半封閉空間中水噴淋和泡沫滅火系統滅油池火實驗研究*

李繼康，張玉春，毛鵬飛

(西南交通大學 地球科學與環境工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，隨著隧道火災的增多，越來越多的滅火系統被應用到隧道工程領域。常用的滅火系統除了消火栓外，還有水噴淋滅火系統、泡沫滅火系統及泡沫-水霧滅火系統等。對比國內外的相關規范，發現僅僅某些發達的國家及地區(如歐洲、日本、上海)規定公路隧道達到一定長度及交通量時必須設置泡沫-水霧滅火系統，其他只要求設置固定式滅火系統[1-6]。

水成膜泡沫劑中的氟碳表面活性劑可大幅降低滅火劑表面張力，因此，近年來被廣泛應用到油庫、煤礦、公路隧道等領域[7-9]。國內外學者對水成膜泡沫液的滅火機理、特性進行了研究，發現水成膜泡沫液滅火的主要優勢在于，一方面能有效降低滅火劑的表面張力，增大與燃料的接觸面積；另一方面，泡沫液在油類表面流淌迅速，可漂浮于油層表面，形成泡沫覆蓋層，使燃燒物表面與空氣隔離，遮擋火焰對燃燒物表面的熱輻射[10-12]。

以上主要是對水成膜泡沫液滅火效果的理論研究，而對其滅火效率的定量研究較少。本實驗通過對比泡沫滅火系統與水噴淋滅火系統的滅火時間、降溫冷卻效率、火焰面積變化等參數，確定兩者的滅火效率，為公路隧道中自動滅火系統的設置提供參考。

1 實驗工況

為了避免自然風對于實驗結果的影響，實驗在尺寸為3 m×3 m×2.5 m的鐵質半封閉空間(一側開口)中進行，實驗平臺簡圖如圖1所示。自動滅火系統均采用開式灑水噴頭，距離油盆1.8 m。由于開式灑水噴頭的特性，正下方幾乎沒有水，為保障噴水強度，將280 mm×280 mm的油盆固定在以噴頭為中心、半徑0.5 m的地面處。泡沫滅火系統采用6%水成膜泡沫滅火劑，試劑參數如表1所示。

圖1 實驗平臺Fig.1 Experimental platform sketch

特性6%AFFF參數發泡倍數6．9表面張力/(mN·m-1)16．3界面張力/(mN·m-1)1．9擴散系數/(mN·m-1)6．8凝固點/℃-525%析液時間/min2．7

為了探究壓力對于水噴淋和泡沫滅火系統滅火效率的影響，同時考慮到實際工程中壓力要求，實驗選取0.35，0.48及0.75 MPa 3種工作壓力。油盆垂直上方設置8支間隔100 mm、精度為0.1℃的K型鎧裝微細熱電偶組成的熱電偶樹，用來監測油盆上方溫度的變化。每次實驗加入400 mL汽油或柴油，根據火源功率計算公式求得在實驗尺寸大小的燃燒器下汽油和柴油的火源功率分別為64和32 kW。油池火在初期時，無論汽油還是柴油，溫升速率很快，兩者蔓延雖蔓延速度有所不同，但由于油盆大小的限制，在燃燒30 s后，油火不能繼續橫向發展，形成了固定面積的池火，其燃燒速率相對固定。為測試不同滅火劑及不同滅火系統的滅火效果，避免其他實驗因素的影響，實驗選取汽油點燃60 s、柴油點燃80 s后，開啟自動滅火系統。從開啟自動滅火系統到火焰熄滅瞬間所用的時間定義為滅火時間。為保障實驗的可靠性與科學性，每種工況均重復3次以上。

2 實驗數據及分析

2.1 滅火時間

不同壓力下的滅火時間如圖2所示。在0.35，0.48和0.75 MPa 3種壓力下，水噴淋滅火系統滅汽油火時間均在170 s左右。相比于汽油自由燃燒僅縮短了34 s，考慮到水噴射到油盆時的濺射效果，無法說明水噴淋滅火系統對滅汽油火有促進效果。增加汽油體積至500 mL，滅火時間增加了100 s，也證明了上述結論。泡沫滅火系統的滅火時間縮短了約60 s，增大壓力及噴水強度，滅火效率均沒有顯著提升。當燃料為柴油時，3種壓力下泡沫滅火系統相較于水噴淋滅火系統的滅火時間分別縮短了35.7%，42.9%和66.4%，增加壓力及噴水強度對水噴淋滅火系統的滅火效率幾乎沒有影響，但提高了泡沫滅火系統的效率。這可能由于增大壓力在一定程度上提高水成膜泡沫液的發泡倍數，另一方面，增加噴水強度會增加泡沫數量，兩者可加速在油面形成泡沫覆蓋層，從而提高泡沫滅火系統的滅火效率。從圖2中可以看出，柴油火的滅火時間明顯低于汽油火。雖然柴油的燃點較汽油高，但汽油具有很強的揮發性，容易與空氣結合，而柴油很難揮發，只有液面上很薄的一層與空氣接觸。同時，尺寸相同的油池，汽油火的火源功率幾乎是柴油火的2倍。因此，自動滅火系統滅柴油火的效率明顯高于汽油火。

圖2 滅火時間Fig.2 Fire extinguishing time

2.2 降溫冷卻

圖3為不同滅火系統作用下，汽油油面垂直上方的溫度變化。在開啟水噴淋滅火系統的瞬間，油面溫度在下降到一定溫度后迅速上升，主要因為水滴吸熱汽化后迅速上升，導致油面上方溫度呈上升趨勢。隨著壓力及噴水強度的增加，滅火時間雖然沒有減少，但溫度由劇烈波動變為持續穩定下降。

對比同一壓力下不同滅火系統作用下油面不同位置的溫度變化可以看出，在泡沫滅火系統作用下，溫度在滅火初期小幅波動后呈現穩定下降的趨勢。相較于水噴淋滅火系統，泡沫滅火系統不僅滅火效率較高，在降溫冷卻方面也表現出較好的效果。這主要是由于水成膜泡沫液比水能更好地附著在油類表面，對其表面產生濕潤作用，吸收燃燒過程中產生的熱量，并通過水的蒸發帶走。泡沫液在油類表面流淌迅速，且相對密度較小，可漂浮于油層表面，形成泡沫覆蓋層，使燃燒物表面與空氣隔離。此外，泡沫覆蓋層還可以遮擋火焰對燃燒物表面的熱輻射，降低可燃液體的蒸發速率，從而達到滅火的目的[7-8]。

圖4為不同滅火系統作用下，柴油火油面上方不同位置溫度變化。在開啟水噴淋滅火系統后80 s內，油面上方一定高度內的溫度呈波動變化，在熄滅瞬間油面200 mm內仍維持較高溫度。壓力較低、水量較小時所測點的溫度均有不同程度的波動，無明顯下降，說明其抑制火焰及降溫效果很差。隨著壓力、水量的增大，除油盆上表面溫度仍然較高之外，其余位置的溫度雖有所波動但仍然呈下降趨勢。當P=0.75 MPa時，溫度均有較為明顯的下降，波動較少。

圖4 柴油火油面上不同位置溫度變化Fig.4 The different position of the temperature change on diesel oil surface

與水噴淋相比，在壓力較低時泡沫滅火系統降溫效果更明顯，而且也出現了相同的變化趨勢：測點的溫度均有不同程度的波動且下降不明顯，隨著壓力及噴水強度的增大，溫度呈穩定下降趨勢，且隨壓力的增大而加快。由于滅火時間較短，在油池火熄滅瞬間，油面上方仍保持較高溫度，持續噴射泡沫，溫度會迅速冷卻至室溫。

2.3 火焰面積

對于水霧強化火焰實驗，國內外學者也開展了相關研究，張玉春等[13]認為水霧與池火作用過程中，水霧的強化燃燒與抑制燃燒2種機制會同時存在；Jackson等[14]發現水霧對火焰的強化作用主要是具有一定壓力的水霧對燃油產生的揚沸現象；李濤等[15]通過測量火焰的寬度及高度將其量化，將強化作用分為瞬間弱度強化、間斷中度強化及連續強度強化3種程度。

本實驗通過測量火焰面積將強化火焰程度進行量化。取開啟自動噴水滅火系統前5 s內的平均火焰面積為穩定燃燒時的火焰面積，實驗測得汽油和柴油的火焰面積分別1.340 4×105和7.938×104mm2。由于每次實驗測得的火焰面積均有差異，為保證火焰面積變化不受其他條件影響，將其無量綱化。S0表示噴淋開啟前5 s內的平均面積，St表示t時刻的火焰面積(由于油品燃燒時火焰的不穩定性，取t時刻的前后1 s內的平均值作為該時刻的火焰面積)，取二者比值進行無量綱化，如圖5所示。

圖5 火焰面積比隨時間的變化Fig.5 The area of flame changes with time

如圖5(a)所示，由于水噴淋滅火系統不能熄滅汽油火，因此在火焰面積變化方面，隨著時間的增長，3種壓力下的火焰面積變化趨于一致。自動滅火系統滅汽油火初期，火焰面積會增大1.2～1.4倍。在噴射的20 s內，火焰面積不會減小，反而有增加的趨勢，最高可增大到1.8倍。隨著噴射時間增加到40 s，泡沫滅火系統開始抑制火焰的蔓延。前期火焰面積不降反升，可能是由于油盆內泡沫很少，尚不能覆蓋在油層上表面，隨著泡沫的累計至可以在油層上表面形成泡沫膜，如圖6所示。由于窒息作用，火焰面積迅速下降，達到滅火目的。在加入水成膜泡沫液后，其滅火效果也是隨著壓力的增加而變好。同樣，水噴淋及泡沫滅火系統在滅火初期，對柴油火焰也有不同程度的強化作用。從圖5(b)可以看出，隨著壓力的增加，2種系統對于抑制火焰增長的效果越好。而且，泡沫滅火系統對于抑制火焰增長的效果明顯好于水噴淋滅火系統。

圖6 水成膜泡沫液覆蓋油層上表面Fig.6 AFFF liquid covering the oil on the surface

圖7 不同滅火系統下火焰面積隨時間變化Fig.7 Flame area varies with time under different fire extinguishing systems

以開啟滅火系統瞬間為起始時刻(t=0)，t=-5 s表示開啟滅火系統前5 s時刻。不同滅火系統下火焰形態隨時間變化如圖7所示。泡沫滅火系統滅油池火前期火焰面積變化相較與水噴淋趨于一致但更穩定，在開啟一定時間后，火焰面積顯著減小且減小趨勢更加明顯，表明泡沫系統在抑制火焰增長方面體現出較好的效果，但噴水強度及壓力對滅汽油火幾乎沒有影響。

3 結論

1)泡沫滅火系統滅汽油火時間比水噴淋滅火系統縮短了35.3%；對于柴油火而言，0.35，0.48及0.75 MPa 3種壓力下泡沫滅火系統滅火時間比水噴淋滅火系統分別縮短了35.7%，42.9%，66.4%。

2)在降溫冷卻方面，水噴淋滅火系統在滅火初期表現出不穩定性，而泡沫滅火系統在滅油池火的整個過程中幾乎呈穩定下降的趨勢，且隨著壓力及噴水強度的增加而顯著。

3)在噴射水或水成膜泡沫混合液瞬間，均對火焰有強化作用，汽油和柴油火焰的強化比例分別為1.2～1.4和1.5～2.0。對比水噴淋滅火系統，泡沫滅火系統能有效降低火焰面積，增大壓力及噴水強度會有效提高其滅火效果，對水噴淋滅火系統則幾乎沒有影響。

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