郎需慶,牟小冬,張廣文,尚祖政
(1.化學(xué)品安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104)
石化企業(yè)發(fā)生較大規(guī)模火災(zāi)后,由于生產(chǎn)裝置內(nèi)存在大量易燃易爆危化品物料,火災(zāi)蔓延快,易導(dǎo)致事故升級(jí),因此事故現(xiàn)場(chǎng)一般會(huì)部署多輛消防車(chē)聯(lián)合處置,尤其是在處置罐區(qū)火災(zāi)事故時(shí),往往數(shù)十輛消防車(chē)齊聚事故現(xiàn)場(chǎng),滅火時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)。因車(chē)載泡沫液有限,需要由泡沫液供給車(chē)、其它泡沫消防車(chē)接力向滅火一線的泡沫消防車(chē)輸送泡沫液,以維持持續(xù)噴射。
由于石化裝置區(qū)、罐區(qū)的消防作業(yè)空間有限,消防車(chē)的占位布置會(huì)受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施、消防道路等條件限制,造成其它消防車(chē)向前方泡沫消防車(chē)供給困難,且容易造成消防道路堵塞,消防車(chē)調(diào)配不通暢,尤其在滅火過(guò)程發(fā)生流淌火、儲(chǔ)罐沸溢等突發(fā)情況時(shí),前方的消防車(chē)難以及時(shí)撤出,具有較高的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。在消防領(lǐng)域的氣體泡沫輸送研究方面,液氮泡沫技術(shù)尚屬首次,國(guó)內(nèi)研究主要集中在壓縮空氣泡沫的縱向輸送方面,輸送距離一般在400 m以?xún)?nèi),如超高層建筑縱向輸送壓縮空氣泡沫技術(shù)研究[1-3]證明了壓縮空氣泡沫在長(zhǎng)距離輸送方面具有明顯優(yōu)勢(shì);壓縮空氣泡沫在管線內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)及輸送阻力研究[4-6]指出壓縮空氣泡沫質(zhì)量輕,便于管線輸送滅火;壓縮空氣泡沫的滅火效果及泡沫穩(wěn)定性研究[7-8]提出了實(shí)現(xiàn)壓縮空氣泡沫高穩(wěn)定性的必要條件;壓縮空氣泡沫的生成及釋放技術(shù)研究[9-10]指出了壓縮空氣泡沫在滅火方面的廣闊應(yīng)用前景??傊?在液氮泡沫、壓縮空氣泡沫的水平方向長(zhǎng)距離輸送方面尚無(wú)相關(guān)研究。
筆者團(tuán)隊(duì)前期研究了液氮原位氣化參與發(fā)泡的滅火技術(shù),開(kāi)發(fā)了液氮泡沫發(fā)泡裝置,液氮供氣的方式可大大減少氣源的體積,為實(shí)現(xiàn)大流量輸送液氮泡沫提供了技術(shù)條件[11-12]。針對(duì)石化火災(zāi)事故處置中遠(yuǎn)程泡沫供給問(wèn)題,本文提出了液氮泡沫遠(yuǎn)程供給技術(shù)路線,通過(guò)消防水帶遠(yuǎn)程向滅火一線輸送液氮泡沫,著重研究液氮泡沫的遠(yuǎn)程輸送關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。
本實(shí)驗(yàn)采用混合比例為3%水成膜泡沫。在低泡沫混合液流量條件下,采用自制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),包括撬裝式液氮泡沫裝置(自制)、泡沫混合液儲(chǔ)罐、液氮罐、電子秤、消防水帶及正壓消防炮(自制),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖1所示。為觀察液氮泡沫輸送過(guò)程的狀態(tài)變化,在消防水帶接頭處安裝了多個(gè)透明玻璃管,用于觀察泡沫輸送過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)。
圖1 液氮泡沫輸送實(shí)驗(yàn)裝置組成示意
在高泡沫混合液流量實(shí)驗(yàn)時(shí),采用液氮泡沫消防車(chē)(自主研制)進(jìn)行液氮泡沫的輸送測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)儀器的主要參數(shù)如下。
消防泵:揚(yáng)程100 m,流量10 L/s;電子秤:量程100 kg,精度1 g;液氮罐:180 L,含氣液相出口;泡沫混合液罐:4 m3,不銹鋼材質(zhì),常壓;消防水帶:耐壓等級(jí)1.6 MPa,長(zhǎng)度20 m;電子顯微鏡:HIROX RH-2000,放大倍率 35~2 500;塑料量杯:5 L,精度0.1 L。
進(jìn)行低泡沫混合液流量實(shí)驗(yàn)時(shí),啟動(dòng)消防泵,向撬裝式液氮泡沫裝置內(nèi)注入泡沫混合液,同時(shí)開(kāi)啟液氮罐,按一定流量比例向撬裝式液氮泡沫裝置內(nèi)注入適量液氮,撬裝式液氮泡沫裝置出口連接消防水帶。將液氮罐置于電子秤上,用于準(zhǔn)確控制液氮注入流量,調(diào)節(jié)液氮泡沫的氣液比。
進(jìn)行高泡沫混合液流量實(shí)驗(yàn)時(shí),啟動(dòng)液氮泡沫消防車(chē),調(diào)節(jié)消防車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)置氣液比,調(diào)節(jié)泡沫混合液注入流量,消防車(chē)出口連接消防水帶與泡沫炮噴射測(cè)試。待液氮泡沫從消防炮噴出后提取泡沫樣品測(cè)量發(fā)泡倍數(shù)。
分別測(cè)試液氮泡沫在不同輸送距離、不同輸送壓力下的泡沫狀態(tài)。檢測(cè)液氮泡沫的發(fā)泡倍數(shù)和析液時(shí)間,評(píng)價(jià)泡沫性能。
在輸送液氮泡沫時(shí),即使泡沫輸送時(shí)間遠(yuǎn)超泡沫的25%析液時(shí)間,消防管線上不同距離處設(shè)置的透明玻璃管處均未見(jiàn)液體沉積現(xiàn)象。經(jīng)測(cè)試,末端噴出的泡沫發(fā)泡倍數(shù)在7~9,25%析液時(shí)間在3~4 min,泡沫性能良好。
液氮泡沫流體是由無(wú)數(shù)個(gè)微小氣泡組成的泡沫簇,液氮泡沫的氣泡平均直徑在100 μm左右,如圖2所示,較吸氣式泡沫的氣泡直徑減小60%~70%,各個(gè)液氮泡沫氣泡直徑相對(duì)均勻,因此,多個(gè)直徑相近的氣泡聚焦形成液氮泡沫層。每個(gè)氣泡內(nèi)集聚了一定壓力的氮?dú)?泡沫的氣泡壁是一層薄薄的液膜,液膜是氣泡與氣泡之間的分界面,液膜也是相鄰多個(gè)氣泡共用的柔性界面。當(dāng)氣泡層的一處液膜破裂后,氣泡內(nèi)的氣體逸散出去,液膜下墜形成液滴或流至氣體氣泡處集聚,這會(huì)造成至少2個(gè)氣泡破碎;當(dāng)泡沫層內(nèi)部的某個(gè)氣泡破裂時(shí),可能會(huì)造成其周?chē)鄠€(gè)氣泡破裂,如圖3所示。由于液氮泡沫層的各個(gè)氣泡直徑相近,氣泡之間的受力相對(duì)均衡,即氣泡層穩(wěn)定性強(qiáng),25%析液時(shí)間較吸氣式泡沫提升2倍以上。
圖2 長(zhǎng)輸管線末端泡沫微觀狀態(tài)
圖3 析液后的液氮泡沫層
在液氮泡沫的氣泡形成初期,氣泡壁液膜厚度均勻,整個(gè)氣泡是一個(gè)相對(duì)規(guī)則的圓球體,氣泡在各個(gè)方向上受力均衡,氣泡處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著氣泡存在時(shí)間的延長(zhǎng),氣泡壁液膜內(nèi)的液體受重力作用開(kāi)始運(yùn)動(dòng),液膜上部的液體會(huì)逐步向液膜下部區(qū)域集聚,氣泡的液膜變的上輕下重,液膜減薄后,液膜的強(qiáng)度會(huì)降低[13]。同時(shí),該氣泡周?chē)钠渌鼩馀菀苍诎l(fā)生同樣的過(guò)程,因此,整個(gè)泡沫層的內(nèi)部受力平衡狀態(tài)會(huì)逐步被打破。
當(dāng)氣泡存在時(shí)間超過(guò)泡沫的25%析液時(shí)間后,部分氣泡液膜在減薄到一定程度后,減薄處液膜因強(qiáng)度降低而發(fā)生彎曲變形,造成液膜兩側(cè)受力不均勻,在氣泡內(nèi)外壓力差超過(guò)液膜的表面張力后,該氣泡隨即破裂,破裂的液膜沉積到底部匯集,該氣泡內(nèi)的氣體在相鄰的氣泡間流動(dòng)。該氣泡破裂后,氣泡之間的壓力差被破壞,氣泡間壓力波動(dòng)會(huì)擾動(dòng)鄰近的多個(gè)氣泡,加劇周?chē)鄠€(gè)氣泡失穩(wěn),引發(fā)多個(gè)氣泡破裂,此時(shí)在泡沫層內(nèi)將產(chǎn)生多個(gè)氣泡液滴及氣泡間流動(dòng)的離散氣體流,離散流動(dòng)的氣體會(huì)沖擊氣泡壁薄的液膜,加劇其它泡沫的破裂。
若泡沫層一直處于靜止?fàn)顟B(tài),那么泡沫層將逐漸破裂消失,直到最后一個(gè)氣泡破裂,氣泡內(nèi)的氣體將逸散到大氣中。但是,假若液氮泡沫處于封閉的空間內(nèi),且處于受擾動(dòng)的流動(dòng)狀態(tài),那么氣泡簇的穩(wěn)定性與靜置的泡沫層有所不同。
分析液氮泡沫在消防管線內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài),液氮泡沫從泡沫發(fā)生器內(nèi)噴出時(shí),消防管線內(nèi)壓力較高,液氮泡沫流體處于高壓狀態(tài)。由于泡沫流速較快,泡沫流體與管內(nèi)壁之間的邊界層以湍流為主,管線內(nèi)形成流動(dòng)阻力,管線內(nèi)的輸送壓力逐漸降低,泡沫流周?chē)膲毫?chǎng)由高壓區(qū)逐步向低壓區(qū)轉(zhuǎn)變,氣泡內(nèi)的壓力將逐漸降低,氣泡逐漸膨脹,在流動(dòng)中達(dá)到氣泡內(nèi)外壓力相等的亞平衡狀態(tài),這個(gè)狀態(tài)的泡沫受到外界干擾后容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,造成部分氣泡破裂。
液氮泡沫在輸送過(guò)程中受到消防管內(nèi)泡沫流之間的擠壓、消防管線接頭及流向變向的擾動(dòng)、泡沫流自身重力等因素作用,相對(duì)于靜置的泡沫,流動(dòng)的氣泡液膜會(huì)加速變薄,造成運(yùn)動(dòng)中的氣泡液膜壁厚度不均,氣泡內(nèi)的壓力受其它氣泡流的擠壓,一直處于波動(dòng)狀態(tài)。
當(dāng)氣泡受擠壓時(shí),氣泡內(nèi)壓力增大;當(dāng)氣泡處于自由流動(dòng)狀態(tài)時(shí),氣泡內(nèi)壓力降低,氣泡膨脹至內(nèi)外壓力平衡的狀態(tài)。氣泡內(nèi)的壓力差使得氣泡液膜減薄處受力增大,氣體會(huì)從液膜減薄處首先脫離氣泡析出,氣泡破裂,同時(shí)液膜變成液體,并受重力作用下沉聚焦。
由于液氮泡沫的泡沫層致密,析出的液體在氣泡間無(wú)序運(yùn)動(dòng),當(dāng)多股液體在流動(dòng)中匯集到一起時(shí),因氣液間的表面張力不同,液滴與液滴優(yōu)先匯集形成大液滴,大液滴在消防管線的接頭處或管線變向處受劇烈擾動(dòng)后大液滴分散為表面積較大的厚液膜,在該氣泡形成過(guò)程中,液膜中的表面活性劑在與氣體接觸過(guò)程中,氣體持續(xù)接觸液膜,由于氣泡間的動(dòng)態(tài)擠壓,氣泡間的壓力差處于波動(dòng)狀態(tài),液膜兩側(cè)瞬態(tài)壓力差成為生成氣泡的動(dòng)力,當(dāng)該壓力差超過(guò)液膜的表面張力后,即為發(fā)泡奠定了動(dòng)力基礎(chǔ);同時(shí),受管線邊界層循環(huán)擾動(dòng)影響,氣泡之間存在頻繁的位移和氣泡瞬態(tài)破裂,液膜周?chē)嬖跉馀萆傻奈锢韴?chǎng)所,周?chē)臍馀轂樾職馀萆商峁┝宋锢砜臻g。在該空間內(nèi),氣泡間的動(dòng)態(tài)擠壓以及流體方向的變化使得液膜與氣體重新混合,在瞬態(tài)壓力差的作用下,液膜形成氣泡,將離散的氣體包裹入液膜內(nèi)形成新的氣泡。
為闡述消防管線內(nèi)液氮泡沫循環(huán)生成的過(guò)程,本文提出液氮泡沫在流場(chǎng)中的發(fā)泡物理模型,稱(chēng)為P-S模型,即氣泡間的壓力差(Presure)為氣泡生成的動(dòng)力,氣泡間的物理空間(Space)為泡沫生成提供了場(chǎng)所。該模型包括封閉腔、離散氣體、液膜、多個(gè)相鄰氣泡及壓力差等要素。該模型表述了氣體與液膜的混合源動(dòng)力與物理空間的關(guān)系。
由于輸送管路是一個(gè)封閉的體積恒定的狹長(zhǎng)系統(tǒng),析出的泡沫混合液與管線內(nèi)氣泡脫出的氣體經(jīng)歷析液-發(fā)泡-再析液-再發(fā)泡的循環(huán)過(guò)程,因此,液氮泡沫可在管線內(nèi)長(zhǎng)距離輸送,即使部分泡沫發(fā)生了破裂析液,管線內(nèi)的氣體將再次參與發(fā)泡,形成新的泡沫。
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,液氮泡沫一直處于輸送和噴射狀態(tài)時(shí),玻璃管內(nèi)的泡沫層是致密的流體;當(dāng)泡沫停止流動(dòng)時(shí),玻璃管內(nèi)泡沫將很快破碎,直到泡沫層消失。該實(shí)驗(yàn)證明了泡沫在輸送過(guò)程中的反復(fù)發(fā)泡,液氮泡沫在管線內(nèi)的輸送有利于泡沫發(fā)泡。只要輸入端的動(dòng)力足夠,從理論上說(shuō),液氮泡沫可輸送無(wú)限遠(yuǎn)的距離。
為研究消防管線輸送阻力對(duì)液氮泡沫流量的影響,本文提出液氮泡沫輸送動(dòng)力強(qiáng)度的概念,即在輸送一定距離時(shí)單位流量的液氮泡沫所需的輸送壓力。液氮泡沫的輸送動(dòng)力強(qiáng)度體現(xiàn)了輸送過(guò)程克服管道阻力所需的能量。
如表1所示,當(dāng)液氮泡沫的輸送距離增加到5倍時(shí),為維持相同的泡沫混合液輸送流量、發(fā)泡倍數(shù)及噴射壓力,液氮泡沫的輸送動(dòng)力強(qiáng)度應(yīng)增加到1.8倍。輸送距離增加意味著輸送阻力增大。液氮泡沫是液氮與泡沫混合液混合發(fā)泡形成的流體,屬于壓縮空氣泡沫的一種類(lèi)型,泡沫流體可壓縮,但是在輸送過(guò)程中,管道每一點(diǎn)的壓力保持穩(wěn)定,泡沫保持穩(wěn)定的狀態(tài),體積、流速恒定,泡沫流體與管壁的摩擦力也保持恒定。從透明玻璃管的流動(dòng)狀態(tài)看,泡沫流體層流區(qū)邊界層完整,而湍流區(qū)是動(dòng)態(tài)變化的。
表1 相同流量下不同輸送距離的泡沫流量與壓力
如表2所示,對(duì)于同一臺(tái)消防泵,在消防管線末端出口壓力相同的條件下,液氮泡沫的輸送距離由100 m逐步提升到400 m,液氮泡沫的輸入壓力在逐步增加,而泡沫混合液輸送流量在降低,輸送動(dòng)力強(qiáng)度增幅在20%~100%,可見(jiàn),輸送距離增長(zhǎng)造成的阻力增大對(duì)流量影響明顯。
表2 液氮泡沫輸送距離對(duì)流量的影響
從表3看出,在相同液氮泡沫輸送流量下,隨著輸送距離的增長(zhǎng),輸入壓力在增長(zhǎng),增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)低于前400 m的輸送距離。相比于前400 m的輸送距離,500~1 000 m的輸送動(dòng)力強(qiáng)度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。在400~500 m區(qū)間內(nèi),消防管道阻力出現(xiàn)臺(tái)階式提升,液氮泡沫的輸送管道“長(zhǎng)管阻力效應(yīng)”凸顯,在該區(qū)間內(nèi)輸送液氮泡沫需要克服較大的管道阻力,輸送壓力要大幅提升,注入壓力的提升將會(huì)更大程度上壓縮管內(nèi)的泡沫流體,使得管道內(nèi)的泡沫流體密度更大。
表3 在相同輸送流量下輸送距離對(duì)輸送壓力的影響
可見(jiàn),對(duì)于DN80的消防水帶,輸送液氮泡沫的最佳距離在400 m范圍內(nèi),當(dāng)輸送距離超過(guò)400 m后,管道內(nèi)的阻力達(dá)到峰值,在相同的壓力下,輸送流量達(dá)到恒值,需要增大管道管徑才能提高輸送流量。
從表4看出,同一條消防水帶管路,輸送液氮泡沫的動(dòng)力強(qiáng)度是輸送液體的1.47~1.92倍。從實(shí)驗(yàn)5和實(shí)驗(yàn)7看出,輸送相同流量泡沫混合液時(shí),流通面積增大一倍,輸送壓力強(qiáng)度降低76%;從實(shí)驗(yàn)6和實(shí)驗(yàn)8看出,輸送相同流量的液氮泡沫時(shí),流通面積增大一倍,輸送壓力強(qiáng)度降低69%。從實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2對(duì)比來(lái)看,對(duì)于相同的流通管路,當(dāng)注入液氮后,泡沫混合液開(kāi)始發(fā)泡,管路內(nèi)的流體變成了處于壓縮狀態(tài)的氣體泡沫,盡管消防水帶管路內(nèi)體積沒(méi)有改變,但是流體內(nèi)的能量變大了,液氮進(jìn)入泡沫混合液后形成氣泡,每個(gè)氣泡內(nèi)含有一定壓力的氣體,這些氣泡向管壁施加的壓力增加,增大了輸送阻力,因此注入壓力增加,同時(shí),氣體的摻入使得泡沫混合液的流量降低。
表4 輸送泡沫與輸送泡沫混合液的區(qū)別
另外,隨著輸送距離延長(zhǎng),由輸送泡沫混合液改為輸送泡沫后,管道的壓力損失增加程度隨管道長(zhǎng)度增加而增加。也就是說(shuō),相同長(zhǎng)度的消防管道在改輸液氮泡沫后,管道的壓力損失將增大1.3~1.5倍,若消防管線噴射末端建立噴射壓力,則消防管道壓力損失將增大2倍以上。
考慮到國(guó)內(nèi)消防隊(duì)主要采用DN80和DN100的消防水帶,本研究采用液氮泡沫消防車(chē)分別對(duì)DN80和DN100的消防水帶在水平方向進(jìn)行了供液阻力測(cè)試,設(shè)長(zhǎng)度為60 m和100 m的輸送距離,測(cè)試結(jié)果如圖4所示。
圖4 輸送管徑對(duì)壓力損失的影響規(guī)律
從數(shù)據(jù)分析看,對(duì)于相同的輸送距離,管徑變大后,壓力損失降低。對(duì)于液氮泡沫而言,輸送管徑增大意味著液氮泡沫的膨脹空間增大,液氮泡沫內(nèi)的氣體壓力降低,泡沫邊界層對(duì)管壁的摩擦力降低,從而降低了壓力損失值。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示,管徑從DN80增加到DN100,流通面積增加1.56倍,壓力損失降低約50%,通過(guò)增加流通面積,可降低液氮泡沫初始端的輸送壓力,降低泡沫管線對(duì)泡沫泵的動(dòng)力要求,降低能耗,對(duì)柴油消防泵而言,這可降低柴油消耗量,延長(zhǎng)泡沫噴射時(shí)間,有助于泡沫滅火。由于液氮泡沫是已發(fā)泡的泡沫,泡沫層內(nèi)氣體存在膨脹的趨勢(shì),除了泡沫流體自身的前進(jìn)動(dòng)力外,氣泡內(nèi)的壓力也是動(dòng)力之一,氣泡內(nèi)的壓力會(huì)增加管線的摩擦力,從而增加了管線壓力損失,因此,對(duì)于液氮泡沫而言,優(yōu)選大管徑輸送管路,以提高泡沫射流的動(dòng)能。
對(duì)于相同的輸送管徑,輸送距離延長(zhǎng),管線壓力損失增大。對(duì)DN100的消防管線,壓力損失的增長(zhǎng)值0.05 MPa/100 m。對(duì)DN80的消防管線,壓力損失的增長(zhǎng)值0.08 MPa/100 m。從輸送距離的變化也顯示出大管徑的管線壓力損失值低。以輸送500 m為例,DN100的管線壓力損失約0.25 MPa,一般泡沫消防車(chē)的輸出壓力在0.8~1.0 MPa,則管線末端的輸出壓力在0.55~0.75 MPa,這樣的噴射壓力可滿(mǎn)足液氮泡沫在各種工況下的噴射需求,例如泡沫炮噴射壓力在0.6 MPa以上;若采用DN80消防管線,則末端的輸出壓力將在0.4~0.6 MPa,末端壓力偏低,無(wú)法滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離噴射,對(duì)于高層建筑滅火,也會(huì)影響泡沫的舉高噴射性能。
可見(jiàn),對(duì)于液氮泡沫輸送而言,為降低壓力損失,應(yīng)選用較大管徑的管線,并提高輸送壓力,以獲得液氮泡沫射流的最大動(dòng)能。在石化企業(yè)罐區(qū),優(yōu)先選擇采用固定式泡沫管線輸送泡沫,罐區(qū)泡沫管線管徑一般在DN200~DN300,完全滿(mǎn)足液氮泡沫的長(zhǎng)距離輸送[14]。對(duì)于高層建筑采用液氮泡沫滅火時(shí),在建筑內(nèi)預(yù)設(shè)固定式泡沫管線,管徑應(yīng)在DN100以上,以滿(mǎn)足高樓層的泡沫噴射壓力[15]。
a) 提出了消防管線內(nèi)液氮泡沫再生成的物理模型,即P-S模型,指出氣泡間瞬態(tài)壓力差及氣泡間的動(dòng)態(tài)空隙是液氮泡沫生成的必要條件。液氮泡沫在消防管線內(nèi)以一定的輸入壓力,可以完成長(zhǎng)距離輸送。
b) 提出了液氮泡沫輸送動(dòng)力強(qiáng)度概念,在相同的輸送距離及輸送流量下,液氮泡沫較泡沫混合液的輸送動(dòng)力強(qiáng)度提高1.5~1.9倍。對(duì)于DN80的消防管線在輸送距離超過(guò)400 m后出現(xiàn)“長(zhǎng)管效應(yīng)”,輸送動(dòng)力強(qiáng)度較前400 m提高2~3倍。
c) 液氮泡沫的遠(yuǎn)距離大流量輸送需要大管徑消防水帶及較高的輸送壓力。