沫滅火劑及系統(tǒng)參數(shù)對滅火效果的影響。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)目前尚無專用的泡沫滅火劑，為此陸強(qiáng)等[36]設(shè)計(jì)了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)撲救小型油罐火災(zāi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)用于液上噴射的技術(shù)可行性和有效性，同時比較了幾種B類泡沫滅火劑，推薦了在該試驗(yàn)場合下，壓縮空氣泡沫使用水成膜泡沫滅火劑、合成泡沫滅火劑和抗溶水成膜泡沫滅火劑，能更好地發(fā)揮出系統(tǒng)的優(yōu)勢。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)通常使用A類泡沫滅火劑，如包志明等[37]設(shè)計(jì)了撲救油盤火試驗(yàn)，驗(yàn)證了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)中使用A類滅火劑具有撲救B類火災(zāi)的能力，并且得到了撲救B類火災(zāi)時最佳發(fā)泡倍數(shù)與25%析液時間。林霖等[38]設(shè)計(jì)了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)撲救油池全面積火災(zāi)試驗(yàn)，提出了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)最佳泡沫溶液濃度，同時還針對壓縮空氣泡沫系統(tǒng)中的氣液混合裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其輸出的泡沫更穩(wěn)定。郎需慶等[39]分別針對油槽與大型地面油池的全面積火災(zāi)設(shè)計(jì)了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，確定了當(dāng)油池失火面積增大時，泡沫混合液流量、泡沫供給強(qiáng)度對滅火效果的影響。

液下噴射是指將泡沫發(fā)生裝置安裝在油面以下，當(dāng)消防系統(tǒng)啟動時，泡沫需要穿過罐內(nèi)液體才能到達(dá)油面，形成泡沫覆蓋層，達(dá)到滅火的效果。液下噴射相比于液上噴射，泡沫不易受外界環(huán)境的干擾，當(dāng)儲罐頂部發(fā)生爆炸時消防系統(tǒng)也能正常工作。但該噴射方式對于滅火泡沫的性質(zhì)要求較高。相比于傳統(tǒng)利用負(fù)壓產(chǎn)生滅火泡沫的泡沫發(fā)生裝置，壓縮空氣泡沫系統(tǒng)所產(chǎn)生的泡沫質(zhì)量高，受油液影響小，使得該系統(tǒng)在液下噴射系統(tǒng)的應(yīng)用也逐漸成為研究的重點(diǎn)。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在儲罐液下噴射應(yīng)用的可行性與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了大量研究。如包志明等[40]為探求壓縮空氣泡沫系統(tǒng)泡沫混合比、發(fā)泡倍數(shù)、泡沫液類型對油罐液下噴射系統(tǒng)滅火效果的影響，設(shè)計(jì)了滅火實(shí)驗(yàn)裝置，如圖5所示。整個系統(tǒng)采用外部供應(yīng)壓縮空氣泡沫，泡沫通過安裝在儲罐底部的泡沫導(dǎo)入筒釋放到油液內(nèi)，穿過油液在油面上形成泡沫層。如郎需慶等[41]針對壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在大型儲罐全面積火災(zāi)液下噴射系統(tǒng)的應(yīng)用做了研究。其設(shè)計(jì)的液下噴射實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，設(shè)置了3種不同的泡沫噴射位置，分別為儲罐底部、中部和上部。壓縮空氣泡沫滅火裝置組成示意圖如圖7所示，安裝在儲罐外部，提供滅火泡沫。實(shí)驗(yàn)中討論了起泡倍數(shù)、泡沫混合液流量和泡沫噴射位置對滅火效果的影響。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖7 壓縮空氣泡沫滅火裝置組成示意圖

研究人員在所設(shè)計(jì)的液下噴射實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，壓縮空氣泡沫滅火技術(shù)具有液下噴射的可行性，相對于傳統(tǒng)消防系統(tǒng)滅火效果更好。泡沫噴射位置對滅火效果幾乎沒有影響，對滅火效果影響較大的為泡沫溶液混合比、起泡倍數(shù)和泡沫流量。液下噴射系統(tǒng)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)在于滅火泡沫需要通過油液到達(dá)油面，而壓泡沫溶液混合比、起泡倍數(shù)這些參數(shù)都影響著泡沫穿過油液時泡沫膜表面所攜帶油量的多少，直接影響滅火效率。泡沫流量太大，會產(chǎn)生油面劇烈波動，破壞了已形成的泡沫覆蓋層，反而不利于滅火；泡沫流量太小，降低滅火效率，甚至導(dǎo)致滅火失敗。

2.3 壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在儲罐密封圈火災(zāi)上的應(yīng)用

國際石油公司開展的項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)顯示，大型浮頂儲罐火災(zāi)中密封圈火災(zāi)占總事故的比例高達(dá)70%。據(jù)我國事故統(tǒng)計(jì)，密封圈火災(zāi)也是我國浮頂儲罐的主要火災(zāi)形式。針對儲罐密封圈火災(zāi)的消防系統(tǒng)主要有罐壁式滅火系統(tǒng)和浮盤邊緣式滅火系統(tǒng)。目前，罐壁式滅火系統(tǒng)是我國儲罐最常用的滅火系統(tǒng)。如傅學(xué)成[42]發(fā)明了一種用于撲救大型浮頂儲罐密封圈火災(zāi)的壓縮空氣泡沫滅火裝置，如圖8所示。該系統(tǒng)屬于罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)，主要由泵、壓縮氣體儲罐、泡沫比例混合裝置、氣液混合裝置、泡沫輸送管線等部分組成，作為滅火泡沫產(chǎn)生裝置安裝在儲罐外部，滅火泡沫通過泡沫輸送管線輸送到儲罐頂部的泡沫噴嘴。一套壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)可以連接多個管線輸送到多個泡沫噴嘴處，能在系統(tǒng)啟動后產(chǎn)生大量的滅火泡沫。但是滅火泡沫由安裝在地面的壓縮空氣泡沫系統(tǒng)輸送到儲罐頂部需要消耗大量的時間，往往會延誤最佳的滅火時間。

圖8 浮頂儲罐壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)裝置示意圖

由于我國設(shè)計(jì)生產(chǎn)的泡沫輸送柔性管線的密封性能不能得到保證，使得浮盤邊緣式的泡沫滅火系統(tǒng)的泡沫發(fā)生供應(yīng)裝置的安裝位置受到局限。目前將泡沫發(fā)生裝置安裝在儲罐外的浮盤邊緣式消防系統(tǒng)在我國研究應(yīng)用較少，少數(shù)研究人員結(jié)合國外成熟的消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)了將泡沫發(fā)生裝置安裝在浮盤上的浮盤邊緣式滅火系統(tǒng)。如郎需慶等設(shè)計(jì)了如圖9所示的撲救浮頂儲罐密封圈火災(zāi)的壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高壓氣瓶、泡沫混合液儲罐、泡沫發(fā)生器、泡沫噴射裝置、輸送管線及火災(zāi)探測裝置等組成，安裝在浮盤上。當(dāng)系統(tǒng)檢測到火災(zāi)信號時泡沫混合溶液在高壓氣體作用下與壓縮氣體共同進(jìn)入泡沫發(fā)生裝置，形成壓縮空氣泡沫，直接由噴射裝置噴射出覆蓋在密封圈處。該系統(tǒng)響應(yīng)快，并且能在系統(tǒng)啟動后迅速將滅火泡沫釋放在失火點(diǎn)，提高了滅火效率。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)具有低耗的特點(diǎn)，泡沫儲罐與高壓氣瓶中的泡沫溶液與壓縮氣體的儲量能夠產(chǎn)生足夠量的滅火泡沫。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在該類消防系統(tǒng)上的應(yīng)用將是以后研究的重點(diǎn)之一。

圖9 浮頂儲罐壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)

3 結(jié)論

(1)壓縮空氣泡沫系統(tǒng)作為一種新型的滅火系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)泡沫滅火系統(tǒng)更具有低耗、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)采用正壓注入氣體，產(chǎn)生性質(zhì)更穩(wěn)定的滅火泡沫，且大大減少了泡沫溶液與消防水的使用量。將該系統(tǒng)作為泡沫的發(fā)生裝置運(yùn)用到大型儲罐的消防系統(tǒng)中，雖然還沒有大面積推廣使用，但在理論上和實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)驗(yàn)證了其可行性，壓縮空氣泡沫撲滅油類火災(zāi)將成為儲罐消防系統(tǒng)的一種趨勢。

(2)液下噴射系統(tǒng)泡沫損失量小，所產(chǎn)生的泡沫不受火場高溫氣流的影響，性質(zhì)穩(wěn)定，在發(fā)生爆炸的情況下泡沫噴射裝置仍能正常工作，消防系統(tǒng)可靠性高。在控制好系統(tǒng)發(fā)泡倍數(shù)、泡沫流量的前提下，液下噴射系統(tǒng)相對于液上噴射系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。壓縮空氣泡沫具有液下噴射的可行性，并表現(xiàn)出優(yōu)良的滅火特性，是固定頂儲罐滅火系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

(3)浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)具有響應(yīng)快、滅火效率高等特點(diǎn)，是浮頂儲罐消防系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)在浮盤式泡沫滅火系統(tǒng)上的研究應(yīng)用較為缺失，我國應(yīng)加大對該系統(tǒng)的研發(fā)力度，積極學(xué)習(xí)、引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，提高我國的儲罐消防系統(tǒng)的自主創(chuàng)新能力。

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