压缩空气泡沫扑救大型油类火灾全尺寸实验研究*

何 坤,徐林志，陆兆勇，徐学军，邓锡中,廖克斌，韩 月，杨志立，程旭东

(1.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026；2.广东瑞霖特种设备制造有限公司，广东 肇庆 526108；3.广西消防救援总队，广西 南宁 530201； 4.南宁消防救援支队，广西 南宁 530028)

0 引言

近年来，我国石油储量不断增加，石油储罐趋于大型化和密集化，国内储罐最大单罐容量可达15万m3[1]。然而，石油储罐区一旦发生火灾，火势蔓延迅速，极易引发大面积火灾，而且灭火救援难度大，造成的经济损失重大。目前常用的灭火手段是使用负压式低倍泡沫灭火系统[2]，但是其泡沫喷射距离近，需要在火场近距离条件下使用。而且，由于火灾高温、爆炸等原因，部分泡沫释放装置存在被破坏的风险[2-3]。

压缩空气泡沫系统(Compressed Air Foam System，CAFS)是近年来逐步发展起来的新型泡沫产生系统，采用正压式主动送入气体的混合方式[4]，泡沫喷射距离明显提高，而且泡沫混合更加均匀，可以连接消防传统直流水枪、水炮等基于水系统的移动式喷射器具进行灭火[5-6]。前人针对压缩空气泡沫系统的灭火有效性与应用策略开展一系列研究工作。Kim等[7-9]较早地开展大量工程性B类火灭火实验，发现在总用水量以及抗复燃时间方面，压缩空气泡沫灭火系统优于水喷淋灭火系统以及传统负压式泡沫灭火系统。针对水溶性液体火灾，包志明等[10]开展压缩空气泡沫系统的油盘火实验，结果表明抗溶泡沫灭火剂在压缩空气泡沫系统中使用时具有优异的抑制水溶液性液体火的性能。陈涛等[11]通过实验研究压缩空气泡沫系统对汽油池火灭火效果。陆强等[12]通过小型油罐火灾灭火实验，验证压缩空气泡沫系统用于液上喷射技术的可行性和有效性。郎需庆等[13]通过全液面油池火灭火实验，分析压缩空气泡沫在油面的延展速度以及泡沫混合液的供给强度对灭火有效性的影响。Wang等[14]通过小尺度实验并结合理论法分析研究压缩气体泡沫抑制正庚烷油罐火蒸发与熄灭火焰机理。李世环[15]根据压缩空气泡沫的特点探讨压缩空气泡沫灭火系统在石油化工储罐消防安全中的应用问题。

由此可见，压缩空气泡沫在扑救油池火的有效性方面已经得到验证，但是前人开展的研究往往针对小尺度火灾，而且常常使用固定式喷射装置，灭火距离较近，目前对大尺度油池火灾的灭火效能尚不清楚。因此，本文从消防灭火作战的角度出发，开展225 m2和450 m2大尺度油池火灾灭火实验，考虑消防灭火作战人员的安全需求，探索采用正压式大流量压缩空气泡沫系统搭配移动式举高灭火机器人远距离灭火的可行性，确定灭火距离、泡沫液和水的消耗量等关键参数，以期提升大型油池火灾的扑救能力。

1 实验设计

1.1 实验装置

灭火实验使用1套大流量固定式压缩空气泡沫系统，结合2辆15 m举高消防机器人，系统最大混合液供给流量超过3 900 L/min。甲醇油池火灭火实验采用浓度为6%的抗溶水成膜泡沫液，重油油池火灭火实验使用浓度为3%的水成膜泡沫液。

重油油池长30 m，宽15 m，高1.2 m；甲醇油池长15 m，宽15 m，高1.2 m。如图1所示，机器人沿着重油油池长边布置，距离重油油池边缘的距离约为29 m，距离甲醇油池的距离分别约为35 m和39 m。为实时测量灭火过程中的油池上方和油温变化，在油池4个边角和中心位置处分别布置5个热电偶树，每个热电偶树布置2根直径为2 mm的K型铠装热电偶，2根热电偶距离油池底部的高度分别为2 cm和1 m，测温范围0～1 300 ℃。此外，为综合评估油池附近的安全，分别在距离重油油池边缘12，16，20，25 m处布置GTT-25-100水冷式辐射热流计(量程为0～100 kW/m2)，热流计距离地面1.5 m高，竖直面向火源。甲醇油池火灭火实验则布置3个热流计，热流计的水平位置距离油池为5，10，15 m。实验中，使用7018模块进行采集，采集时间间隔为1 s。另外，使用无人机携带高清DV对实验现象实时记录。实验中采用手持风速仪对环境风速进行测量，其中重油油池火实验时为北风，风速为1.9～3.3 m/s；甲醇实验时为东南风，风速为1.7～2.7 m/s。

图1 全尺寸油池火灾实验布置示意Fig.1 Schematic diagram for layout of full-scale oil pool fire experiments

1.2 实验方法与步骤

实验时在油池中添加足够的燃料，保证燃料的稳定燃烧时间远大于灭火时间。在225 m2的油池内添加甲醇10 t；450 m2油池内添加重油30 t，并在重油油池中添加1 t汽油作为引燃剂。为使燃料充分燃烧，甲醇点火后3 min后开始灭火；考虑到重油达到猛烈燃烧阶段需要较长时间，点火后油池充分燃烧10 min时开始喷射压缩空气泡沫灭火。实验主要采用湿泡沫进行灭火，系统设置的气液比为6∶1，点火前10 min开启数据测量系统记录数据。

2 实验结果

2.1 压缩空气泡沫扑救大型油池火灭火过程

泡沫扑救油类火灾主要基于窒息和冷却，当泡沫施加到燃料表面时，能形成泡沫覆盖层阻止氧气，并且阻断火焰与覆盖层下方燃料的直接接触，降低覆盖层下方的燃料蒸发速率[16]；而泡沫中的水分不仅可以起到冷却作用，汽化后的水蒸气也能起到稀释氧气的作用。大型油池火灾的高温火焰会对泡沫产生破坏，因此当泡沫的施加速率大于泡沫破坏速率，并逐渐形成稳定的泡沫层时，才能最终实现灭火。

大尺度油池火灭火过程相似，以重油油池火为例，现场典型时刻如图2所示。点火后由于重油表面有汽油作为引燃剂，火焰迅速蔓延，很快进入全液面燃烧阶段，如图2(b)所示。此时不同位置处油池底部上方1 m处温度在1 000 ℃左右，如图3(a)所示。在点火后8 min左右，温度不再继续升高，说明此时基本进入充分燃烧阶段，并且由于环境风的影响，火焰向3号和4号位置一侧倾斜，因此3号和4号位置的温度较高，最高温度达1 300 ℃，此时开启压缩空气泡沫系统调试系统气液比、混合比等参数。在点火后10 min时，调整2辆机器人携带的消防水炮角度，开始集中向油池1号位置处喷射压缩空气泡沫进行灭火。随着泡沫的逐渐施加，15 s时在1号位置附近形成局部稳定的泡沫层，如图2(c)所示，此时的1号和2号位置处的温度迅速下降。随着泡沫的进一步施加，泡沫覆盖层逐渐扩大，调整消防机器人携带的消防水炮角度沿着泡沫与火焰的交接处向燃烧区域逐步推进，油面的燃烧区域逐渐缩小，油池中心、3号和4号位置处的温度逐渐降低，最终在130 s时实现完全灭火。

图2 全尺寸重油灭火现场典型时刻Fig.2 Typical moments of full-scale heavy oil fire extinguishing scene

图3 不同位置油池底部上方1 m处温度变化曲线Fig.3 Temperature variation curves of different positions at 1 m above oil pool bottom

图3(b)为225 m2甲醇油池底部上方1 m处温度变化曲线，实验过程油池中心位置处的热电偶损坏，未记录到数据。点火后，温度逐渐趋于稳定，由于甲醇热值较低，最高温度达到900 ℃。在点燃3 min时，向4号位置附近喷射泡沫，4号位置的温度率先开始降低，随着泡沫的进一步施加，泡沫覆盖层逐渐扩大，2号、1号和3号位置处的温度依次逐渐降低，最终在231 s时实现完全灭火，油池上方的温度降为常温。

2.2 远距离灭火效能及泡沫液和水消耗量

正压式压缩空气泡沫系统使用专用的混合室混合，具有混合更加均匀、泡沫喷射距离远的特点[5-6]。然而需要注意，压缩空气泡沫喷射后压缩空气恢复常压，泡沫体积膨胀导致泡沫密度降低，与小型油池火不同，大型油池火灾火源上方存在强烈的浮力，高温的火焰也会加剧破坏泡沫，能否有效穿过火焰到达燃料表面需要进一步验证，尤其针对远距离灭火。

实验采用气液比例为6∶1的湿泡沫，冷喷实验(没有灭火)时，这种湿泡沫的最远射程超过60 m。在灭火实验时，由前文分析可知，2个机器人距离重油油池边缘29 m处时可以有效地把泡沫喷射到油池内，且灭火速度快、时间短；当机器人与油池边缘的距离分别增加到35 m和39 m时，虽然可以扑灭火灾，但是其灭火时间显著增加，导致225 m2甲醇油池灭火时间(231 s)比450 m2的重油油池灭火时间更长(130 s)。上述分析说明，高温火羽流破坏作用导致泡沫不能有完全有效喷射到油池内，致使灭火效能降低。针对气液比更大的压缩空气泡沫，其泡沫密度更小，有效灭火距离需要进一步开展实验验证。

考虑到远距离喷射灭火过程中泡沫不能完全进入油池，对于225 m2甲醇灭火实验，灭火阶段系统泡沫混合液的平均流量约为3 600 L/min，灭火用时231 s，在灭火阶段分别消耗6%抗溶水成膜泡沫液808 L和水12 962 L；对于450 m2的重油油池火，灭火阶段泡沫混合液的平均流量约为3 900 L/min，灭火用时130 s，在灭火阶段分别消耗3%水成膜泡沫液273 L和水8 233 L。不同阶段泡沫液与水的消耗量如表1所示。需要注意的是，在调试压缩空气泡沫系统阶段也消耗一定量的泡沫液和水，这部分包含压缩空气泡沫在管道内的填充，在灭火作战中也需要充分考虑这一部分的消耗量。

表1 不同阶段泡沫液与水的消耗量Table 1 Consumption amounts of foam liquid and water at different stages

2.3 燃料温度以及油池周围辐射变化

火焰的热反馈决定油池的燃料温度和蒸发速度。图4(a)为重油油池不同位置处液面下方温度变化情况，实验中1号和3号热电偶损坏，没有测量到数据。首先，随着燃烧的进行，来自火焰的热反馈不断加热重油导致油面加热层油温升高，燃料的蒸发速率增加，而且由于燃烧的消耗液面高度逐渐下降，测量点距离液面逐渐变小，导致测量温度逐渐升高。本次实验油池底面有一定坡度，4号位置处地势最低，在喷射灭火前2号位置和油池中心处的热电偶由于液面的持续下降，逐渐暴露在油面以上，温度逐渐接近700 ℃；而4号位置较低，液面下热电偶逐渐进入到油面附近的加热层，因此温度处于“准稳定阶段”，接近300 ℃。开始喷射泡沫后，由于2号位置距离泡沫施加点最近，其重油温度迅速降低至100 ℃以下，说明压缩空气泡沫对于降低重油的温度具有很好的效果，这主要是由于湿泡沫中的含水量大，从而达到冷却作用，而且由于泡沫对热辐射的遮挡，泡沫覆盖区的温度远远低于燃烧区的燃料温度。随着泡沫的不断施加，中心位置和4号位置的温差也相继迅速降低，在130 s时整个油池温差降低至100 ℃以下。

图4 不同位置油池底部上方2 cm处温度变化曲线Fig.4 Temperature variation curves of different position at 2 cm above oil pool bottom

图4(b)是甲醇油池不同位置处液面下方温度随时间的变化。在喷射泡沫灭火前，1号位置地势较高，由于液面的持续下降，1号位置距离液面更近，导致测量温度逐渐升高，其他位置位于液面下，温度较低。由于距离较远，泡沫灭火时间相对较长，燃料逐渐消耗，在初始灭火阶段热电偶测量的温度逐渐升高，随着泡沫的不断施加，完全灭火时甲醇的温度降低到50 ℃以下。

热辐射对人体和设备的危害如表2所示[17]。图5(a)是距离重油油池边缘不同水平距离人员1.5 m高度处的辐射热变化，可以看出距离油池边缘水平距离12 m人员的辐射热通量最大超过8 kW/m2。考虑一定安全余量，在消防灭火救援中消防人员能够承受的辐射热通量约为5 kW/m2[18]，因此一定的安全灭火距离是必要的。本文采用的大流量压缩空气泡沫系统搭配的2辆举高消防机器人在距离油池边缘29 m处，可以把泡沫喷射到油池内，有效降低火场附近的辐射强度，同时避免消防人员近距离灭火作战。图5(b)为距离甲醇油池边缘不同水平距离人员1.5 m高度处的辐射热变化。可以发现，与重油相比，甲醇火灾中的辐射相对较弱，距离油池边缘水平距离5 m处人员高度处的辐射热通量最大接近6 kW/m2；而距离油池边缘10 m处辐射热通量最大约为2.5 kW/m2。

表2 热辐射对人员和设备的危害Table 2 Hazards of thermal radiation to personnel and equipments

图5 油池附近1.5 m高度处热辐射变化Fig.5 Variation of thermal radiation at 1.5 m height near oil pool

3 结论

1)采用大流量正压式压缩空气泡沫系统搭配举高消防灭火机器人可以实现远距离有效扑救大尺度油池火灾，压缩空气泡沫的施加可以有效降低火场温度和火场附近的辐射强度，同时由于湿泡沫含有大量水分，可以迅速降低油池内燃料的温度。

2)随着喷射装置与油池距离的增加，灭火效能逐渐降低。对于气液比6∶1的湿泡沫，在灭火距离为29 m和泡沫混合液供给流量为3 900 L/min条件下扑救450 m2全尺寸方形重油火灾的灭火时间为130 s，灭火阶段的用水量和3%水成膜泡沫液用量分别为8 233 L和273 L；当灭火距离超过35 m时灭火效能明显下降，泡沫混合液供给流量为3 600 L/min条件下扑救225 m2全尺寸方形甲醇火灾的灭火时间为231 s。

3)大尺度重油火场附近的辐射强度高，消防人员近距离灭火作战则存在一定安全风险。本文基于正压式大流量压缩空气泡沫系统结合举高消防灭火机器人远距离喷射压缩空气泡沫的灭火方式可以为今后消防灭火作战新策略提供数据参考。