储罐液下泡沫喷射系统的应用研究

郎需庆，吴京峰，谈龙妹，尚祖政

(中国石化安全工程研究院，山东青岛 266071)

储罐液下泡沫喷射系统的应用研究

郎需庆，吴京峰，谈龙妹，尚祖政

(中国石化安全工程研究院，山东青岛266071)

建立了压缩空气泡沫灭火试验装置和试验储罐，对储罐液下泡沫喷射灭火技术进行了试验研究，研究结果显示：发泡倍数和泡沫液流量对灭火效果影响明显，而储罐泡沫的注入位置对灭火效果影响较小；液下喷射的发泡倍数宜控制在5～7之间，发泡倍数超过8后，泡沫层含油量超过40%，无法控火；泡沫混合液供给强度宜取5.0 L/(min·m2)，供给强度加倍后，无法控火；在适宜的试验条件下，控火时间在40～45 s。

压缩空气泡沫灭火系统 油罐 液下喷射 灭火

拱顶储罐发生罐内气相空间爆炸会造成罐顶掀开或罐壁顶部扭曲，这往往会破坏罐壁顶部泡沫发生器和泡沫管线，造成泡沫无法喷入罐内灭火，导致储罐火灾失控或延误最佳灭火时机。为此，20世纪70-80年代液下泡沫灭火技术开始在石化行业探索应用，1982年我国在5 000 m3储罐上对液下泡沫灭火系统进行了灭火试验并取得了良好的灭火效果。自此，液下泡沫灭火技术相继在多家石化企业的拱顶储罐上推广应用。

1 液下泡沫灭火技术概述

该灭火系统组成简单，主要由罐内泡沫喷射口、单向阀、爆破片、高背压泡沫发生器及阀门等组成，其中高背压泡沫产生器是核心器件。该系统的优点是：①泡沫液损失量少，泡沫液从罐底穿越油层达到着火油面实施灭火，无需穿越火焰进入油面，这大大减少了热辐射、热气流对泡沫的破坏作用，有效提高了泡沫液的利用率；②泡沫系统基本不会受到罐内爆炸的破坏，在大多数情况下均可正常发挥灭火作用；③泡沫液从罐底穿越油层可将罐底的低温油带至顶部的着火油面，通过持续搅动油层起到油面降温的作用，在一定程度上减弱了油面油气挥发，抑制了燃烧。

当前液下泡沫喷射灭火系统都是采用负压式泡沫灭火系统，即泡沫液从罐底输入罐内前，通过高背压泡沫发生器从外界吸入适量空气进行发泡。这种泡沫往往发泡不均匀，气泡尺寸大小不一，稳定性不高，在泡沫穿越油层时，往往造成泡沫破裂，影响灭火效果。提高泡沫发泡性能是提高液下泡沫灭火系统灭火能力的关键。

压缩空气泡沫灭火技术凭借其泡沫发泡均匀、细腻、稳定、质轻等优势已经在我国消防领域大量应用，大量压缩空气泡沫扑灭B类火灾的研究也已证明其对油料火灾具有良好的抑制作用，如林霖等利用压缩空气泡沫进行了熄灭油池火研究，指出改善气液混合器结构、增加喷射压力可提高灭火效果[1]；包志明等利用压缩空气泡沫系统对储罐的液上喷射进行了可行性研究，指出固定管网式压缩空气灭火系统具有技术可行性，且泡沫灭火剂储备量可低于现有吸气式泡沫系统[2]；其利用压缩空气泡沫系统还对蛋白泡沫的抑制油料火进行了研究，指出蛋白泡沫采用压缩空气泡沫灭火系统后具有优异的灭火性能，具备灭火能力[3]；其还对压缩空气泡沫抑制水溶性液体火的有效性进行了研究，指出泡沫的稳定性是保证灭火的关键[4]；雷蕾等介绍了FireFlex公司针对压缩空气泡沫固定管网灭火系统的研究情况，指出压缩空气泡沫灭火系统可以固定管网的方式进行灭火[5]；郑翠玲介绍了俄罗斯压缩空气泡沫的输出装置的研究进展，指出泡沫灭火剂的升级是提高该系统性能的关键之一[6]；包志明等利用压缩空气蛋白泡沫进行了液下泡沫喷射试验研究，指出蛋白泡沫的发泡倍数宜介于3～8之间[7]。

为了深入研究压缩空气泡沫灭火技术在储罐液下泡沫喷射系统的应用，本研究采用压缩空气泡沫灭火装置进行储罐液下泡沫灭火试验研究。

2 冷喷与灭火试验

2.1 试验装置

2.1.1压缩空气泡沫灭火试验装置

该压缩空气泡沫灭火试验装置由100 L泡沫混合液储罐、气液混合器、空压机、气体缓冲罐、气体流量计及控制阀门等组成，如图1所示。空压机排气量400 L/min，最大出口压力是1.2 MPa。为保证试验系统的平稳供气，配置了容积100 L的气体缓冲罐分别向泡沫混合液储罐和气液混合器内供气。

图1 压缩空气泡沫灭火装置组成示意

2.1.2试验储罐

建立直径1 500 mm、油层最大厚度1 200 mm的碳钢储罐。储罐底部和侧面分别设注液口，如图2所示。为了适量减少试验的耗油量，储罐底部设为锥形。

图2 试验储罐1-罐体; 2-上部注入口; 3-中部注入口; 4-底部注入口;5-泡沫输送管

2.2 试验条件

参照GB50151-2010《泡沫灭火系统设计规范》，泡沫混合液流量范围8.5～11.0 L/min(泡沫供给强度是5.0～6.4 L/(min·m2)，泡沫供给压力0.35～0.4 MPa，泡沫发泡倍数4.9～11.4。每次试验的油层厚度均控制在1 000～1 200 mm。在进行灭火测试时，油面预燃60 s后进行泡沫喷射灭火测试。

3 试验结果分析

通过泡沫液下喷射测试分别考察泡沫混合液流量、发泡倍数及泡沫液注入位置对灭火效果的影响。

3.1 发泡倍数的影响

在8.5～8.7 L/min的泡沫混合液流量条件下，从储罐底部注入泡沫液，调节气液混合器的进气量，使得泡沫的发泡倍数分别是4.9、7.5和11.4。结果显示着火油面控火时间约40～45 s，但均未灭火。

需要指出的是，在发泡倍数为4.9时，从罐底部注入泡沫1 min后，泡沫覆盖整个油面，油面上无火焰出现，仅浮盘边缘的局部位置有火焰出现，且一直持续至泡沫喷射结束。主要原因是罐壁温度高，泡沫层无法封闭罐壁处的油面，导致该处油面持续挥发油气，形成持续燃烧。在实际储罐灭火过程中，储罐罐壁都设冷却喷淋，这样会大大降低罐壁温度，有助于泡沫层封闭罐壁处的油面，从而实现灭火。

而在发泡倍数为7.5和11.4的试验中，注入泡沫后，油面逐步被泡沫层覆盖，火焰减弱，但3～4 min后，油面火势越来越大，直至整个泡沫层表面都在燃烧，泡沫层完全失去了隔离油面的作用。对此，在同样试验条件下进行了冷喷测试，对不同发泡倍数的泡沫层含油率进行了检测。检测结果显示，发泡倍数低于5.5时，泡沫层含油率约17%；而发泡倍数高于8后，泡沫层含油率超过40%。可见，发泡倍数升高，泡沫层的含油率将明显增加。因此，在灭火试验中，高发泡倍数条件下，泡沫液从罐底穿过油层时，泡沫表面黏附了大量油膜，即使泡沫层覆盖了油面，但泡沫上黏附的油膜足以维持持续燃烧，如图3所示。

图3 泡沫层覆盖后的持续燃烧

在泡沫注入的初始阶段，油层温度较低，加上泡沫层的快速覆盖，着火油面在短时间内大大减少，实现了一定程度的控火，在这个过程中，油面温度逐步升高，油气挥发加快，后续注入的泡沫层携带油膜浮到表面，加剧燃烧，造成火势增大的现象。需要注意的是，泡沫层被持续烧灼后，水分大量析出，仅剩下泡沫骨架，气泡之间出现较大的缝隙，使得油气容易从气泡间隙穿出泡沫层。

3.2 泡沫混合液流量的影响

分别采用8.5，16.7，23.7 L/min的泡沫混合液流量从罐底注入油层进行灭火测试，其泡沫供给强度分别是5.0，9.6，13.7 L/(min·m2)，发泡倍数控制在4.9～5.9之间，这3组试验的控火时间分别是47s，11s和不能控火。在泡沫混合液流量为16.7 L/min时，控火时间最短，即泡沫层快速覆盖油面，但整个罐壁边缘都在持续燃烧，且罐中心的泡沫层表面上也时常有火焰跳动；而流量提高至23.7 L/min后，泡沫层无法控火，从试验现象看，泡沫流量增大后，泡沫层对油层的冲击力急剧增加，整个油面剧烈波动，如图4所示，油面上无法形成完整的泡沫层，裸露的油面即挥发油气发生持续燃烧。

图4 泡沫层对油面的冲击

在流量为8.5 L/min时，尽管其控火时间较流量为16.7 L/min时明显延长，但是其控火效果好，在控火后，罐壁边缘仅出现几处火焰，其他区域无火焰，罐壁边缘处的火焰主要因罐壁温度高造成的，假如罐壁进行冷却，则罐壁边缘处的火焰将会大大减弱或消失。由此可见，液下泡沫喷射与液上泡沫喷射的理念差别较大，对液上泡沫喷射而言，泡沫流量越大，灭火速度越快，而液下泡沫喷射需要以合适的流量喷射才能灭火，泡沫流量过大会造成油面波动剧烈，破坏已形成的泡沫层，无法灭火。从这个角度看，在应用过程中，储罐液下泡沫喷射口位于罐底部，储罐液位的高低会对灭火效果产生明显影响，尤其是在低液位时，油层较薄，泡沫喷射口距离油面较近，泡沫层对油面的冲击力较大，会增加灭火的难度。

3.3 泡沫注入位置对灭火的影响

泡沫混合液流量为8.5～8.8 L/min，发泡倍数控制在7.3～7.5之间，泡沫液分别从罐底和罐侧面中部注入泡沫液进行灭火测试。试验结果显示，其控火时间分别是45 s、54 s，均无法灭火。在从罐底注入泡沫的试验中，泡沫注入3 min后，火势增大，整个油面发生燃烧；在从罐侧面中间注入泡沫的试验中，泡沫注入4 min后，火势增大，整个油面发生燃烧。从本试验看，受试验规模所限，泡沫注入位置对灭火效果影响不甚明显，控火时间和控火能力相差无几。

4 结论

本研究利用压缩空气泡沫灭火试验装置在直径1 500 mm的试验储罐上对泡沫发泡倍数、泡沫液流量和储罐泡沫注入位置对储罐液下泡沫喷射灭火效果的影响分别进行了试验研究。

从试验结果看，发泡倍数和泡沫液流量对灭火效果影响明显，而储罐泡沫的注入位置对灭火效果影响较小。发泡倍数宜控制在5～7之间，而泡沫混合液供给强度取5.0 L/(min·m2)，满足GB50151-2010《泡沫灭火系统设计规范》要求即可，这与液上泡沫喷射系统一致。在罐壁未冷却的情况下，试验未能实现灭火，假如罐壁实施适度冷却，液下泡沫喷射灭火系统在合适的喷射条件下完全具备灭火能力。

提高发泡倍数将增加泡沫含油率，不利于灭火。泡沫混合液供给强度增加会加剧油面波动，破坏泡沫层，增加灭火难度。

受试验条件所限，本项目仅研究了储罐液下泡沫喷射系统的部分内容，建议在后续研究中，还应针对泡沫液类型、油层厚度、泡沫混合液供给强度、泡沫液在罐底的分配方式、输送压力等因素进行深入研究，并扩大试验规模，全面掌握压缩空气泡沫灭火技术在储罐液下喷射系统的应用参数，为工程应用提供技术指导。

[1] 林霖,张永丰,张宇,等.压缩空气泡沫熄灭油池火的有效性[J].燃烧科学与技术, 2008,14(2):176-179.

[2] 包志明,陈涛,傅学成,等.压缩空气泡沫系统用于油罐液上喷射的可行性研究[J].工业安全与环保,2013,39(4):25-29.

[3] 包志明,陈涛,傅学成,等.压缩空气蛋白泡沫抑制液体火的有效性研究[J].火灾科学,2012, 21(4):203-206.

[4] 包志明,陈涛,傅学成,等.压缩空气蛋白泡沫抑制水溶性液体火的有效性研究[J].中国安全生产科学技术,2013,9(3):9-12.

[5] 雷蕾,王龙,王明皓.压缩空气泡沫固定管网灭火系统[J].消防技术与产品信息,2007(6):53-55.

[6] 郑翠玲.压缩空气泡沫输出装置[J].消防技术与产品信息,2011(11):73-75.

[7] 包志明,陈涛,傅学成,等. 油罐液下喷射压缩空气氟蛋白泡沫的试验研究[J].安全与环境学报,2014,14(4):36-40.

ResearchofApplicationofSubsurfaceFoamInjectionforOilTanks

Lang Xuqing，Wu Jingfeng，Tan Longmei，Shang Zuzheng

(SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao, 266071)

The compressed air foam system and tank have been constructed for experiments of subsurface foam injection. The results showed that the foam expansion ratio and foam application rate played an important role in fire extinguishment while the foam injection position did not. The preferred foam expansion ratio was among 5～7 and if it was over 8, the oil content in foam layer would exceed 40% which could lead to failure of fire control. The appropriate foam rate was 5.0 L/(min·m2) and it would fail to control fire if it was doubled or more. The time to control fire was about 40～45 seconds under preferred conditions.

compressed air foam system；oil tank；subsurface injection；extinguishment

2016-01-11

郎需庆，高级工程师，注册安全工程师，现就职于中国石化安全工程研究院，从事石油化工消防与工业安全技术研究。