高倍泡沫性能組合調(diào)節(jié)研究*

楊 潔，李玉星，韓 輝

(中國石油大學(xué)(華東) 山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，山東 青島 266580)

0 引言

2018年《BP世界能源統(tǒng)計評論》指出[1]，到2040年，天然氣(NG)和電力將占到全部供給源的三分之二。液化工藝具有儲存能量大、常壓儲運的優(yōu)點，可實現(xiàn)NG的全球可獲得性。預(yù)計到21世紀(jì)20年代初，液化天然氣(LNG)總量將占據(jù)NG運輸總量的一半以上。但LNG一旦泄漏將釋放自身體積600倍NG，故安全問題需特別注意。

研究證實高倍泡沫能有效抑制LNG蒸氣危害[2-4]。GB 50151-2010[5]及NFPA-2016[6]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了高倍泡沫應(yīng)用時所需的發(fā)泡倍數(shù)、覆蓋率、覆蓋高度等工藝參數(shù)，但在抑制LNG蒸氣擴(kuò)散方面，標(biāo)準(zhǔn)建議通過實驗確定具體參數(shù)。泡沫性能定會影響高倍泡沫的控害效果[8-10]，但少見發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性和覆蓋率的關(guān)聯(lián)性及對控害效果的影響程度與規(guī)律的研究。

本文首先分析泡沫抑制LNG蒸氣危害機(jī)理，探究泡沫發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性、覆蓋率3性能間組合調(diào)節(jié)的必要性，據(jù)3性能兩兩間關(guān)系曲線分析3者間關(guān)聯(lián)性，最后討論操作參數(shù)、集泡裝置與階段對3性能的影響程度與規(guī)律，為泡沫性能組合調(diào)節(jié)提供理論數(shù)據(jù)支持與實現(xiàn)方法，利于研究泡沫性能對LNG蒸氣控害效果的影響。

1 泡沫性能整合調(diào)節(jié)的必要性

高倍泡沫覆蓋在LNG液池上，產(chǎn)生的阻熱效應(yīng)可降低由強(qiáng)制對流、熱輻射傳遞給LNG液池的70%的熱量，降低LNG蒸發(fā)率[11-13]。蒸氣通過泡沫層時，泡沫中約有92%的熱量用于加熱蒸氣[7]，從而降低蒸氣密度，減小蒸氣在地面的聚集，此為加熱蒸氣效應(yīng)。但當(dāng)泡沫與LNG液池接觸時，兩者之間的熱交換導(dǎo)致LNG蒸發(fā)加速，此為加速蒸發(fā)效應(yīng)。Zhang等[7]利用風(fēng)洞測量得到初期此效應(yīng)傳給LNG液池的熱通量(156 W/m2)為泡沫作用下強(qiáng)制對流降低量的62%，故降低該效應(yīng)可進(jìn)一步提高控害效果。阻熱和加速蒸發(fā)效應(yīng)均會影響LNG蒸發(fā)率，兩者的綜合效應(yīng)被稱為覆蓋效應(yīng)。高倍泡沫抑制LNG蒸氣危害簡化機(jī)理模型如圖1所示，圖中橢圓、方形、菱形框分別表示框內(nèi)效應(yīng)對抑制危害效應(yīng)有促進(jìn)、減弱、未知作用。

圖1 高倍泡沫抑制LNG蒸氣危害機(jī)理模型Fig.1 Model of the interaction between HEX and LNG spillage pool

泡沫中水的存在誘發(fā)產(chǎn)生了加速蒸發(fā)和加熱蒸氣效應(yīng)[7]，而水的分布和含量與泡沫性能有關(guān)：泡沫發(fā)泡倍數(shù)增大，含水量減??；泡沫穩(wěn)定性降低，水易外排。加速蒸發(fā)效應(yīng)為水與液池?zé)峤粨Q誘發(fā)，加熱蒸氣效應(yīng)為水與蒸氣熱交換誘發(fā)。因此，前期施加發(fā)泡倍數(shù)大、穩(wěn)定性高的泡沫；后期施加發(fā)泡倍數(shù)小、穩(wěn)定性高的泡沫。迅速建立泡沫覆蓋層需覆蓋率越大越好。

工業(yè)泡沫發(fā)生器不適于實驗室研究，需自制發(fā)生器。操作參數(shù)、集泡時間與裝置均會對泡沫性能產(chǎn)生影響[14]。以往研究通過720個參數(shù)，分別以3性能為點分析操作參數(shù)、集泡裝置與階段對其影響[15-16]。本文將對此進(jìn)行總結(jié)，研究3性能間關(guān)聯(lián)性、對性能影響的異同，為性能組合調(diào)節(jié)提供指導(dǎo)與方法。

2 實驗裝置與方案

2.1 實驗裝置

自制安全易操作、準(zhǔn)確性高的實驗用泡沫發(fā)生器[15-16]。采用3個集泡裝置，第1個為635 L立方容器(840 mm × 840 mm × 900 mm)，第2個與第3個相同，為20 L圓筒(φ320 mm × 300 mm)。

2.2 實驗方案

采用田口方法(見表1)，因素依次標(biāo)記為：溶液壓力A、進(jìn)風(fēng)量B、泡沫原液種類C、噴嘴與發(fā)泡網(wǎng)距離D、發(fā)泡網(wǎng)層數(shù)與網(wǎng)目大小E、噴嘴種類F，水平值如表2所示。因素E水平標(biāo)記中第1，2個數(shù)字分別代表發(fā)泡網(wǎng)數(shù)和單層網(wǎng)目數(shù)大(L)小(S)，水平1網(wǎng)總目數(shù)小于水平2。先將泡沫接至第2個集泡裝置中，集滿后導(dǎo)入第1個裝置，泡沫高600 mm時轉(zhuǎn)入第3個，接滿后轉(zhuǎn)到第1個，達(dá)700 mm高后停加。記錄泡沫上升與下降時高度與對應(yīng)時間，擬合函數(shù)得半高時間(泡沫高度從初始下降到一半所用時間)、泡沫高度的平均增長率來分別表征穩(wěn)定性、覆蓋率[15]。記錄收集前后集泡裝置質(zhì)量差被泡沫體積除得發(fā)泡倍數(shù)。實驗誤差如表3所示。根據(jù)集泡裝置編號命名泡沫，如第一個裝置中的泡沫命名為No.1泡沫，以此類推。No.2與No.3 泡沫收集在相同容器(20 L圓筒)中，而No.1收集在635 L立方容器中。最先收集No.2，而后是No.1，最后是No.3。3種泡沫性能對比可反映集泡裝置與階段對泡沫性能的影響規(guī)律，研究方案如圖2所示。

表1 泡沫性能研究實驗方案與條件匯總Table 1 Experiment design and conditions to research foam properties

表2 6因素水平對照Table 2 Levels of six factors in the foam properties research

圖2 泡沫性能整合研究方案匯總Fig.2 Sketch of the foam properties research

表3 實驗誤差對照Table 3 Experimentaluncertianties

3 討論與分析

3.1 發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性、覆蓋率關(guān)系曲線分析

3性能兩兩間關(guān)系散點如圖3所示，圖中發(fā)泡倍數(shù)與穩(wěn)定性、覆蓋率的關(guān)系散點圖分別用實心與空心圈表示。由No.1泡沫發(fā)泡倍數(shù)與穩(wěn)定性間關(guān)系可得：發(fā)泡倍數(shù)增大時，泡沫穩(wěn)定性降低，但兩者相關(guān)性較小。由No.2，No.3泡沫發(fā)泡倍數(shù)與穩(wěn)定性間關(guān)系也能反映上述規(guī)律。但由于No.1泡沫與另2種泡沫集泡裝置不同，No.1泡沫發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性范圍遠(yuǎn)大于另外2種。根據(jù)3泡沫發(fā)泡倍數(shù)與覆蓋率之間的關(guān)系可知，發(fā)泡倍數(shù)與覆蓋率間近似成正比例，但關(guān)系曲線斜率不大，即發(fā)泡倍數(shù)增大較大時，覆蓋率提高較少。用三次、指數(shù)、雙指數(shù)函數(shù)擬合二者之間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)表示擬合曲線與原始數(shù)據(jù)重合性的數(shù)值最高只能達(dá)到70%，即兩性能之間的相關(guān)性不是很大。

據(jù)發(fā)泡倍數(shù)、半高時間、泡沫高度的平均增長速率與溶液粒徑之間的關(guān)系圖可知[16]：溶液粒徑增大，發(fā)泡倍數(shù)減小，泡沫高度的平均增長率減小，與半高時間關(guān)系不大。由此也可看出發(fā)，泡倍數(shù)與覆蓋率之間存在一定的相關(guān)性，但與穩(wěn)定性之間的相關(guān)性不大。

3.2 操作參數(shù)、集泡裝置與階段對泡沫性能的影響分析

3.2.1 影響程度綜合分析

發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性、覆蓋率依次編號為1#，2#，3#。操作參數(shù)、集泡裝置與階段對3性能影響程度排序如表4所示。

圖3 泡沫發(fā)泡倍數(shù)、半高時間、高度的平均增長率關(guān)系Fig.3 Interrelationship between foam, expansion ratio, stability and submergence rate

對大截面集泡裝置長時間接收的泡沫(No.1泡沫)來說，操作參數(shù)中對3性能影響最大的均為溶液壓力，影響最小的均為噴嘴種類與風(fēng)量，操作參數(shù)對發(fā)泡倍數(shù)與覆蓋率的影響程度排序完全一致。發(fā)泡網(wǎng)種類、發(fā)泡網(wǎng)與噴嘴距離對這2個性能影響程度排序相同均分別位于第2，3位，而對穩(wěn)定性的則分別為第3,4位；溶液種類對穩(wěn)定性影響較大位于第2位，對另2個性能影響較弱位于第4位。

表4 發(fā)生器自身6大因素對泡沫3性能影響排序Table 4 Influence ranking of operating parameters on foam expansion ratio, stability and submergence rate

對小截面集泡裝置前期接收的泡沫(No.2泡沫)來說，溶液壓力仍為對3個性能影響最大的操作參數(shù)，風(fēng)量影響最弱。沒有一個操作參數(shù)對1#(發(fā)泡倍數(shù))與3#(覆蓋率)性能影響程度排序相同。溶液種類對2#(穩(wěn)定性)與3#(覆蓋率)性能影響程度相同位于第4位，對1#性能(覆蓋率)影響位于第3位；發(fā)泡網(wǎng)與噴嘴距離、噴嘴種類對1#與2#性能影響程度排序一致，均分別為第2，5位，而對3#(覆蓋率)性能的影響排序則顛倒。發(fā)泡網(wǎng)種類對3#，2#，1#性能的影響排序從第2位依次降至第4位。

對小截面集泡裝置后期接收的泡沫(No.3泡沫)來說，對3個性能影響最大的操作參數(shù)仍為溶液壓力，但影響最小的操作參數(shù)并不固定。除此只有發(fā)泡網(wǎng)種類對1#(發(fā)泡倍數(shù))與3#(覆蓋率)性能影響程度排序相同，均位于第2位，但對2#(穩(wěn)定性)性能影響最小；發(fā)泡網(wǎng)與噴嘴距離對1#，2#性能影響程度排序相同均位于第4位，對覆蓋率(3#)的影響位于第5位；溶液種類、風(fēng)量對1#，2#性能影響程度排序接近，分別位于中等偏前以及中等偏后，而對3#(覆蓋率)性能的影響排序則顛倒；噴嘴種類對2#，3#，1#性能的影響分別位于第3，4，5位。

衡量泡沫穩(wěn)定性、覆蓋率的參數(shù)分別是半高時間、泡沫高度的平均增長速率。發(fā)泡倍數(shù)是待測泡沫體積除以待測泡沫質(zhì)量，半高時間是待測泡沫高度下降達(dá)到初始高度一半的時間，泡沫高度的平均增長速率是待測泡沫高度除以所用時間。對每種泡沫的16個實驗來說，No.1泡沫待測泡沫高度均為700 mm，容器截面積不變；No.2與No.3這2種泡沫待測泡沫高度均為300 mm，容器截面積不變。即3種泡沫計算發(fā)泡倍數(shù)時，每種泡沫16個實驗所用泡沫體積相同。則發(fā)泡倍數(shù)為待測泡沫質(zhì)量的倒數(shù)乘以固定數(shù)值，半高時間為泡沫下降到固定數(shù)值高度所用時間，泡沫高度的平均增長速率為待測泡沫高度達(dá)到相同預(yù)定值所用時間的倒數(shù)。

由此可知，忽略液膜厚度變化以及未發(fā)泡液體的外噴，發(fā)泡倍數(shù)與泡沫大小、泡沫穩(wěn)定性有關(guān)：泡沫越大，穩(wěn)定性越高，發(fā)泡倍數(shù)也就越大，但更多受泡沫大小的影響；泡沫高度的平均增長速率則與發(fā)泡倍數(shù)、發(fā)泡速度有關(guān)。對No.1泡沫來說，操作參數(shù)對發(fā)泡倍數(shù)與覆蓋率的影響程度排序相同，對No.2，No.3泡沫來說，操作參數(shù)對發(fā)泡倍數(shù)與覆蓋率的影響存在差別，可能因操作參數(shù)對No.2，No.3泡沫的發(fā)泡速度影響不同所致。發(fā)泡網(wǎng)種類對No.2泡沫發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性、覆蓋率的影響分別位于第4，3，2位，應(yīng)是發(fā)泡網(wǎng)種類對泡沫大小的影響與對穩(wěn)定性的影響相反或者微弱導(dǎo)致對起泡速度影響較大。

3.2.2 影響規(guī)律綜合分析

據(jù)操作參數(shù)、集泡裝置與階段對泡沫發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性、覆蓋率的影響規(guī)律分析可知，操作參數(shù)對泡沫發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性、覆蓋率的影響規(guī)律有3類，編號1代表性能指標(biāo)值隨因素值增大而減??；編號2代表性能指標(biāo)值隨因素值增大而增大；編號(3，C)代表以因素值C為界，C前性能指標(biāo)值隨因素值增大而增大，C后隨因素值增大而減小，具體影響規(guī)律見表5。

表5 發(fā)生器自身因素對3性能影響規(guī)律匯總Table 5 Influence regularity of the operating parameters on the three foam properties

1)對大截面集泡裝置長時間接收的泡沫(No.1泡沫)來說：①只有風(fēng)量和發(fā)泡網(wǎng)與噴嘴距離對泡沫發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性、覆蓋率影響規(guī)律相同，3性能均隨風(fēng)量增大而減小，隨發(fā)泡網(wǎng)與噴嘴距離增大而增大。②除噴嘴種類外，其他操作參數(shù)對發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性的影響規(guī)律相同。大流量噴嘴可提高泡沫的覆蓋率、穩(wěn)定性，卻會降低泡沫的發(fā)泡倍數(shù)，應(yīng)是由于大流量噴嘴大大提高了發(fā)泡率與泡沫穩(wěn)定性，卻減小了泡沫尺寸。根據(jù)3.2.1分析可知，噴嘴種類對泡沫發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性、覆蓋率的影響程度不大。③雖然溶液壓力增大提高了發(fā)泡倍數(shù)與泡沫覆蓋率，但是當(dāng)溶液壓力超過0.06 MPa后，溶液壓力再增大會使泡沫的穩(wěn)定性降低。即0.06 MPa 以后，泡沫發(fā)泡倍數(shù)的增大應(yīng)該是由于泡沫尺寸增大所致。

2)對小截面集泡裝置前期接收的泡沫(No.2泡沫)來說：①操作參數(shù)中只有發(fā)泡網(wǎng)種類對3個性能影響規(guī)律相同。除此之外，只有溶液種類對發(fā)泡倍數(shù)、覆蓋率影響規(guī)律相同：3%G比6%G泡沫原液下生成的泡沫具有更高的發(fā)泡倍數(shù)與覆蓋率，但是泡沫穩(wěn)定性更低。②風(fēng)量、噴嘴種類對穩(wěn)定性、覆蓋率的影響規(guī)律相同，風(fēng)量增大泡沫穩(wěn)定性、覆蓋率降低，但是發(fā)泡倍數(shù)提高，即泡沫體積雖增大，起泡速度卻降低了；大流量噴嘴利于獲得高穩(wěn)定性、高覆蓋率的泡沫，但卻降低發(fā)泡倍數(shù)。③溶液壓力增大可以增大發(fā)泡倍數(shù)和覆蓋率，但是卻降低了泡沫穩(wěn)定性，但當(dāng)溶液壓力大于0.1MPa時，溶液壓力增大覆蓋率降低。

3)對小截面集泡裝置后期接收的泡沫(No.3泡沫)來說：①只有風(fēng)量、發(fā)泡網(wǎng)與噴嘴距離對泡沫發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性、覆蓋率影響規(guī)律一致。②除了噴嘴種類其他因素對泡沫發(fā)泡倍數(shù)、覆蓋率影響規(guī)律相同，而且這些因素對發(fā)泡倍數(shù)、覆蓋率的影響規(guī)律與對穩(wěn)定性的影響規(guī)律相反。③大流量噴嘴可提高穩(wěn)定性與覆蓋率，但是卻降低發(fā)泡倍數(shù)?？傮w來說，多數(shù)情況下，除了風(fēng)量、溶液種類，其他因素取值增大，泡沫發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性、覆蓋率均隨之增大。此外，多數(shù)情況下，小截面集泡裝置后期接收的泡沫(No.3)與大截面集泡裝置長時間接收的泡沫(No.1)發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性、覆蓋率表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

4 結(jié)論

1)發(fā)泡倍數(shù)與覆蓋率之間近似成正比例關(guān)系，用三次、指數(shù)、雙指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合所得曲線與原始數(shù)據(jù)重合度最高只能達(dá)到70%，兩性能間相關(guān)性不是很大；發(fā)泡倍數(shù)增大較大時，覆蓋率只是提高少許。發(fā)泡倍數(shù)與穩(wěn)定性之間的相關(guān)性較小。

2)操作參數(shù)中，溶液壓力對發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性、覆蓋率的影響始終最大。對小截面集泡裝置前期接收的泡沫來說，溶液壓力過高，覆蓋率下降；溶液壓力較低時，對大截面集泡裝置長時間接收的泡沫來說，提高溶液壓力可提高穩(wěn)定性，但呈現(xiàn)此規(guī)律的溶液壓力變化范圍很小。其他情況下溶液壓力越大，越能非常明顯地提高發(fā)泡倍數(shù)、覆蓋率，但降低穩(wěn)定性。

3)風(fēng)量對發(fā)泡倍數(shù)、穩(wěn)定性、覆蓋率的影響微弱，影響程度基本位于后兩位。

4)調(diào)節(jié)泡沫性能時，除了溶液壓力的影響，還需注意溶液種類對小截面集泡裝置中泡沫穩(wěn)定性的影響、發(fā)泡網(wǎng)種類對各種工況下泡沫穩(wěn)定性的影響、發(fā)泡網(wǎng)與噴嘴距離對小截面集泡裝置前期接收泡沫的發(fā)泡倍數(shù)與穩(wěn)定性的影響。