高倍泡沫撲救LNG池火實(shí)驗(yàn)研究*

史先召，黃偉金，姜 帥，周 寧

(1 江蘇海企化工倉(cāng)儲(chǔ)股份有限公司，江蘇 泰州 225327；2 常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213016)

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安全與管理

高倍泡沫撲救LNG池火實(shí)驗(yàn)研究*

史先召1，黃偉金1，姜 帥2，周 寧2

(1 江蘇海企化工倉(cāng)儲(chǔ)股份有限公司，江蘇 泰州 225327；2 常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213016)

搭建了大尺度LNG池火測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)用攝像、熱成像、熱電偶樹(shù)、熱流計(jì)等儀器開(kāi)展了LNG在池火燃燒機(jī)理及高倍泡沫對(duì)池火災(zāi)抑制作用的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明高倍泡沫對(duì)LNG池火有較好的抑制作用，顯著的降低LNG池火對(duì)周邊構(gòu)建筑物的熱輻射危害，但以高倍泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的略大于7.2 L/m2·min供給強(qiáng)度下，高倍泡沫無(wú)法撲滅LNG池火。

液化天然氣；池火災(zāi)；高倍泡沫；實(shí)驗(yàn)

液化天然氣(LNG)是優(yōu)質(zhì)清潔能源，國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)發(fā)布的天然氣中長(zhǎng)期需求預(yù)測(cè)報(bào)告顯示，到2035年全球天然氣需求總量達(dá)到5.1萬(wàn)億立方米，占全球能源需求25%。LNG對(duì)優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、改善大氣環(huán)境有著很重要的作用。從2006年中國(guó)第一次進(jìn)口LNG70萬(wàn)噸，到2012年進(jìn)口1470萬(wàn)噸/年，LNG進(jìn)口平均年增長(zhǎng)率59%。

與此同時(shí)，由于LNG具有易燃、易爆、毒害等性質(zhì)，火災(zāi)危險(xiǎn)性極大。LNG在儲(chǔ)運(yùn)和使用過(guò)程中一旦發(fā)生泄漏，就可能在低洼處匯集形成液池，遇點(diǎn)火源可能引起火災(zāi)爆炸并造成嚴(yán)重的后果。2013年11月11日，新疆八鋼鋼結(jié)構(gòu)股份有限責(zé)任公司一加工車間發(fā)生液化天然氣爆炸事故，造成6人死亡、6人受傷。2009年9月16日，中石油江蘇液化天然氣(LNG)接收站工程1號(hào)儲(chǔ)罐區(qū)發(fā)送重大安全事故，造成8人死亡，14人受傷，其中3人重傷。

針對(duì)大尺度LNG泄漏、火災(zāi)和爆炸事故事故研究，國(guó)外在實(shí)驗(yàn)和模型研究方面的已經(jīng)取得了一些研究進(jìn)展，國(guó)內(nèi)在LNG大尺度泄漏、火災(zāi)實(shí)驗(yàn)方面還沒(méi)有開(kāi)展相關(guān)的研究。對(duì)LNG池火災(zāi)的機(jī)理、事故撲救認(rèn)識(shí)還非常欠缺，因此本文開(kāi)展LNG大尺度池火災(zāi)撲救研究，對(duì)于提高應(yīng)對(duì)LNG火災(zāi)時(shí)的應(yīng)急處置技術(shù)尤為重要。

1 LNG池火災(zāi)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 液池及實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

圖1 LNG燃燒池示意圖與照片

燃燒池是尺寸為5 m×3 m×1.2 m的長(zhǎng)方形混凝土液池，示意圖和照片如圖1所示。

在液池中軸線延長(zhǎng)線上設(shè)置4個(gè)輻射熱流計(jì)，高度為1.5 m，距離液池邊緣分別為2 m、4 m、6 m、10 m處，在這是個(gè)位置還同時(shí)設(shè)置有熱電偶，熱流計(jì)布置示意圖如圖2所示。

圖2 熱流計(jì)位置

除了在熱流計(jì)位置設(shè)置熱電偶外，還在液池中設(shè)置熱電偶樹(shù)，熱電偶樹(shù)的位置和尺寸如圖3所示。

圖3 熱電偶支架位置

為更好的記錄LNG池火燃燒過(guò)程和火災(zāi)抑制過(guò)程，實(shí)驗(yàn)還設(shè)置了4臺(tái)攝像機(jī)和一臺(tái)紅外熱像儀。

1.2 高倍泡沫滅火系統(tǒng)

高倍泡沫一般由發(fā)泡劑、穩(wěn)定劑、助溶劑等按照一定配比生成，通過(guò)機(jī)械混合的方法來(lái)產(chǎn)生氣泡狀聚集體。高倍泡沫具有滅火效能高，無(wú)毒無(wú)害、排減有毒氣體、絕熱功能好和能夠形成防火隔熱層的優(yōu)點(diǎn)，能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)消防滅火人員起到很好的保護(hù)作用[1]。

根據(jù)高倍泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，LNG滅火實(shí)驗(yàn)應(yīng)采用發(fā)泡倍數(shù)在300～500倍間的高倍泡沫，供給強(qiáng)度大于7.2 L/m2·min，高倍泡沫發(fā)生器設(shè)置在混凝土儲(chǔ)槽一側(cè)，泡沫產(chǎn)生系統(tǒng)管路安裝泡沫調(diào)節(jié)閥用來(lái)調(diào)節(jié)泡沫供給強(qiáng)度。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作，將LNG從儲(chǔ)罐中泄放到液池中；

(2)點(diǎn)火，同時(shí)啟動(dòng)攝像系統(tǒng)、熱像儀等數(shù)據(jù)采集記錄裝置；

(3)預(yù)燃燒45 s后，使用高倍泡沫進(jìn)行抑制火焰實(shí)驗(yàn)。

(4)打開(kāi)水幕保護(hù)系統(tǒng)，待LNG燒盡后液池周圍溫度恢復(fù)至常溫時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)入液池周圍進(jìn)行清理作業(yè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 LNG池火抑制形態(tài)分析

實(shí)驗(yàn)先進(jìn)行LNG池火燃燒實(shí)驗(yàn)，待池火穩(wěn)定燃燒后記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，然后使用高倍泡沫滅火系統(tǒng)對(duì)LNG池火進(jìn)行滅火作業(yè)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行LNG池火抑制技術(shù)及其抑制效能對(duì)比分析。不同時(shí)刻高倍泡沫滅火效果如圖4所示。

圖4 不同時(shí)刻高倍泡沫滅火效果圖

LNG在燃燒時(shí)的形狀近似為圓柱形，在外界風(fēng)速的作用下發(fā)生傾斜。實(shí)驗(yàn)表明，穩(wěn)定燃燒后，LNG池火形態(tài)為自由燃燒火羽流，LNG被電火花點(diǎn)燃后，首先開(kāi)始火焰高度不斷增大的預(yù)燃階段，經(jīng)過(guò)短暫的時(shí)間后，進(jìn)入穩(wěn)定的LNG液池燃燒階段，此時(shí)LNG液池的火焰高度處于一定均勻區(qū)間不斷脈動(dòng)，稱之為穩(wěn)定燃燒階段[2-5]。

使用高倍泡沫滅火器對(duì)處于穩(wěn)定燃燒階段的LNG池火進(jìn)行火災(zāi)抑制作業(yè)。根據(jù)高倍泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，LNG滅火實(shí)驗(yàn)應(yīng)采用發(fā)泡倍數(shù)在300-500倍間的高倍泡沫，供給強(qiáng)度略大于7.2 L/m2·min供給方式來(lái)檢驗(yàn)滅火效率。由圖4可以看出，在高倍泡沫滅火的初始階段，火焰高度出現(xiàn)明顯的上升過(guò)程，這是因?yàn)楦弑杜菽袛y帶成分占比高于97%的水，由于滅火初期火災(zāi)功率大，溫度高，高倍泡沫中的水分到達(dá)液池后迅速升溫，氣化，體積急劇膨脹，膨脹的高溫水汽夾帶LNG上升，夾帶的LNG被點(diǎn)燃，使火災(zāi)功率反而短時(shí)間內(nèi)增大，溫度升高。但隨著泡沫量的增加，控火效應(yīng)逐漸體現(xiàn)。40 s后，高倍泡沫的控火效應(yīng)逐漸體現(xiàn)，火焰高度逐漸降低，范圍逐漸縮小。100 s以后，液池中已經(jīng)充滿高倍泡沫，控火效能達(dá)到最大，之后LNG池火火焰保持相對(duì)穩(wěn)定，高度在6 m左右脈動(dòng)。從100 s泡沫滿液到高倍泡沫池火控制結(jié)束，火焰一直保持燃燒狀態(tài)，直至LNG燃料燃燒殆盡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高倍泡沫雖然能迅速控制住LNG池火火勢(shì)，但不能將火災(zāi)撲滅，分析認(rèn)為主要是高倍泡沫發(fā)泡倍數(shù)高300～500倍，能夠迅速覆蓋液池所以能以較快速度控制住火勢(shì)，但發(fā)泡倍數(shù)高，生成的氣泡輕，極易被高溫破壞，并且LNG池火火焰浮力較大，帶走大量氣泡，高倍泡沫很難將氣化的氣體完全控制在泡沫層一下，氣化的LNG會(huì)將部分覆蓋的高倍泡沫撕裂，繼續(xù)燃燒。

2.2 溫度特性分析

LNG高倍泡沫控火實(shí)驗(yàn)熱成像結(jié)果如圖5所示。

圖5 LNG高倍泡沫滅火實(shí)驗(yàn)熱成像對(duì)比圖

由圖5可以看出，高倍泡沫啟動(dòng)后，初始階段池火的火焰不降反升，火焰高度升高，溫度場(chǎng)向外擴(kuò)展，高溫區(qū)增大，最高溫度達(dá)1159 ℃。40 s后火焰的高度開(kāi)始逐漸降低，高溫區(qū)減少，溫度場(chǎng)逐漸向內(nèi)收縮。80 s后高倍泡沫充滿液池，之后池火的溫度場(chǎng)保持相對(duì)穩(wěn)定，120 s時(shí)最高溫度為817 ℃，與溫度最高時(shí)相比溫度降幅達(dá)29.5%。由熱成像圖可以看出高倍泡沫可以有效降低LNG池火的火焰高度，控制火焰的擴(kuò)展，減少高溫區(qū)的面積，極大降低對(duì)周圍環(huán)境的熱輻射，可以有效控制火勢(shì)的蔓延，保證現(xiàn)場(chǎng)消防人員的生命安全。

將圖4高倍泡沫滅火的現(xiàn)場(chǎng)照片與圖5中高倍泡沫滅火的現(xiàn)場(chǎng)熱成像圖對(duì)比分析知，火焰高度的變化呈現(xiàn)先增大后減少直到相對(duì)穩(wěn)定的趨勢(shì)。隨著火焰高度的降低，火焰的高溫區(qū)域也明顯縮減，表明火焰高度和高溫區(qū)域大小存在正相關(guān)的關(guān)系。

3 結(jié) 論

本文實(shí)驗(yàn)研究了高倍泡沫撲救大尺度LNG池火的實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1)紅外熱像儀測(cè)試結(jié)果表明，LNG池火火焰高度和高溫區(qū)域大小存在正相關(guān)的關(guān)系。

(2)實(shí)驗(yàn)條件下按照消防設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的高倍泡沫供給強(qiáng)度7.2 L/m2·min時(shí)，只能控制LNG池火，不能實(shí)現(xiàn)完全撲滅，研究結(jié)果可為相關(guān)消防規(guī)范的修訂提供支撐。

[1] 周榕,趙遠(yuǎn)征,王五成.高倍泡沫滅火系統(tǒng)在船舶機(jī)艙中的應(yīng)用分析[J].船海工程, 2011, 40(2):81-83.

[2] RAJ P P K, MOUSSA A N,ARACAMUDAN K.Experiments Involving Pool and Vapor Fires from Spills of Liquefied Natural Gas on Water[J].Electromagnetic Spectrum, 1979.

[3] SCHNEIDER A L, LIND C D, PARNAROUSKIS M C.US Coast Guard Liquefied Natural Gas Research at China Lake[R].COAST GUARD WASHINGTON DC, 1980.

[4] SCHNEIDER A L.Liquefied Natural Gas Spills on Water: Fire Modeling[J].Journal of fire and flammability, 1980, 11(4): 302-313.

[5] NIZNER G A, EYRE J A.Radiation from liquefied gas fires on water[J].Combustion Science and Technology, 1983, 35(1-4): 33-57.

Study on LNG Pool Fire Fighting with High Power Foam*

SHIXian-zhao1，HUANGWei-jin1,JIANGShuai2，ZHOUNing2

(1 Jiangsu Haiqi Chemical Warehouse Co., Ltd., Jiangsu Taizhou 225327;2 School of Petroleum Engineering, Changzhou University, Jiangsu Changzhou 213016, China)

LNG in the pool fire burning mechanism and high-expansion foam suppression effectiveness for pool fire by using camera, thermal imaging, thermocouple tree, heat flow meter and other instrument through large-scale fire test platform were discussed.The results showed that high-expansion foam had better suppression effectiveness for the LNG pool fire, significantly reduced the heat radiation hazard of LNG pool fire on the surrounding structures.But high-expansion can’t completely put out the LNG pool fire with a little greater 7.2 L/m2·min supply intensity.

liquefied natural gas；poor fire；high-expansion foam；experiments

建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(KFKT2014MS02)；常州市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(CE20155025)；公安部科技強(qiáng)警基礎(chǔ)工作專項(xiàng) (2014GABJC047)；公安部消防局科研計(jì)劃項(xiàng)目(2015XFR 22)；建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(KFKT2015ZD03)。

史先召(1967-)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事化工儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究。

TE832

A

1001-9677(2016)019-0215-03