高倍泡沫性能组合调节研究*

杨 洁，李玉星，韩 辉

(中国石油大学(华东) 山东省油气储运安全省级重点实验室，山东 青岛 266580)

0 引言

2018年《BP世界能源统计评论》指出[1]，到2040年，天然气(NG)和电力将占到全部供给源的三分之二。液化工艺具有储存能量大、常压储运的优点，可实现NG的全球可获得性。预计到21世纪20年代初，液化天然气(LNG)总量将占据NG运输总量的一半以上。但LNG一旦泄漏将释放自身体积600倍NG，故安全问题需特别注意。

研究证实高倍泡沫能有效抑制LNG蒸气危害[2-4]。GB 50151-2010[5]及NFPA-2016[6]标准规定了高倍泡沫应用时所需的发泡倍数、覆盖率、覆盖高度等工艺参数，但在抑制LNG蒸气扩散方面，标准建议通过实验确定具体参数。泡沫性能定会影响高倍泡沫的控害效果[8-10]，但少见发泡倍数、稳定性和覆盖率的关联性及对控害效果的影响程度与规律的研究。

本文首先分析泡沫抑制LNG蒸气危害机理，探究泡沫发泡倍数、稳定性、覆盖率3性能间组合调节的必要性，据3性能两两间关系曲线分析3者间关联性，最后讨论操作参数、集泡装置与阶段对3性能的影响程度与规律，为泡沫性能组合调节提供理论数据支持与实现方法，利于研究泡沫性能对LNG蒸气控害效果的影响。

1 泡沫性能整合调节的必要性

高倍泡沫覆盖在LNG液池上，产生的阻热效应可降低由强制对流、热辐射传递给LNG液池的70%的热量，降低LNG蒸发率[11-13]。蒸气通过泡沫层时，泡沫中约有92%的热量用于加热蒸气[7]，从而降低蒸气密度，减小蒸气在地面的聚集，此为加热蒸气效应。但当泡沫与LNG液池接触时，两者之间的热交换导致LNG蒸发加速，此为加速蒸发效应。Zhang等[7]利用风洞测量得到初期此效应传给LNG液池的热通量(156 W/m2)为泡沫作用下强制对流降低量的62%，故降低该效应可进一步提高控害效果。阻热和加速蒸发效应均会影响LNG蒸发率，两者的综合效应被称为覆盖效应。高倍泡沫抑制LNG蒸气危害简化机理模型如图1所示，图中椭圆、方形、菱形框分别表示框内效应对抑制危害效应有促进、减弱、未知作用。

图1 高倍泡沫抑制LNG蒸气危害机理模型Fig.1 Model of the interaction between HEX and LNG spillage pool

泡沫中水的存在诱发产生了加速蒸发和加热蒸气效应[7]，而水的分布和含量与泡沫性能有关：泡沫发泡倍数增大，含水量减小；泡沫稳定性降低，水易外排。加速蒸发效应为水与液池热交换诱发，加热蒸气效应为水与蒸气热交换诱发。因此，前期施加发泡倍数大、稳定性高的泡沫；后期施加发泡倍数小、稳定性高的泡沫。迅速建立泡沫覆盖层需覆盖率越大越好。

工业泡沫发生器不适于实验室研究，需自制发生器。操作参数、集泡时间与装置均会对泡沫性能产生影响[14]。以往研究通过720个参数，分别以3性能为点分析操作参数、集泡装置与阶段对其影响[15-16]。本文将对此进行总结，研究3性能间关联性、对性能影响的异同，为性能组合调节提供指导与方法。

2 实验装置与方案

2.1 实验装置

自制安全易操作、准确性高的实验用泡沫发生器[15-16]。采用3个集泡装置，第1个为635 L立方容器(840 mm × 840 mm × 900 mm)，第2个与第3个相同，为20 L圆筒(φ320 mm × 300 mm)。

2.2 实验方案

采用田口方法(见表1)，因素依次标记为：溶液压力A、进风量B、泡沫原液种类C、喷嘴与发泡网距离D、发泡网层数与网目大小E、喷嘴种类F，水平值如表2所示。因素E水平标记中第1，2个数字分别代表发泡网数和单层网目数大(L)小(S)，水平1网总目数小于水平2。先将泡沫接至第2个集泡装置中，集满后导入第1个装置，泡沫高600 mm时转入第3个，接满后转到第1个，达700 mm高后停加。记录泡沫上升与下降时高度与对应时间，拟合函数得半高时间(泡沫高度从初始下降到一半所用时间)、泡沫高度的平均增长率来分别表征稳定性、覆盖率[15]。记录收集前后集泡装置质量差被泡沫体积除得发泡倍数。实验误差如表3所示。根据集泡装置编号命名泡沫，如第一个装置中的泡沫命名为No.1泡沫，以此类推。No.2与No.3 泡沫收集在相同容器(20 L圆筒)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种泡沫性能对比可反映集泡装置与阶段对泡沫性能的影响规律，研究方案如图2所示。

表1 泡沫性能研究实验方案与条件汇总Table 1 Experiment design and conditions to research foam properties

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

图2 泡沫性能整合研究方案汇总Fig.2 Sketch of the foam properties research

表3 实验误差对照Table 3 Experimentaluncertianties

3 讨论与分析

3.1 发泡倍数、稳定性、覆盖率关系曲线分析

3性能两两间关系散点如图3所示，图中发泡倍数与稳定性、覆盖率的关系散点图分别用实心与空心圈表示。由No.1泡沫发泡倍数与稳定性间关系可得：发泡倍数增大时，泡沫稳定性降低，但两者相关性较小。由No.2，No.3泡沫发泡倍数与稳定性间关系也能反映上述规律。但由于No.1泡沫与另2种泡沫集泡装置不同，No.1泡沫发泡倍数、稳定性范围远大于另外2种。根据3泡沫发泡倍数与覆盖率之间的关系可知，发泡倍数与覆盖率间近似成正比例，但关系曲线斜率不大，即发泡倍数增大较大时，覆盖率提高较少。用三次、指数、双指数函数拟合二者之间关系，发现表示拟合曲线与原始数据重合性的数值最高只能达到70%，即两性能之间的相关性不是很大。

据发泡倍数、半高时间、泡沫高度的平均增长速率与溶液粒径之间的关系图可知[16]：溶液粒径增大，发泡倍数减小，泡沫高度的平均增长率减小，与半高时间关系不大。由此也可看出发，泡倍数与覆盖率之间存在一定的相关性，但与稳定性之间的相关性不大。

3.2 操作参数、集泡装置与阶段对泡沫性能的影响分析

3.2.1 影响程度综合分析

发泡倍数、稳定性、覆盖率依次编号为1#，2#，3#。操作参数、集泡装置与阶段对3性能影响程度排序如表4所示。

图3 泡沫发泡倍数、半高时间、高度的平均增长率关系Fig.3 Interrelationship between foam, expansion ratio, stability and submergence rate

对大截面集泡装置长时间接收的泡沫(No.1泡沫)来说，操作参数中对3性能影响最大的均为溶液压力，影响最小的均为喷嘴种类与风量，操作参数对发泡倍数与覆盖率的影响程度排序完全一致。发泡网种类、发泡网与喷嘴距离对这2个性能影响程度排序相同均分别位于第2，3位，而对稳定性的则分别为第3,4位；溶液种类对稳定性影响较大位于第2位，对另2个性能影响较弱位于第4位。

表4 发生器自身6大因素对泡沫3性能影响排序Table 4 Influence ranking of operating parameters on foam expansion ratio, stability and submergence rate

对小截面集泡装置前期接收的泡沫(No.2泡沫)来说，溶液压力仍为对3个性能影响最大的操作参数，风量影响最弱。没有一个操作参数对1#(发泡倍数)与3#(覆盖率)性能影响程度排序相同。溶液种类对2#(稳定性)与3#(覆盖率)性能影响程度相同位于第4位，对1#性能(覆盖率)影响位于第3位；发泡网与喷嘴距离、喷嘴种类对1#与2#性能影响程度排序一致，均分别为第2，5位，而对3#(覆盖率)性能的影响排序则颠倒。发泡网种类对3#，2#，1#性能的影响排序从第2位依次降至第4位。

对小截面集泡装置后期接收的泡沫(No.3泡沫)来说，对3个性能影响最大的操作参数仍为溶液压力，但影响最小的操作参数并不固定。除此只有发泡网种类对1#(发泡倍数)与3#(覆盖率)性能影响程度排序相同，均位于第2位，但对2#(稳定性)性能影响最小；发泡网与喷嘴距离对1#，2#性能影响程度排序相同均位于第4位，对覆盖率(3#)的影响位于第5位；溶液种类、风量对1#，2#性能影响程度排序接近，分别位于中等偏前以及中等偏后，而对3#(覆盖率)性能的影响排序则颠倒；喷嘴种类对2#，3#，1#性能的影响分别位于第3，4，5位。

衡量泡沫稳定性、覆盖率的参数分别是半高时间、泡沫高度的平均增长速率。发泡倍数是待测泡沫体积除以待测泡沫质量，半高时间是待测泡沫高度下降达到初始高度一半的时间，泡沫高度的平均增长速率是待测泡沫高度除以所用时间。对每种泡沫的16个实验来说，No.1泡沫待测泡沫高度均为700 mm，容器截面积不变；No.2与No.3这2种泡沫待测泡沫高度均为300 mm，容器截面积不变。即3种泡沫计算发泡倍数时，每种泡沫16个实验所用泡沫体积相同。则发泡倍数为待测泡沫质量的倒数乘以固定数值，半高时间为泡沫下降到固定数值高度所用时间，泡沫高度的平均增长速率为待测泡沫高度达到相同预定值所用时间的倒数。

由此可知，忽略液膜厚度变化以及未发泡液体的外喷，发泡倍数与泡沫大小、泡沫稳定性有关：泡沫越大，稳定性越高，发泡倍数也就越大，但更多受泡沫大小的影响；泡沫高度的平均增长速率则与发泡倍数、发泡速度有关。对No.1泡沫来说，操作参数对发泡倍数与覆盖率的影响程度排序相同，对No.2，No.3泡沫来说，操作参数对发泡倍数与覆盖率的影响存在差别，可能因操作参数对No.2，No.3泡沫的发泡速度影响不同所致。发泡网种类对No.2泡沫发泡倍数、稳定性、覆盖率的影响分别位于第4，3，2位，应是发泡网种类对泡沫大小的影响与对稳定性的影响相反或者微弱导致对起泡速度影响较大。

3.2.2 影响规律综合分析

据操作参数、集泡装置与阶段对泡沫发泡倍数、稳定性、覆盖率的影响规律分析可知，操作参数对泡沫发泡倍数、稳定性、覆盖率的影响规律有3类，编号1代表性能指标值随因素值增大而减小；编号2代表性能指标值随因素值增大而增大；编号(3，C)代表以因素值C为界，C前性能指标值随因素值增大而增大，C后随因素值增大而减小，具体影响规律见表5。

表5 发生器自身因素对3性能影响规律汇总Table 5 Influence regularity of the operating parameters on the three foam properties

1)对大截面集泡装置长时间接收的泡沫(No.1泡沫)来说：①只有风量和发泡网与喷嘴距离对泡沫发泡倍数、稳定性、覆盖率影响规律相同，3性能均随风量增大而减小，随发泡网与喷嘴距离增大而增大。②除喷嘴种类外，其他操作参数对发泡倍数、稳定性的影响规律相同。大流量喷嘴可提高泡沫的覆盖率、稳定性，却会降低泡沫的发泡倍数，应是由于大流量喷嘴大大提高了发泡率与泡沫稳定性，却减小了泡沫尺寸。根据3.2.1分析可知，喷嘴种类对泡沫发泡倍数、稳定性、覆盖率的影响程度不大。③虽然溶液压力增大提高了发泡倍数与泡沫覆盖率，但是当溶液压力超过0.06 MPa后，溶液压力再增大会使泡沫的稳定性降低。即0.06 MPa 以后，泡沫发泡倍数的增大应该是由于泡沫尺寸增大所致。

2)对小截面集泡装置前期接收的泡沫(No.2泡沫)来说：①操作参数中只有发泡网种类对3个性能影响规律相同。除此之外，只有溶液种类对发泡倍数、覆盖率影响规律相同：3%G比6%G泡沫原液下生成的泡沫具有更高的发泡倍数与覆盖率，但是泡沫稳定性更低。②风量、喷嘴种类对稳定性、覆盖率的影响规律相同，风量增大泡沫稳定性、覆盖率降低，但是发泡倍数提高，即泡沫体积虽增大，起泡速度却降低了；大流量喷嘴利于获得高稳定性、高覆盖率的泡沫，但却降低发泡倍数。③溶液压力增大可以增大发泡倍数和覆盖率，但是却降低了泡沫稳定性，但当溶液压力大于0.1MPa时，溶液压力增大覆盖率降低。

3)对小截面集泡装置后期接收的泡沫(No.3泡沫)来说：①只有风量、发泡网与喷嘴距离对泡沫发泡倍数、稳定性、覆盖率影响规律一致。②除了喷嘴种类其他因素对泡沫发泡倍数、覆盖率影响规律相同，而且这些因素对发泡倍数、覆盖率的影响规律与对稳定性的影响规律相反。③大流量喷嘴可提高稳定性与覆盖率，但是却降低发泡倍数。总体来说，多数情况下，除了风量、溶液种类，其他因素取值增大，泡沫发泡倍数、稳定性、覆盖率均随之增大。此外，多数情况下，小截面集泡装置后期接收的泡沫(No.3)与大截面集泡装置长时间接收的泡沫(No.1)发泡倍数、稳定性、覆盖率表现出相同的规律。

4 结论

1)发泡倍数与覆盖率之间近似成正比例关系，用三次、指数、双指数函数进行拟合所得曲线与原始数据重合度最高只能达到70%，两性能间相关性不是很大；发泡倍数增大较大时，覆盖率只是提高少许。发泡倍数与稳定性之间的相关性较小。

2)操作参数中，溶液压力对发泡倍数、稳定性、覆盖率的影响始终最大。对小截面集泡装置前期接收的泡沫来说，溶液压力过高，覆盖率下降；溶液压力较低时，对大截面集泡装置长时间接收的泡沫来说，提高溶液压力可提高稳定性，但呈现此规律的溶液压力变化范围很小。其他情况下溶液压力越大，越能非常明显地提高发泡倍数、覆盖率，但降低稳定性。

3)风量对发泡倍数、稳定性、覆盖率的影响微弱，影响程度基本位于后两位。

4)调节泡沫性能时，除了溶液压力的影响，还需注意溶液种类对小截面集泡装置中泡沫稳定性的影响、发泡网种类对各种工况下泡沫稳定性的影响、发泡网与喷嘴距离对小截面集泡装置前期接收泡沫的发泡倍数与稳定性的影响。