不同供給強(qiáng)度的壓縮氣體泡沫撲滅油罐火的性能比較*

尚祖政

(中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104)

0 前言

壓縮氣體泡沫滅火系統(tǒng)是一種新型泡沫滅火系統(tǒng)，其采用正壓式發(fā)泡技術(shù)，又稱為“CAF”或者“正壓式泡沫”，壓縮氣體泡沫具有泡沫均勻穩(wěn)定、滅火效能高、抗復(fù)燃能力強(qiáng)、隔熱保護(hù)能力優(yōu)異的特點(diǎn)。歐美多家公司開發(fā)了多種形式的壓縮氣體泡沫滅火裝置，已在危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)、加油站、煉油廠和化工廠等多個(gè)場(chǎng)所進(jìn)行了應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在壓縮氣體泡沫滅火領(lǐng)域做了大量試驗(yàn)研究工作，如應(yīng)急管理部天津消防研究所證明了壓縮氣體泡沫滅火系統(tǒng)撲滅B類火的效率優(yōu)于吸氣式泡沫；中石化安全工程研究院有限公司通過液氮汽化原理提高了壓縮氣體泡沫滅火系統(tǒng)的滅火性能。另外，山東省發(fā)布的DB37T1916—2017《壓縮氣體泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范》推動(dòng)了該技術(shù)在石化行業(yè)的應(yīng)用。

本文采用中石化安全工程研究院有限公司自主研發(fā)的壓縮氣體泡沫系統(tǒng)，通過對(duì)直徑11 m和21 m模擬油罐進(jìn)行滅火試驗(yàn)，考察不同泡沫供給強(qiáng)度壓縮氣體泡沫的滅火性能。

1 試驗(yàn)裝置及材料

1.1 試驗(yàn)裝置

2個(gè)鋼制模擬油罐，尺寸分別為直徑11 m、高1.5 m、罐壁厚6 mm、油面面積78.5 m的鋼制模擬油罐和直徑21 m、高1.3 m、罐壁厚8 mm、油面面積346 m的鋼制模擬油罐；預(yù)混型壓縮氣體泡沫系統(tǒng)，泡沫溶液罐容量范圍0～20 m；流量范圍為0～6 000 L/min；設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa；氣液比為0～20范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；螺桿氣體壓縮機(jī)1臺(tái)，排氣量6.0～25.5 m/min，排氣壓力0.7～1.8 MPa，功率37～185 kW。

1.2 試驗(yàn)材料

6%型水成膜泡沫滅火劑，滅火等級(jí)IA，發(fā)泡倍數(shù)6.5～7.5；混合油品燃料(汽油和柴油體積比為1∶9)。

2 模擬儲(chǔ)罐滅火試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 直徑11 m的模擬油罐滅火試驗(yàn)

向模擬油罐中加入深300 mm水墊層，混合燃料12 000 L，采用長(zhǎng)桿電點(diǎn)火器在模擬油罐中點(diǎn)火，預(yù)燃時(shí)間為2 min，在模擬油罐上風(fēng)向架設(shè)2支出口為DN50的泡沫管槍，壓縮氣體泡沫出口壓力為0.8～0.9 MPa。

分別在壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度為1.2，1.8，2.5，5.0，6.2 L/(min·m)條件下，考察了壓縮氣體泡沫對(duì)混合油品燃料的大尺度滅火性能，記錄滅火時(shí)間和泡沫液消耗量，試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 直徑11 m模擬油罐滅火試驗(yàn)結(jié)果

通過表1可以看出，壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度與滅火時(shí)間成反比，泡沫供給強(qiáng)度越大，滅火時(shí)間越短。壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度不高于5.0 L/(min·m)時(shí)，泡沫液消耗量為490 L左右，當(dāng)壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度達(dá)到6.2 L/(min·m)時(shí)，泡沫液消耗量降至355 L。

壓縮氣體泡沫微觀圖像可以看出，在壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度1.2 L/(min·m)情況下的壓縮氣體泡沫的氣泡平均直徑基本在60～150 μm；在壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度6.2 L/(min·m)情況下的壓縮氣體泡沫的氣泡平均直徑基本在120～200 μm。

黑水角閥的結(jié)構(gòu)可使流體在閥體內(nèi)的流向產(chǎn)生90°變化，流路簡(jiǎn)單、阻力小、滲透少，適用于高壓差、高黏度、含有懸浮物和顆粒物流體的調(diào)節(jié)，可以減少閥內(nèi)堵塞，也便于自清潔，延長(zhǎng)了閥門的使用壽命，適合于高壓黑水減壓及流量調(diào)節(jié)的工況。

2.2 直徑21 m的模擬油罐滅火試驗(yàn)

向模擬油罐中加入水墊層，深300 mm，混合燃料16 000 L，采用11 m長(zhǎng)桿電點(diǎn)火器在模擬油罐中點(diǎn)火，預(yù)燃時(shí)間為2 min，在模擬油罐上風(fēng)向架設(shè)噴2支DN50出口的泡沫管槍。

預(yù)混型壓縮氣體泡沫系統(tǒng)充裝泡沫液13 000 L，初始?jí)毫?.0～1.1 MPa，預(yù)燃2 min結(jié)束后，使用一支泡沫槍實(shí)施滅火，持續(xù)噴射2 min，消耗泡沫液2 700 L，平均流量是1 350 L/min，壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度約3.8 L/(min·m)，發(fā)現(xiàn)模擬油罐內(nèi)的火勢(shì)不減弱，表明滅火失敗。

預(yù)混型壓縮氣體泡沫系統(tǒng)剩余泡沫液10 300 L，壓力1.0～1.1 MPa，同時(shí)開兩支管槍，流量提高到2 000 L/min，壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度約4.6 L/(min·m)，噴射壓力0.8～0.9 MPa，噴射75 s后完成滅火，共消耗泡沫液約2 500 L。結(jié)果見表2。

表2 直徑21 m模擬油罐滅火試驗(yàn)結(jié)果

通過直徑21 m油盤火試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐滅火壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度必須達(dá)到某個(gè)最小值，才具備滅火的能力，從表2可以看出直徑21 m油罐火的最低壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度介于3.8～4.6 L/(min·m)之間，表1可以看出直徑11 m油罐火的最低壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度不大于1.2 L/(min·m)，說明隨著油池直徑增大，最低壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度需增大。

3 結(jié)果分析與討論

a) 表1是直徑11 m模擬油罐滅火時(shí)壓縮氣體泡沫的供給強(qiáng)度與滅火時(shí)間和泡沫液消耗量的關(guān)系，可以看出，壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度越大滅火時(shí)間越短，當(dāng)壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度在1.2～5.0 L/(min·m)時(shí)，撲滅約78.5 m油品火時(shí)需要消耗泡沫液485～500 L。本次試驗(yàn)選用的泡沫液發(fā)泡倍數(shù)為7.0左右，初步計(jì)算消耗泡沫體積約3 395～3 500 L。

b) 低壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度的壓縮氣體泡沫相對(duì)細(xì)膩，單個(gè)泡沫體積較小，泡沫排布均勻，高壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度的壓縮氣體泡沫的氣泡也非常均勻，但是局部存在某個(gè)體積的大氣泡，這是因?yàn)閴嚎s氣體泡沫供給強(qiáng)度越高，泡沫液流量越大，在泡沫產(chǎn)生裝置內(nèi)與氣體混合不夠均勻產(chǎn)生的，從測(cè)試結(jié)果看，壓縮氣體泡沫不能一味地追求高泡沫供給強(qiáng)度，應(yīng)考慮泡沫液流量，現(xiàn)場(chǎng)氣量及泡沫產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通過試驗(yàn)與計(jì)算，選出更適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度。

c) 直徑11 m油池滅火試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，壓縮氣體泡沫的泡沫供給強(qiáng)度小于5.0 L/(min·m)時(shí)，隨著壓縮空氣泡沫供給強(qiáng)度提高，滅火所需泡沫液量逐漸降低，滅火時(shí)間逐漸減?。划?dāng)壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度大于5.0 L/(min·m)時(shí)，滅火所需的泡沫液的量迅速降低，在1.2～5.0 L/(min·m)之間的壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度范圍內(nèi)，該油池滅火所需泡沫液數(shù)量基本相同，差別很小，約480～500 L；但當(dāng)壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度提高至6.2 L/(min·m)后，泡沫液消耗量降低了約30%。這是因?yàn)楫?dāng)壓縮泡沫噴射流量較大時(shí)，壓縮氣體泡沫經(jīng)過火焰時(shí)泡沫來不及破裂即被新泡沫補(bǔ)充，即在著火液面上的泡沫供給速率遠(yuǎn)大于泡沫的消耗速率，未被油火高溫蒸發(fā)的泡沫可有效快速地覆蓋油面，形成穩(wěn)定的泡沫層，短時(shí)間控住火勢(shì)。

d) 通過表2可以看出，撲滅直徑21 m模擬油罐火時(shí)，當(dāng)壓縮氣體泡沫的泡沫供給強(qiáng)度4.6 L/(min·m)時(shí)，滅火時(shí)間為75 s；通過表1可以看出，撲滅直徑11 m模擬油罐火時(shí)，當(dāng)壓縮氣體泡沫強(qiáng)度為4.6 L/(min·m)時(shí)，滅火時(shí)間約為70～80 s。相同壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度的情況下，滅火時(shí)間基本相同。

e) 從直徑11 m和直徑21 m油池的滅火情況看，直徑11 m油池的最低壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度約1.2 L/(min·m)，直徑21 m油池的最低壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度高于3.8 L/(min·m)。美國(guó)NFPA11—2010《Standard for low, medium, and high-expansion foam》指出了油品儲(chǔ)罐應(yīng)用固定式壓縮氣體泡沫滅火系統(tǒng)的最低泡沫液供給強(qiáng)度是1.63 L/(min·m)，國(guó)內(nèi)沒有對(duì)壓縮氣體泡沫滅火系統(tǒng)應(yīng)用于油品儲(chǔ)罐的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，通過以上的滅火試驗(yàn)可以看出，隨著油池直徑增大，最低壓縮氣體泡沫供給強(qiáng)度應(yīng)增大。對(duì)于更大直徑的儲(chǔ)罐滅火所需最低壓縮氣體供給強(qiáng)度需要通過更多實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算進(jìn)行確定，方可寫入標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。

f) 壓縮氣體泡沫系統(tǒng)雖然撲滅油品火的效果很好，但未在國(guó)內(nèi)外的石化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，主要原因是受限于壓縮氣體的用氣量，如何保證足夠的用氣量是解決這個(gè)問題的關(guān)鍵。

g) 建議國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)一步開展大尺度多種油品的實(shí)體火試驗(yàn)驗(yàn)證和充足理論模擬計(jì)算數(shù)據(jù)研究，為壓縮氣體泡沫滅火技術(shù)在油罐消防的應(yīng)用提供技術(shù)支持。