文/牟善軍 郎需慶 牟小冬 劉全楨

目前，我國大型原油儲(chǔ)罐火災(zāi)事故多發(fā)，撲救難度大。中國石化安全工程研究院開展了液氮?dú)饣c泡沫混合發(fā)泡的液氮泡沫系統(tǒng)研究，研制了大流量液氮泡沫噴射裝置，該泡沫系統(tǒng)泡沫層穩(wěn)定性強(qiáng)、抗復(fù)燃能力強(qiáng)、氮?dú)馀c泡沫雙重滅火、滅火效率高，解決了壓縮氣體泡沫滅火系統(tǒng)大流量高壓供氣問題，實(shí)現(xiàn)了大流量液氮泡沫滅火系統(tǒng)的工程應(yīng)用。

目前，我國原油儲(chǔ)罐正逐漸向大型化、集群化方向發(fā)展。從國內(nèi)外大型儲(chǔ)罐火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)是大型儲(chǔ)罐火災(zāi)事故中后果最嚴(yán)重的事故之一，約占大型儲(chǔ)罐火災(zāi)事故的27%。

從 LASTFIRE（LASTFIRE組織全稱是Large Atmospheric Storage Tank Fires，其企業(yè)會(huì)員 包 括 ADCO、SINOPEC、BHP Billiton、BP、BIL、CEPSA、Chevron Texaco、Eni、Idemitsu、MOL、Neste Oil、Petronas、Repsol、Saudi Aramco、Shell、Total等23家國際石油公司，該組織由英國ENRG公司負(fù)責(zé)管理運(yùn)行。LASTFIRE主要研究直徑10m以上的各類大型儲(chǔ)罐火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)及其防護(hù)措施，并參與NFPA、EN等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作，其發(fā)布的研究報(bào)告在歐美具有很強(qiáng)的行業(yè)影響力，研究結(jié)果也廣泛被歐洲國家政府制定相關(guān)政策時(shí)所采用）沸溢研究及多起事故案例看，原油儲(chǔ)罐發(fā)生全面積火災(zāi)后，如不能及時(shí)撲滅，發(fā)生沸溢的概率是100%，這將造成儲(chǔ)罐事故升級(jí)，甚至形成群罐火災(zāi)，后果不堪設(shè)想。

目前，我國大多數(shù)大型原油儲(chǔ)罐已運(yùn)行了20年左右，儲(chǔ)罐因罐壁變形、罐基礎(chǔ)不均勻沉降、罐體腐蝕、設(shè)備故障及極端惡劣天氣等造成的儲(chǔ)罐火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)開始上升，尤其是暴雨、臺(tái)風(fēng)、暴雪等對大型儲(chǔ)罐的影響極為明顯。

近年來，國內(nèi)油罐火災(zāi)事故多發(fā)，撲救難度大，儲(chǔ)罐著火后，處置過程往往是車海戰(zhàn)術(shù)、人海戰(zhàn)術(shù)與持久戰(zhàn)，例如，大連中石油國際儲(chǔ)運(yùn)有限公司“7·16”輸油管道爆炸火災(zāi)事故撲救共動(dòng)用了220輛消防車，消耗泡沫液1 000多t，供水量超過12萬 t；騰龍芳烴 (漳州 )有限公司“4·6”爆炸著火事故共調(diào)動(dòng)269臺(tái)消防車和1 169名消防官兵，調(diào)運(yùn)1 467 t泡沫液、3套遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)，著火罐復(fù)燃3次，滅火耗時(shí)56 h，用水量超過14萬t。盡管如此，一些儲(chǔ)罐著火后最終還是以儲(chǔ)罐燃盡結(jié)束?？梢妵鴥?nèi)儲(chǔ)罐火災(zāi)的處置難度之大，滅火效率之低，這也反映出我國應(yīng)對儲(chǔ)罐火災(zāi)的人員經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)技能、消防裝備配置等方面存在的不足。

我國大型原油儲(chǔ)罐固定式消防系統(tǒng)的配置以撲滅密封圈火災(zāi)為基準(zhǔn)，對更大規(guī)模的火災(zāi)只能依靠消防車進(jìn)行撲救。油庫的消防裝備多以高噴車、泡沫消防車、泡沫運(yùn)輸車、移動(dòng)式消防炮等常規(guī)設(shè)備為主，只能處置一般規(guī)模的罐區(qū)火災(zāi)，如地面池火、流淌火、浮盤密封圈火災(zāi)等，但不具備撲救大型儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)的能力。即使少數(shù)大型原油罐區(qū)配置了遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)和大流量泡沫炮，因配套設(shè)備能力不足，也難以完全發(fā)揮作用。

我國目前新建大型原油庫的消防水供給能力最大為1 000～1 200 m3/h，油庫儲(chǔ)水量與供水量遠(yuǎn)不能滿足此類火災(zāi)撲救需求，而且多數(shù)油庫缺少遠(yuǎn)程供水設(shè)備?？梢?，我國僅僅依靠提高供水量難以達(dá)到具備撲救大型儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)的能力，還要大幅提高泡沫滅火效率。

對此，中國石化安全工程研究院開展了液氮?dú)饣c泡沫混合發(fā)泡的液氮泡沫系統(tǒng)研究，解決了壓縮氣體泡沫滅火系統(tǒng)大流量高壓供氣問題，實(shí)現(xiàn)了大流量液氮泡沫滅火系統(tǒng)的工程應(yīng)用。

大流量液氮泡沫系統(tǒng)（LNFS）

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)（CAFS）是將高壓氣體與泡沫混合液注入泡沫發(fā)生器進(jìn)行混合發(fā)泡，泡沫均勻細(xì)膩、穩(wěn)定性好，具有滅火時(shí)間短、抗復(fù)燃能力強(qiáng)等特點(diǎn)。根據(jù)NFPA 11的推薦值，固定頂儲(chǔ)罐應(yīng)對全面積火災(zāi)的負(fù)壓吸氣式泡沫系統(tǒng)泡沫混合液最低供給強(qiáng)度為4.1 L/min.m2，而壓縮空氣泡沫系統(tǒng)（CAFS）泡沫混合液最低供給強(qiáng)度為1.63 L/min.m2?？梢姡瑢τ谕瑯右?guī)模的火災(zāi)，壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的滅火能力遠(yuǎn)優(yōu)于負(fù)壓式泡沫系統(tǒng)。

但是傳統(tǒng)的壓縮氣體泡沫滅火系統(tǒng)通常采用空氣壓縮機(jī)、高壓氣體管網(wǎng)或壓縮氣體鋼瓶等方式供氣，這些供氣方式無法滿足大流量、高壓力、長時(shí)間供氣的要求，導(dǎo)致壓縮氣體泡沫滅火系統(tǒng)無法應(yīng)用于大型儲(chǔ)罐滅火。因此，如何提供大流量的高壓氣體是將壓縮氣體泡沫滅火技術(shù)應(yīng)用于石化領(lǐng)域重大火災(zāi)撲救的關(guān)鍵。

液氮泡沫的發(fā)泡原理

液氮在常壓下的膨脹比通常為700左右，即1體積的液氮在常壓下氣化可以產(chǎn)生約700體積的氮?dú)?。液氮與泡沫混合液在專用氣液混合器中，通過改變兩相流體流場，并充分換熱、氣化、擾流及混合，液氮在泡沫混合液流體內(nèi)可產(chǎn)生大量致密穩(wěn)定的泡沫，經(jīng)噴射器噴出滅火。

液氮與泡沫混合液的混合比例、流量控制及噴射方式等是該混合器高效發(fā)泡的關(guān)鍵技術(shù)，該氣液混合器是中國石化安全工程研究院自主研發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備。

液氮與泡沫混合液的流量滿足下述關(guān)系時(shí)即可實(shí)現(xiàn)良好的正壓式泡沫：

Q=mV/nf

式中Q——液氮的體積流量，L/min；

m——設(shè)定的發(fā)泡參數(shù)，優(yōu)選發(fā)泡參數(shù)為6～8范圍內(nèi)；

V——泡沫混合液的體積流量，L/min；

n——液氮的體積膨脹比696，膨脹后的氮?dú)怏w積與膨脹前的液氮體積的比值；

f——管路損失，取值1～1.4。

泡沫混合液的體積流量V根據(jù)著火面積由GB 50151-2010《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定。

觀察負(fù)壓泡沫與正壓泡沫的微觀狀態(tài)，液氮泡沫氣泡均勻致密，而負(fù)壓泡沫的氣泡大小不一，且虛泡較多。負(fù)壓式泡沫的氣泡平均直徑200～300 μm，液氮泡沫的氣泡平均直徑20～30 μm；從氣泡穩(wěn)定的角度看，氣泡直徑小、氣泡均勻時(shí)，更有利于氣泡的穩(wěn)定。

大流量液氮泡沫滅火系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

中國石化安全工程研究院開發(fā)了一套大流量液氮泡沫滅火裝置，該裝置的泡沫混合液最大流量達(dá)160 L/s，產(chǎn)生的泡沫可由消防炮或高噴車進(jìn)行噴射，如圖1所示。

該裝置與高噴車聯(lián)用，在直徑26 m的油盤（相當(dāng)于1萬m3儲(chǔ)罐）上開展了全面積火災(zāi)滅火測試，如圖2所示。燃燒介質(zhì)為柴油，液面形成全面積燃燒后預(yù)燃60 s，然后分別進(jìn)行兩組滅火測試，第一組通過高噴車將泡沫混合液注入大流量液氮泡沫滅火裝置進(jìn)行液氮發(fā)泡，產(chǎn)生的泡沫再注回高噴車臂架進(jìn)行正壓泡沫噴射滅火測試；第二組利用普通泡沫消防車進(jìn)行負(fù)壓泡沫滅火測試。測試結(jié)果如表1所示，對同等規(guī)模的火災(zāi)，液氮泡沫系統(tǒng)的泡沫混合液消耗量僅為負(fù)壓式泡沫消耗量的46%。

以撲救10萬m3儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)為例，表2對比分析了負(fù)壓式泡沫系統(tǒng)、由液氮供氣的壓縮氣體泡沫及由壓縮機(jī)組供氣的壓縮氣體泡沫系統(tǒng)的配置情況。

圖1 大流量液氮泡沫噴射裝置

圖2 直徑26m油盤全面積火災(zāi)液氮泡沫系統(tǒng)滅火實(shí)驗(yàn)

表1 直徑26m油盤滅火測試結(jié)果

表2 10萬m3儲(chǔ)罐滅火方式對比表

通過大尺度油盤的滅火對比測試，以液氮?dú)饣l(fā)泡為核心技術(shù)的大流量液氮泡沫滅火裝置，與國內(nèi)外油罐現(xiàn)有泡沫滅火裝置相比，具有如下優(yōu)勢：

一是液氮泡沫層穩(wěn)定性高，抗復(fù)燃能力強(qiáng)。液氮泡沫的發(fā)泡倍數(shù)控制在6～8，液氮泡沫層的穩(wěn)定時(shí)間可達(dá)240 min以上。在大尺度油盤的滅火實(shí)驗(yàn)中，液氮泡沫覆蓋的著火區(qū)域未發(fā)生復(fù)燃；而吸氣式泡沫覆蓋的區(qū)域因其周邊持續(xù)燃燒，造成泡沫層破裂，發(fā)生了局部油面復(fù)燃，主要原因是液氮泡沫因氣泡小且均勻，耐熱膨脹能力高，不易被高溫破壞。

二是氮?dú)庵舷⑴c泡沫雙重滅火作用。液氮泡沫噴入著火油面后，泡沫落入的區(qū)域燃燒抑制明顯，火勢明顯變小，主要原因是液氮泡沫破裂后釋放出氮?dú)?，隨著液氮泡沫的持續(xù)噴入，釋放的氮?dú)庠诨鹧鎯?nèi)形成了局部阻燃區(qū)。而負(fù)壓式泡沫噴入燃燒油面后，火焰瞬間明顯增強(qiáng)，燃燒加劇，該現(xiàn)象歸因于泡沫層破裂后釋放出空氣，在火焰內(nèi)起到了助燃作用。

三是液氮泡沫溫度低，冷卻效果好。液氮在泡沫混合液內(nèi)氣化發(fā)泡時(shí)會(huì)大量吸熱，使得泡沫液溫度降低1～2 ℃，泡沫層的吸熱效果增強(qiáng)，提升了滅火作用。而吸氣式泡沫設(shè)備吸收滅火現(xiàn)場的高溫空氣后發(fā)泡，泡沫層的溫度遠(yuǎn)高于常溫泡沫，所形成的泡沫層冷卻效果相對偏低。

四是泡沫滅火效能高。在大尺度油盤上開展了液氮泡沫與吸氣式負(fù)壓泡沫的滅火對比實(shí)驗(yàn)，液氮泡沫的最低供給強(qiáng)度僅為1.2 L/min.m2，是吸氣式泡沫最低供給強(qiáng)度的30%。

五是液氮泡沫流量大。因液氮?dú)饣雀哌_(dá)700，少量的液氮?dú)饣纯僧a(chǎn)生大量的氮?dú)?。該技術(shù)以較低的液氮流量即可實(shí)現(xiàn)壓縮氣體泡沫系統(tǒng)的大流量高壓持續(xù)供氣，從而使得壓縮氣體泡沫系統(tǒng)可進(jìn)行大流量噴射，該技術(shù)可應(yīng)用于大型儲(chǔ)罐滅火。

六是供氣設(shè)備成本低，操作簡單。目前，液氮采用液氮罐儲(chǔ)存與輸出，技術(shù)成熟，無動(dòng)力設(shè)備，系統(tǒng)的故障率很低，相對于歐美壓縮氣體泡沫滅火設(shè)備制造商采用的空壓機(jī)供氣方式，采用液氮?dú)饣夥绞娇纱蟠蠼档凸庠O(shè)備的成本與操作難度，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，可實(shí)現(xiàn)供氣設(shè)備的長時(shí)間運(yùn)行。

但是，大流量氮?dú)馀菽瓬缁鸺夹g(shù)在應(yīng)用過程還存在一些亟需解決的問題，如液氮罐需實(shí)現(xiàn)低損耗、超長期儲(chǔ)存，由于當(dāng)前液氮罐的實(shí)際儲(chǔ)存期不超過1年，每年需定時(shí)向液氮罐補(bǔ)充液氮損耗；液氮與泡沫混合液的混合過程自動(dòng)化控制程度需要進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)液氮與泡沫混合比例的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

提升罐區(qū)重大火災(zāi)處置能力的建議

目前，我國移動(dòng)式泡沫滅火設(shè)備和固定式泡沫滅火系統(tǒng)都不具備撲救大型原油罐區(qū)重大火災(zāi)的能力，罐區(qū)重大火災(zāi)處置能力亟需提升，對此，給出如下建議：

一是以10萬m3浮頂儲(chǔ)罐為目標(biāo)，利用大流量氮?dú)馀菽瓬缁鹣到y(tǒng)開展大尺度油罐的滅火實(shí)驗(yàn)，確定該技術(shù)的工程應(yīng)用參數(shù)，為標(biāo)準(zhǔn)修訂提供數(shù)據(jù)支持。

二是將壓縮氣體泡沫滅火技術(shù)納入我國石化企業(yè)、油庫等相關(guān)防火設(shè)計(jì)規(guī)范，加快該技術(shù)在石化領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，推動(dòng)石化行業(yè)消防技術(shù)升級(jí)。

三是提高大型罐區(qū)、油庫的消防配置標(biāo)準(zhǔn)，將大流量液氮泡沫滅火系統(tǒng)應(yīng)用于大型原油罐區(qū)的重大火災(zāi)防護(hù)，提升應(yīng)對罐區(qū)重大火災(zāi)事故的消防能力。