液氮泡沫滅火系統(tǒng)研發(fā)*

牟小冬，郎需慶，尚祖政，談龍妹，周日峰，吳京峰

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266000)

0 前言

目前我國儲(chǔ)罐正逐漸向大型化、集群化方向發(fā)展[1]。近些年油罐火災(zāi)多發(fā)，撲救難度大，且易復(fù)燃，普通的泡沫滅火系統(tǒng)難以覆蓋油面，甚至隨著燃燒加劇，油罐上的滅火裝置也可能隨之遭到破壞[2]。國內(nèi)近幾年儲(chǔ)罐火災(zāi)事故處置反映出我國石化企業(yè)配備的消防設(shè)備并不具有撲救大型火災(zāi)的能力。比如，大連“7·16”火災(zāi)撲救共出動(dòng)13個(gè)消防支隊(duì)、14個(gè)企業(yè)專職隊(duì)，動(dòng)用了220輛消防車，消耗泡沫液超過1 000 t，供水量超過120 000 t；福建漳州古雷重大火災(zāi)事故共調(diào)動(dòng)269臺(tái)消防車和1 169名消防官兵，調(diào)運(yùn)1 467 t泡沫液、3套遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)、5萬條沙袋，著火罐復(fù)燃3次，滅火耗時(shí)56 h，用水量超過140 000 t。在撲救大型儲(chǔ)罐火災(zāi)時(shí)，國外大多采用大流量遠(yuǎn)射程泡沫炮，其最大流量超過40 000 L/min(2 400 m3/h)，而當(dāng)前國內(nèi)新建大型原油庫的消防泵總供給能力最大為1 000～1 200 m3/h，而且多數(shù)油庫缺少遠(yuǎn)程供水設(shè)備。供水量不足及泡沫性能偏低，嚴(yán)重制約了國內(nèi)石化罐區(qū)火災(zāi)撲救能力。

為解決國內(nèi)供水量不足的問題，需要一種更高效的滅火系統(tǒng)。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)是一種更加高效的滅火系統(tǒng)，其利用泡沫發(fā)生器將泡沫液和壓縮氣體充分混合，產(chǎn)生均勻細(xì)膩、穩(wěn)定性好的泡沫，具有滅火時(shí)間短、抗復(fù)燃能力強(qiáng)等特點(diǎn)[3-5]。根據(jù)NFPA11的推薦值，固定頂儲(chǔ)罐應(yīng)對全面積火災(zāi)的吸氣式泡沫系統(tǒng)泡沫混合液最低供給強(qiáng)度為4.1 L/(min·m2)，而CAFS(壓縮氣體泡沫系統(tǒng))泡沫混合液最低供給強(qiáng)度為1.63 L/(min·m2)[6]。同樣的火災(zāi)，壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的用水量遠(yuǎn)低于吸氣式泡沫。然而傳統(tǒng)的壓縮氣體泡沫滅火通常采用氣體壓縮機(jī)、高壓氣體管網(wǎng)或壓縮氣體鋼瓶等方式進(jìn)行供氣，而氣體壓縮機(jī)及壓縮氣體鋼瓶供氣量有限，無法滿足大流量、高壓力、長時(shí)間供氣的要求，且絕大多數(shù)場所沒有高壓氣體管網(wǎng)，空壓機(jī)的產(chǎn)氣能力限制了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在大型火災(zāi)撲救中的應(yīng)用，如何提供大流量的壓縮氣體是將壓縮氣體泡沫滅火技術(shù)應(yīng)用于石化領(lǐng)域重大火災(zāi)撲救的關(guān)鍵。

針對壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)大流量供氣的問題，開發(fā)了液氮泡沫系統(tǒng)(LNFS)，解決了大流量供氣的問題，提升了泡沫滅火系統(tǒng)的滅火效能，可以有效解決我國石化大型火災(zāi)滅火所面臨的問題。

1 液氮泡沫滅火系統(tǒng)原理

液氮泡沫滅火系統(tǒng)的工作原理是利用液氮代替空壓機(jī)、氣瓶供氣，液氮與泡沫混合液在專用氣液混合器中，經(jīng)過充分換熱、氣化及擾流混合，通過改變兩相流體流場，形成致密穩(wěn)定的泡沫。液氮與泡沫混合液經(jīng)過專用的混合器接觸后能夠迅速氣化，該混合器可有效避免液氮導(dǎo)致的泡沫混合液結(jié)冰問題，同時(shí)，產(chǎn)生的氣體能夠快速與泡沫混合液混合，瞬間形成巨大的微氣泡團(tuán)。由于液氮在常壓下的膨脹比通常為700左右，即1體積的液氮通?？梢蕴峁┘s700體積的常壓氮?dú)?，由液氮產(chǎn)生的氣體的體積與液氮本身體積相比大大增加，而常規(guī)壓縮空氣的壓縮比不超過20，由此，在獲得相同量氣體的情況下，液氮供氣的方式可大大減少氣體源的體積，為實(shí)現(xiàn)大流量供氣提供了技術(shù)條件。

泡沫混合液是常溫流體，其與液氮經(jīng)專用混合裝置混合后，泡沫混合液可充分與液氮換熱，液氮在泡沫混合液流體內(nèi)完成可控有序的快速氣化，并立即參與發(fā)泡。在該混合裝置內(nèi)經(jīng)過流場改變后，不會(huì)發(fā)生冰凍現(xiàn)象，液體溫度降低幅度也很少，完全不影響泡沫質(zhì)量。

2 小流量液氮泡沫滅火測試

基于液氮發(fā)泡原理，開展了小流量液氮泡沫滅火測試。該實(shí)驗(yàn)裝置由1臺(tái)模擬儲(chǔ)罐(直徑3.6 m、高1.5 m)、1個(gè)泡沫混合液箱(預(yù)混水成膜3%型泡沫滅火劑)、1臺(tái)離心泵、1臺(tái)液氮泡沫專用混合裝置、1臺(tái)液氮杜瓦瓶，1把泡沫直管槍，一把吸氣式泡沫槍。液氮泡沫利用液氮與泡沫混合液在專用混合器中進(jìn)行比例摻混發(fā)泡后通過直管槍進(jìn)行噴射，吸氣式泡沫直接將泡沫混合液通過離心泵輸送至吸氣式泡沫槍進(jìn)行噴射。

在油罐內(nèi)燃燒120#溶劑油，分別利用吸氣泡沫及液氮泡沫進(jìn)行滅火測試，預(yù)燃時(shí)間為1 min。吸氣泡沫按照GB50151-2010《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的供給強(qiáng)度參數(shù)為5.0 L/(min·m2)，液氮泡沫的供給強(qiáng)度為2.0 L/(min·m2)。

泡沫滅火試驗(yàn)結(jié)果見表1，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示液氮泡沫的滅火性能遠(yuǎn)高于吸氣式泡沫，吸氣式泡沫在GB50151-2010規(guī)定的供給參數(shù)5.0 L/(min·m2)要求下，控火時(shí)間達(dá)到95 s，滅火時(shí)間長達(dá)182 s。而液氮泡沫在供給強(qiáng)度僅為2.0 L/(min·m2)的情況下，在60 s內(nèi)完成滅火，進(jìn)一步驗(yàn)證了壓縮氣體泡沫系統(tǒng)相較于吸氣式泡沫系統(tǒng)的滅火優(yōu)越性，同時(shí)證明了液氮泡沫滅火的可行性。

表1 小型液氮泡沫滅火試驗(yàn)結(jié)果

3 大流量液氮泡沫滅火測試

基于對液氮發(fā)泡的原理研究及小流量滅火測試結(jié)果，作者團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套大流量液氮泡沫滅火裝置，該裝置內(nèi)置5 m3液氮罐、專用液氮泡沫混合器及液氮流量與泡沫混合液流量調(diào)配系統(tǒng)，最大泡沫混合液流量可達(dá)150 L/s，發(fā)泡倍數(shù)可調(diào)，可以產(chǎn)生干濕兩種狀態(tài)的泡沫，濕泡沫流量最大可達(dá)到63 000 L/min，干泡沫流量最大可達(dá)到108 000 L/min。

該裝置與舉高噴射車聯(lián)合噴射，在直徑26 m油盤(相當(dāng)于10 000 m3儲(chǔ)罐)上開展了全面積火災(zāi)液氮泡沫和吸氣式泡沫的對比滅火測試，見圖1。燃燒介質(zhì)為柴油，當(dāng)液面形成全面積燃燒后預(yù)燃120 s。

圖1 26 m直徑油盤全面積火災(zāi)滅火測試

第一組實(shí)驗(yàn)大流量液氮泡沫滅火裝置與舉高噴射車聯(lián)用，高噴車外接水源，通過高噴車進(jìn)行泡沫比例混合，將泡沫混合液注入液氮泡沫滅火裝置進(jìn)行液氮混合發(fā)泡，混合好的泡沫返回高噴車臂架進(jìn)行舉高固定角度俯沖式噴射，噴射時(shí)泡沫混合液流量為76 L/s，滅火時(shí)間為61 s，泡沫混合液消耗量4636 L。第二組實(shí)驗(yàn)利用常規(guī)泡沫消防車進(jìn)行滅火測試，固定炮頭遲遲無法將火勢撲滅，最終通過調(diào)整炮頭，對準(zhǔn)火點(diǎn)搖擺式噴射，泡沫混合液流量為50 L/s，滅火時(shí)間為215 s，泡沫混合液消耗量10 750 L。此次實(shí)驗(yàn)液氮泡沫系統(tǒng)的泡沫混合液消耗量僅為吸氣式泡沫的46%。

通過大尺度油盤滅火性能對比，發(fā)現(xiàn)利用大流量液氮泡沫滅火系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢。

a)液氮泡沫抗復(fù)燃能力強(qiáng)，泡沫層穩(wěn)定性高。在大尺度油盤滅火實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，吸氣式泡沫覆蓋的區(qū)域會(huì)發(fā)生局部油面復(fù)燃現(xiàn)象，但液氮泡沫覆蓋的區(qū)域未發(fā)生泡沫復(fù)燃。這說明液氮泡沫抗復(fù)燃能力強(qiáng)，而高的泡沫抗燒能力可歸因于液氮泡沫氣泡小且均勻，耐熱膨脹能力高，不容易被高溫破壞。而且大流量液氮泡沫滅火系統(tǒng)噴出的泡沫層穩(wěn)定時(shí)間高達(dá)240 min以上。

b)氮?dú)庵舷⑴c泡沫協(xié)同滅火。液氮泡沫噴入著火油面后，泡沫落入的區(qū)域燃燒抑制明顯，火勢明顯變小，主要原因是液氮泡沫破裂后會(huì)釋放出氮?dú)?，隨著氮?dú)獾牟粩噌尫?，能夠在一定程度上阻止空氣進(jìn)入燃燒區(qū)，并且能稀釋著火油面周圍的空氣含量，最終使得燃燒區(qū)域因缺少空氣而降低燃燒強(qiáng)度，從而使火窒息。氮?dú)庵舷⑴c泡沫覆蓋窒息，兩者雙重協(xié)同滅火作用，顯著提高了滅火效率。

c)液氮泡沫冷卻作用明顯。液氮在泡沫混合液內(nèi)氣化產(chǎn)生泡沫時(shí)會(huì)吸收大量的熱量，使得泡沫混合液溫度降低(大約降低1～2 ℃)。當(dāng)?shù)蜏氐呐菽瓏姙⒌街鹩兔鏁r(shí)，會(huì)從燃燒物表面攝取大量的熱，使得著火油面溫度冷卻的程度更加明顯，最終迫使燃燒物的溫度大大降低而熄滅火焰。然而吸氣泡沫是從火場周圍吸入高溫空氣后產(chǎn)生的泡沫，泡沫溫度非常高，穩(wěn)定性差，且對油面的冷卻作用較差。

d)液氮泡沫噴射流量大，滅火效能高。因?yàn)橐旱獨(dú)饣雀哌_(dá)1∶700，因此極少的液氮?dú)饣缶蜁?huì)產(chǎn)生大量的氮?dú)?，這就能使得液氮泡沫滅火技術(shù)實(shí)現(xiàn)大流量高壓噴射，解決了壓縮空氣泡沫無法大流量供氣的問題。而且在大尺度油盤滅火實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在撲滅相同面積的油盤火時(shí)液氮泡沫最低供給強(qiáng)度數(shù)值僅是吸氣式滅火系統(tǒng)的30%。

e)液氮供氣設(shè)備成本低。市面上常用的壓縮氣體泡沫滅火系統(tǒng)是通過空壓機(jī)供給氣體，而液氮泡沫系統(tǒng)是采用液氮?dú)饣墓┙o方式。這種供給方式，全程只需要使用液氮罐實(shí)現(xiàn)液氮的儲(chǔ)存與輸出，無任何動(dòng)設(shè)備，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性高，而且供氣設(shè)備成本低。

4 大型儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)配置分析

大流量液氮泡沫系統(tǒng)可以解決我國石化企業(yè)大型火災(zāi)所遇到的問題，用水量少，且滅火效能高，通過持續(xù)的泡沫液供給和各類移動(dòng)式噴射裝置相結(jié)合，形成一個(gè)滅火單元，實(shí)現(xiàn)大型火災(zāi)的撲救。

以撲救10×104m3儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)為例，對比分析吸氣泡沫、液氮泡沫的所需配置情況。對于吸氣式泡沫滅火系統(tǒng)，基于國外的滅火案例以及日本《石油聯(lián)合企業(yè)等防災(zāi)體制檢討會(huì)研討結(jié)果報(bào)告》、API、LASTFIRE等國際權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與儲(chǔ)罐火災(zāi)研究組織的推薦值，對于10×104m3儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)的撲救，其泡沫混合液的供給強(qiáng)度至少需9 L/(min·m2)，泡沫混合液流量至少需要45 216 L/min，滅火時(shí)間至少需60 min，泡沫混合液的消耗量是2 712 m3。

對于壓液氮泡沫滅火系統(tǒng)，一般認(rèn)為壓縮氣體泡沫滅火系統(tǒng)所需泡沫供給強(qiáng)度為吸氣式泡沫滅火系統(tǒng)的1/4，但由于10×104m3儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)的滅火面積較大，根據(jù)大尺度油盤滅火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其泡沫供給強(qiáng)度宜取5.4 L/(min·m2)，則泡沫混合液流量是27 130 L/min。以發(fā)泡倍數(shù)7為目標(biāo)，其供氣量應(yīng)至少是190 m3/min，加上損失量，供氣量將不低于200 m3/min。按照60 min的滅火時(shí)間，泡沫混合液的消耗量是1 627 m3，相較于吸氣式泡沫系統(tǒng)減少了將近1 000 m3的用水量。所需供氣量為12 000 m3，對應(yīng)所需液氮量是17 m3。此時(shí)只需派遣一輛液氮槽車進(jìn)行配合滅火即可，一臺(tái)液氮罐槽車的容積一般是25 m3，該液氮槽車滿載液氮后，持續(xù)供給時(shí)間可達(dá)80 min。

5 結(jié)語

在面臨石化企業(yè)的大型儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)等大型火災(zāi)事故時(shí)，液氮泡沫滅火系統(tǒng)可以替代吸氣式泡沫滅火系統(tǒng)，利用正壓發(fā)泡的優(yōu)點(diǎn)，提高泡沫的滅火效率，大大減少用水量。同時(shí)液氮泡沫系統(tǒng)可以解決利用空壓機(jī)、氣瓶供氣的傳統(tǒng)壓縮空氣泡沫系統(tǒng)因供氣量不足而無法滿足大流量噴射的問題。該大流量液氮泡沫系統(tǒng)可自帶液氮罐，滿足一定時(shí)間的持續(xù)噴射要求；在面臨長時(shí)間作戰(zhàn)及群組作戰(zhàn)時(shí)，全國各級地市均有液氮銷售廠家，通過現(xiàn)場調(diào)派液氮槽車，可利用液氮槽車直接提供液氮進(jìn)行長時(shí)間噴射滅火作業(yè)，該滅火系統(tǒng)具備工程應(yīng)用條件。