机械泵入式压缩气体泡沫系统性能研究

朱斌才 

摘要：环氧丙烷（PO）是一种非常重要的有机化工原料。环氧丙烷储罐常与其他石化产品设置在一起，增大了储罐区的火灾危险性。对于低沸点易燃液体储罐的灭火参数，国外相关标准规范也未做明确规定，如美国NFPA11-2010《低倍数、中倍数、高倍数泡沫灭火系统》、欧洲标准EN13565（2）-2009《固定消防系统-泡沫系统》规定，沸点低于37.8℃或40℃的易燃液体应采用较高的供给强度，适宜的供给强度应通过试验确定。因此，对于环氧丙烷等低沸点易燃液体储罐泡沫灭火系统设计参数，需通过试验确定。

关键词：压缩气体泡沫；石油醚；空气；氮气；灭火性能

引言

低沸点易燃液体储罐是石化行业应用较多的一种储罐，由于其储存的低沸点易燃液体饱和蒸汽压大、易挥发、爆炸极限宽，因此导致发生火灾爆炸风险高、扑救难度大、易发生复燃，现有低中高倍泡沫灭火技术无法满足其火灾防控需求。新修订的《泡沫灭火系统技术标准》(报批稿)已明确指出沸点低于45℃、碳5及以下组分物质的量百分数占比不低于30%的低沸点易燃液体储罐不宜选用现有泡沫灭火系统。

1工作原理

泵入式CAF灭火系统主要由专用泡沫液及储罐、水轮机和泡沫液泵一体机、泡沫发生器、氮气管路（试验时采用氮气瓶组）、爆破片、单向阀、过滤器和管线等组成。该系统依靠消防压力水的动能带动水轮机转动，水轮机旋转带动泡沫液泵（柱塞泵）运转，水轮机按1∶1驱动方式从泡沫液泵获得泡沫原液，混合比根据泡沫液泵气缸数量进行调整，属于纯机械式泡沫比例混合系统。混合后的泡沫液在出口处通过泡沫发生器进一步与压缩气体混合，该泡沫发生器用来增加液相出口流速，增大与气相的混合能力，快速将泡沫混合液转变成泡沫，泡沫通过输送管路不断地喷向着火区域，进行全面积火灾的快速扑灭。

2试验部分

2.1试验装置采用直径500mm、高200mm的钢制油盘，盘壁厚3mm，面积约0．2m2。如图1所示，在油盘内部靠近盘壁距底部45mm、90mm处各布置1只热电偶(测点T1，T2)，用于测试燃料内部及表面的温度。在油盘中心位置距底部90，200，340，540，740mm处各布置1只热电偶(测点T3，T4，T5，T6，T7)，用于测试泡沫层内部温度与火焰温度。热电偶采用直径3mm的K型铠装镍铬－镍硅热电偶，测温为0～1200℃，数据采集器采用美国NI公司生产的cDAQ－9174。金属抗烧罐内径120mm，高100mm，壁厚2mm。采用自行研制的实验室压缩气体泡沫系统产生不同气源的压缩气体泡沫，如图2所示，该系统采用泡沫液预混方式，泡沫溶液流量范围为0．26～2．6L/min，气液比为0～50/1范围内连续可调。供气设备有两种可供选择，其中一种为空压机提供的压缩空气，另一种为高压氮气瓶提供的压缩氮气。实验室压缩气体泡沫系统产生的压缩气体泡沫通过泡沫输送管输送至内径10mm、长1．2m的泡沫喷射管，泡沫喷射管采用支架固定在油盘上方距油盘上沿95mm位置处，向油盘内部供泡。采用摄像机和照相机拍摄灭火试验过程。

2.2试验材料、方法与步骤

（1）采用符合《泡沫灭火剂》(GB15308—2006)规定的1%型水成膜泡沫灭火剂(自主研制)作为试验样本。采用《泡沫灭火剂》(GB15308—2006)中评价泡沫灭火剂灭火性能的标准燃料120#橡胶工业用溶剂油作为试验燃料。（2）为对比压缩氮气泡沫和压缩空气泡沫灭火性能，开展2种不同形式的密封圈火灾试验:1)设置挡雨板，即在油槽上方斜搭9只长2．0m、宽0．8m金属挡雨板，中部敞开3m的开口，模拟火灾爆炸将挡雨板掀开;2)不设挡雨板，即将油槽上方全部敞口。具体试验步骤如下:1)调试固定式压缩气体泡沫系统，设定流量、混合比、气液比等参数;2)开启摄像机、数据采集器;3)首先在密封圈油槽底部加100mm厚的水，然后加注200L120#溶剂油，燃料厚约38．1mm;4)点燃油槽，并开始计时，预燃3min后(不设挡雨板试验预燃2min)，开始施加拟定流量和气液比下的压缩气体泡沫;5)完全灭火并观察一段时间后停止供泡，总供泡时间不超过15min。试验过程中，观察泡沫喷射覆盖、发生复燃情况，记录供泡时间、90%控火时间和灭火时间;6)灭火后，搜集泡沫样品并按照《泡沫灭火剂》(GB15308—2006)标准规定方法测定泡沫性能。

3结果分析

3.1泡沫比例混合装置压力降

泡沫系统的关键部件是泡沫比例混合装置，其进出口压力变化值大小，反映出该系统性能稳定性强弱。压力变化值越小，其系统密闭性越高、能耗越小，稳定性越强。开启消防水泵，将水加压至0.60～1.25MPa，注入比例混合装置中。比例混合装置进、出端压力变化，见表1所示。

由表1可知，当采用水轮机-泡沫液泵一体机时，消防水进水压力越大，压力损失越大。进口压力低于1.0MPa时，压力降不超过0.12MPa。因此，水轮机的压力损失可以调控。试验实测压力降不超过0.15MPa，达到了泡沫系统的设计要求。

3.2灭火过程中温度变化对比

图4～图7给出了压缩空气泡沫和压缩氮气泡沫灭火及抗烧过程中温度变化曲线。从中可以看出，点燃燃料后，各点的温度迅速上升，预燃30s后，各点温度基本稳定。预燃60s后，油盘上方的最高温度约为750℃。当施加泡沫后，随着泡沫层厚度不断增大，被泡沫层覆盖着的测点(T2，T3)温度开始下降，而油盘上方温度先继续升高，最高达到约800℃，直至泡沫基本控火后才逐渐开始下降。压缩氮气泡沫与压缩空气泡沫的灭火降温趋势基本一致。在抗烧阶段，压缩氮气泡沫的温升曲线要滞后于压缩空气泡沫，这说明压缩氮气泡沫抗烧性能要优于压缩空气泡沫。

试验结果表明，石油醚由于沸点低，饱和蒸汽压大，更容易挥发，在泡沫灭火试验过程中由于石油醚的不断挥发、鼓泡、破坏泡沫层，从而使其较难覆盖，尤其是在贴近盘壁附近容易形成较难扑灭的边缘火，如图8所示。当采用压缩空气泡沫时，即使在油盘内充满很厚的泡沫，也需要很长时间才能被扑灭这种边缘火，但是采用氮气作为气源的压缩氮气泡沫可以在一定限度内提升灭火速度，改善抗烧性能。

3.3不同气源压缩气体泡沫灭火性能综合分析

灭火试验结果表明，无论是否设置挡雨板，采用罐壁式压缩气体泡沫施放装置均可快速扑灭密封圈火灾，并且压缩氮气泡沫比压缩空气泡沫的控灭火速度略快。从供气设备成本和操作使用方面考虑，压缩空气的供气设备可选用高压储气瓶或空气压缩机，压缩氮气的供气设备可选用高压储气瓶或制氮机。其中，高压储气瓶涉及高压容器，且储气量有限，无法实现长时间持续供气。空气压缩机是将电动机或柴油机的机械能转换为气体压力能的装置，目前活塞式空压机和螺杆式空压机使用量最大，活塞式空压机排气量较小，螺杆式空压机排气量较大，压缩空气泡沫系统主要采用螺杆式空气压缩机。

结束语

(1)以氮气和空气作为气源的压缩气体泡沫析液时间长、稳定性高，均能够有效扑灭低沸点易挥发的石油醚火灾，并且具有良好的泡沫覆盖和抗复燃性能。(2)与压缩空气泡沫相比，压缩氮气泡沫对于石油醚火灾的控灭火性能和抗烧性能均有一定提升。(3)对于石油醚类的低沸点易挥发性燃料火灾，建议实际工程中采用压缩氮气泡沫系统，氮气供气设备根据实际工程特点进行选择。(4)建议进一步开展全尺寸实体火试验验证和全淹没条件下不同气源压缩气体泡沫灭火性能对比研究。

参考文献

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