氮气泡沫与压缩空气泡沫在模拟油品储罐多工况下灭火能力对比分析

牟小冬

(1.化学品安全全国重点实验室,山东青岛 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山东青岛 266104)

0 前言

油品储罐火灾多发,且易复燃,扑救难度大,目前常用的灭火手段是使用吸气式低倍泡沫灭火系统[1]。常规的吸气式泡沫系统受限于发泡方式,产生的泡沫稳定性低,泡沫难以覆盖油面,甚至随着燃烧加剧,油罐上的灭火装置也可能随之遭到破坏[2]。压缩空气泡沫系统是近年来逐步发展起来的新型泡沫产生系统,采用正压式主动注入气体的混合方式[3],其利用泡沫发生器将泡沫混合液和压缩气体充分混合,产生均匀细腻、稳定性好的泡沫,具有灭火时间短、抗复燃能力强等特点[3-6]。根据NFPA11的推荐值,固定顶油品储罐应对全面积火灾的吸气式泡沫系统泡沫混合液最低供给强度为4.1 L/(min·m2),而压缩空气泡沫系统泡沫混合液最低供给强度为1.63 L/(min·m2)[7]。压缩空气泡沫灭火技术已经证实了其高效灭火的能力。

近些年,压缩空气泡沫灭火技术在石油化工火灾的研究和应用也越来越多。如张宪忠,等[8]研究了压缩空气泡沫灭火技术对易燃液体介质的灭火能力,验证了抗溶灭火剂采用压缩空气泡沫系统的灭火能力;王勇凯,等[9]、林全生,等[10]研究了压缩空气泡沫在管道内的流动状况,分析了压缩空气泡沫在管道内的压力损失情况;何坤,等[11]开展了压缩空气泡沫扑救油类池火研究,验证了压缩空气泡沫对大尺度油类火的灭火能力;郎需庆,等[12]对压缩空气泡沫装置扑救大型储罐火灾开展了试验和工程应用;牟小冬,等[13]研发了液氮泡沫灭火系统,解决了压缩空气泡沫系统供气能力不足的问题。

目前,针对压缩空气泡沫灭火技术在石化行业应用研究多数为油盘火、池火灭火研究,由于油罐灭火与油盘灭火存在显著区别,对于储罐形态的灭火研究未见报道,且发泡气源多为压缩空气,对于氮气与压缩空气为气源的灭火对比试验较少。

鉴于此,搭建了试验装置,模拟储罐存储不同油品,在不同液位下,由于爆炸导致储罐罐顶不同开口程度下的火灾情形,对比验证氮气泡沫与压缩空气泡沫的灭火性能。

1 试验设计

1.1 压缩空气泡沫与氮气泡沫产生装置

压缩空气泡沫与氮气泡沫产生装置(图1)由100 L泡沫液储罐、100 L气体缓冲罐、气液混合器、泡沫喷射管路、气体流量计、液体流量计等组成。该装置采用空气发泡时由空气压缩机供气,采用氮气发泡时,由氮气瓶供气,产气源通过气体缓冲罐平稳系统工作压力。气液比及喷射流量由针阀进行调节,喷射流量2～5 L/min可调,气液比1∶4～1∶10可调。

图1 压缩空气泡沫与氮气泡沫产生装置流程示意

1.2 试验油罐

试验油罐罐壁高度1.0 m,罐体内径1.2 m,液面全面积1.13 m2。油罐具有罐顶开口调节功能,可实现100%,50%,25%开口,模拟事故状况下油罐罐顶不同程度开口的火灾情况。通过调整水垫层高度模拟不同液位下的火灾情况,燃烧过程中罐壁无冷却。

1.3 试验材料

试验采用IC级3%型水成膜灭火剂预混使用。

试验燃料选用柴油(闪点50 ℃)、120#溶剂油(闪点-20 ℃)。

1.4 试验步骤

a) 按3%混合比配制泡沫混合液加入泡沫液储罐中。关闭储罐上各个阀门,启动空压机或氮气瓶组,打开缓冲罐和泡沫罐的气体入口阀门,调节减压阀使储罐压力稳定在设定值0.8 MPa,开启喷射阀门进行喷射,通过液相管路针阀开度调节喷射流量,气相管路针阀开度调节气液比,观察泡沫状态、测试发泡倍数。

b) 每次灭火试验前,先确定泡沫状态正常、测定发泡倍数后,再将泡沫喷射入油罐开始灭火试验,通过调整泡沫枪喷射角度,保证泡沫喷射至储罐内壁,按缓施加方式进行灭火。

c) 通过调节罐顶开口程度,分别模拟25%,50%,100%开口程度下,且在不同液位下的不同油品的燃烧情况,对比不同供给强度下的氮气泡沫与压缩空气泡沫的灭火性能。油罐做水垫层,高液位750 mm,低液位250 mm,单次燃烧油层20 mm,用油22.6 L,预燃时间2 min。

2 试验结果

2.1 油罐罐顶100%开口灭火试验

试验模拟储罐因爆炸燃烧,罐顶全部掀开下的火灾状态。在罐顶100%开口状态下,高液位和低液位形况下,对比氮气泡沫和压缩空气泡沫的灭火能力。预燃时间2 min,试验结果如表1所示。

表1 储罐罐顶100%开口高、低液位灭火试验结果

试验1～5对比了罐顶100%开口高液位情况下,氮气泡沫与压缩空气泡沫的灭火能力。当燃料为柴油,在泡沫流量3 L/min时,氮气泡沫灭火时间为70 s,较压缩空气泡沫灭火时间90 s减少22.2%。当燃料为120#溶剂油时,压缩空气泡沫流量3 L/min无法灭火,将流量提升至4 L/min,氮气泡沫灭火时间62 s,较压缩空气泡沫116 s减少46.6%。

试验6～13对比了罐顶100%开口低液位情况下,氮气泡沫与压缩空气泡沫的灭火能力。当燃料为柴油,在泡沫流量3 L/min时,氮气泡沫灭火时间为47 s,较压缩空气泡沫灭火时间99 s减少52.5%;在泡沫流量2 L/min时,氮气泡沫灭火时间为83 s,较压缩空气泡沫灭火时间140 s减少40.7%。当燃料为120#溶剂油时,需将压缩空气泡沫流量提升至5 L/min方能完成灭火,灭火时间为51 s,低于此流量,罐壁边缘火无法扑灭;氮气泡沫流量5 L/min时,38 s即可完成灭火。

罐顶100%开口,氮气泡沫较压缩空气泡沫灭火效率均有提升。轻质油品120#溶剂油较柴油,灭火难度更大。高液位情况下,火焰可以充分卷吸空气,此时灭火主要体现的是泡沫的高温稳定性与铺展性,氮气泡沫较压缩空气泡沫热稳定性更高,铺展速度更快。在低液位燃烧时,由于液位低,受罐壁高度影响,热量积聚,泡沫挥发性更强,燃烧更为剧烈,灭火难度提升,当泡沫施加后,因液位低,火焰卷吸空气的难度提升,此时体现了氮气泡沫破裂释放氮气抑燃作用。

2.2 油罐罐顶50%开口灭火试验

试验储罐罐顶设定为50%开口,模拟罐顶因爆炸大部分掀开下的火灾状态。对比高液位和低液位时,氮气泡沫与压缩空气泡沫的灭火能力。预燃时间2 min,试验结果见表2。

表2 储罐罐顶50%开口高、低液位灭火试验结果

试验14～17模拟了罐顶50%开口高液位情况下,氮气与压缩空气泡沫灭火能力。当燃料为柴油时,在泡沫流量3 L/min时,氮气泡沫灭火时间为73 s,较压缩空气泡沫灭火时间96 s减少23.9%。当燃料为120#溶剂油,泡沫流量4 L/min时,氮气泡沫灭火时间63 s,较压缩空气泡沫113 s减少44.2%。将试验结果与罐顶100%开口高液位燃烧情况的试验1～5对比,可发现,在高液位情况下,罐顶100%开口与罐顶50%开口,氮气泡沫的灭火时间基本一致,较压缩空气泡沫灭火效率提升也基本一致。

试验18～26对比了罐顶50%开口低液位情况下,氮气泡沫与压缩空气泡沫的灭火能力。当燃料为柴油时,在泡沫流量3 L/min时,氮气泡沫灭火时间为59 s,较压缩空气泡沫灭火时间72 s减少18.1%。当燃料为120#溶剂油时,泡沫流量3 L/min时,压缩空气泡沫无法灭火,氮气泡沫灭火时间77 s;泡沫流量4 L/min时,氮气泡沫灭火时间67 s,较压缩空气泡沫77 s减少13.0%;泡沫流量5 L/min时,氮气泡沫灭火时间55 s,较压缩空气泡沫65 s减少15.4%。将试验结果与罐顶100%开口低液位燃烧情况的试验6～13对比,在罐顶50%开口低液位时,灭火难度有一定提升。

在高液位情况下,储罐50%开口与100%开口时,罐顶的开口程度对火焰强度影响不大,灭火难度基本一致。在低液位情况下,储罐50%较100%开口,受罐顶遮蔽影响热量散发,热积聚更强,油品挥发性更强,灭火难度进一步提升,氮气泡沫的灭火优势较压缩空气泡沫进一步体现。

2.3 油罐罐顶25%开口灭火试验

通过试验储罐罐顶25%开口的设置,模拟储罐罐顶因爆炸小部分掀开情况下氮气泡沫与压缩空气泡沫的灭火能力。预燃时间设定为罐顶50%开口点燃3min后,缩小开口至25%继续燃烧1 min。这是因为在储罐25%开口时,点燃燃料后,由于罐内处于缺氧状态,随即就会自熄灭;50%开口预燃时间较短时,再缩小开口至25%,燃烧也会自终止。只有通过大开口充分预燃,火焰强度足够后,方可实现小开口的稳定燃烧。试验结果见表3。

表3 储罐罐顶25%开口高、低液位灭火试验结果

试验27～31对比了罐顶25%开口高液位情况下,氮气泡沫与压缩空气泡沫的灭火能力。当燃料为柴油,泡沫流量3 L/min时,氮气泡沫灭火时间为66 s,较压缩空气泡沫灭火时间73 s减少9.6%。当燃料为120#溶剂油,泡沫流量4 L/min时,压缩空气泡沫无法灭火,而氮气泡沫灭火时间为80 s;泡沫流量为5 L/min时,压缩空气泡沫灭火时间为158 s。通过与试验1～5和14～17对比可以看出,在高液位情况下,罐顶25%开口较罐顶50%和100%开口,在燃料为柴油时,灭火难度有所降低;当燃料为溶剂油时,灭火难度有所提升。

试验32～35对比了罐顶25%开口低液位情况下,氮气泡沫与压缩空气泡沫的灭火能力。当燃料为柴油,泡沫流量3 L/min,氮气泡沫灭火时间为142 s,较压缩空气泡沫灭火时间163 s减少12.9%。当燃料为120#溶剂油时,泡沫流量5 L/min时,氮气泡沫灭火时间为250 s,较压缩空气泡沫灭火时间295 s减少15.3%。通过与试验6～13和18～26对比可以看出,在高液位情况下,罐顶25%开口较罐顶50%和100%开口,灭火时间大幅提升,氮气泡沫较压缩空气泡沫的灭火能力提升效果进一步体现。

在罐顶开口25%,高液位情况下,当燃料为柴油这类挥发性低的油品时,灭火难度较罐顶50%、100%开口灭火难度有所降低,这是因为罐顶开口程度小,燃烧缺氧所致;但当燃料换为120#溶剂油时,此时由于油品挥发性强,燃烧更为剧烈,火焰卷吸空气受影响程度小,且罐顶覆盖导致了热量的积聚,进一步促进了燃烧,因此灭火难度大幅提升,氮气泡沫的灭火效率较空气泡沫提升明显,充分体现了氮气泡沫的热稳定性,及氮气释放稀释氧含量的作用。在低液位情况下,罐顶为25%开口,当燃料为柴油时这类挥发性低的油品时,较罐顶50%、100%开口,可以以更低的供给强度完成灭火,灭火难度进一步降低,此时罐内缺氧程度更重;当燃料为120#溶剂油时,更高的罐壁与罐顶导致罐内热积聚严重,泡沫的热稳定性要求更高,此时灭火难度大幅度提升,氮气泡沫灭火能力优于压缩空气泡沫。

2.4 直径2.4 m油盘灭火试验

通过直径2.4 m油盘全面积火(4.52 m2)放大试验,对比氮气泡沫和压缩空气泡沫的灭火能力。试验油品为120#溶剂油,试验结果见表4。

表4 储罐罐顶25%开口高、低液位灭火试验结果

试验38按照GB 15308—2006《泡沫灭火剂》标准测试泡沫灭火剂的灭火性能,采用吸气式发泡方式。对于2.4 m油盘火,吸气式泡沫11.4 L/min流量完成灭火需要150 s,而正压式发泡的压缩空气泡沫和氮气泡沫仅需在5 L/min流量下即可完成灭火,且用时接近,验证了正压式发泡的压缩空气泡沫和氮气泡沫的灭火优越性。在此等灭火尺度下,氮气泡沫灭火时间152 s,较压缩空气泡沫179 s减少15.1%,进一步验证了氮气泡沫较压缩空气泡沫的灭火优势。

3 结果分析与讨论

a) 从试验结果看,气体类型、燃料类型、油罐液位、罐顶开口程度均对灭火难度有影响。总体上,轻质油品灭火难度大,低液位灭火难度大,罐顶开口程度对灭火难度的影响取决于油品的挥发性。

b) 从气体类型来看,氮气作为气源产生的泡沫的热稳定性较压缩空气更强,且氮气泡沫破裂后会释放氮气,在火焰界面可以形成局部阻燃区,增强灭火效率。因此各类工况下,氮气泡沫的灭火效率较压缩空气泡沫均有明显提升。

c) 从燃料类型看,轻质油品120#溶剂油(闪点-20 ℃)较柴油(闪点50 ℃),灭火难度更大,油品闪点越低,其挥发性就越强,燃烧更为剧烈。试验出现压缩空气泡沫低供给强度未灭火的现象,说明燃料的特性对灭火能力影响明显,启示在储罐灭火时,针对易挥发的燃料应该采用更大的强度灭火。

d) 从油罐液位高度看,高液位情况下,火焰可以充分卷吸空气,此时灭火主要体现的是泡沫的高温稳定性与铺展性,试验证明氮气泡沫较压缩空气泡沫热稳定性更高,铺展速度更快。低液位时,由于液位低,受罐壁高度影响,罐壁对液面热辐射与火焰对液面的热辐射叠加,罐内热量积聚,燃料挥发加剧,对泡沫层的破坏加剧,此时灭火难度大幅度提升,同时因液位低,火焰卷吸空气的难度提升,体现了氮气泡沫破裂释放氮气抑燃作用。

e) 从罐顶开口程度来看,当燃料为柴油这类挥发性较低的油品时,开口越小灭火难度越低,而当燃料为120#溶剂油此类挥发性高的油品时,开口越小灭火难度越大。试验表明,在罐顶25%开口,燃料为轻质油品,低液位情况下,灭火难度最大,更高的罐壁与大面积的罐顶遮蔽导致罐内热积聚严重,泡沫的热稳定性要求更高,且油品挥发性更强,泡沫很难在如此苛刻的条件下维持稳定覆盖,灭火强度要求更高,此工况进一步验证了氮气泡沫热稳定性更强,且破裂后释放氮气的局部窒息作用。

4 结论

a) 从试验结果看,储罐罐顶开口程度、存储介质及液位高度对灭火难度都有影响。同样的泡沫液,采用正压式发泡方式的压缩空气泡沫、氮气泡沫两种泡沫均匀、细腻,稳定,较常规吸气泡沫灭火性能均有大幅度提升,且氮气泡沫的灭火性能更优。

b) 建议具备气源的石化企业对现有泡沫系统进行技术升级,改造为正压式发泡方式的压缩空气泡沫系统或氮气泡沫系统,全面提升泡沫系统的灭火能力。尤其是针对挥发性强的轻质油品储罐,应增加泡沫供给强度,优选氮气泡沫系统。