高倍泡沫性能組合調節研究*

楊 潔，李玉星，韓 輝

(中國石油大學(華東) 山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，山東 青島 266580)

0 引言

2018年《BP世界能源統計評論》指出[1]，到2040年，天然氣(NG)和電力將占到全部供給源的三分之二。液化工藝具有儲存能量大、常壓儲運的優點，可實現NG的全球可獲得性。預計到21世紀20年代初，液化天然氣(LNG)總量將占據NG運輸總量的一半以上。但LNG一旦泄漏將釋放自身體積600倍NG，故安全問題需特別注意。

研究證實高倍泡沫能有效抑制LNG蒸氣危害[2-4]。GB 50151-2010[5]及NFPA-2016[6]標準規定了高倍泡沫應用時所需的發泡倍數、覆蓋率、覆蓋高度等工藝參數，但在抑制LNG蒸氣擴散方面，標準建議通過實驗確定具體參數。泡沫性能定會影響高倍泡沫的控害效果[8-10]，但少見發泡倍數、穩定性和覆蓋率的關聯性及對控害效果的影響程度與規律的研究。

本文首先分析泡沫抑制LNG蒸氣危害機理，探究泡沫發泡倍數、穩定性、覆蓋率3性能間組合調節的必要性，據3性能兩兩間關系曲線分析3者間關聯性，最后討論操作參數、集泡裝置與階段對3性能的影響程度與規律，為泡沫性能組合調節提供理論數據支持與實現方法，利于研究泡沫性能對LNG蒸氣控害效果的影響。

1 泡沫性能整合調節的必要性

高倍泡沫覆蓋在LNG液池上，產生的阻熱效應可降低由強制對流、熱輻射傳遞給LNG液池的70%的熱量，降低LNG蒸發率[11-13]。蒸氣通過泡沫層時，泡沫中約有92%的熱量用于加熱蒸氣[7]，從而降低蒸氣密度，減小蒸氣在地面的聚集，此為加熱蒸氣效應。但當泡沫與LNG液池接觸時，兩者之間的熱交換導致LNG蒸發加速，此為加速蒸發效應。Zhang等[7]利用風洞測量得到初期此效應傳給LNG液池的熱通量(156 W/m2)為泡沫作用下強制對流降低量的62%，故降低該效應可進一步提高控害效果。阻熱和加速蒸發效應均會影響LNG蒸發率，兩者的綜合效應被稱為覆蓋效應。高倍泡沫抑制LNG蒸氣危害簡化機理模型如圖1所示，圖中橢圓、方形、菱形框分別表示框內效應對抑制危害效應有促進、減弱、未知作用。

圖1 高倍泡沫抑制LNG蒸氣危害機理模型Fig.1 Model of the interaction between HEX and LNG spillage pool

泡沫中水的存在誘發產生了加速蒸發和加熱蒸氣效應[7]，而水的分布和含量與泡沫性能有關：泡沫發泡倍數增大，含水量減小；泡沫穩定性降低，水易外排。加速蒸發效應為水與液池熱交換誘發，加熱蒸氣效應為水與蒸氣熱交換誘發。因此，前期施加發泡倍數大、穩定性高的泡沫；后期施加發泡倍數小、穩定性高的泡沫。迅速建立泡沫覆蓋層需覆蓋率越大越好。

工業泡沫發生器不適于實驗室研究，需自制發生器。操作參數、集泡時間與裝置均會對泡沫性能產生影響[14]。以往研究通過720個參數，分別以3性能為點分析操作參數、集泡裝置與階段對其影響[15-16]。本文將對此進行總結，研究3性能間關聯性、對性能影響的異同，為性能組合調節提供指導與方法。

2 實驗裝置與方案

2.1 實驗裝置

自制安全易操作、準確性高的實驗用泡沫發生器[15-16]。采用3個集泡裝置，第1個為635 L立方容器(840 mm × 840 mm × 900 mm)，第2個與第3個相同，為20 L圓筒(φ320 mm × 300 mm)。

2.2 實驗方案

采用田口方法(見表1)，因素依次標記為：溶液壓力A、進風量B、泡沫原液種類C、噴嘴與發泡網距離D、發泡網層數與網目大小E、噴嘴種類F，水平值如表2所示。因素E水平標記中第1，2個數字分別代表發泡網數和單層網目數大(L)小(S)，水平1網總目數小于水平2。先將泡沫接至第2個集泡裝置中，集滿后導入第1個裝置，泡沫高600 mm時轉入第3個，接滿后轉到第1個，達700 mm高后停加。記錄泡沫上升與下降時高度與對應時間，擬合函數得半高時間(泡沫高度從初始下降到一半所用時間)、泡沫高度的平均增長率來分別表征穩定性、覆蓋率[15]。記錄收集前后集泡裝置質量差被泡沫體積除得發泡倍數。實驗誤差如表3所示。根據集泡裝置編號命名泡沫，如第一個裝置中的泡沫命名為No.1泡沫，以此類推。No.2與No.3 泡沫收集在相同容器(20 L圓筒)中，而No.1收集在635 L立方容器中。最先收集No.2，而后是No.1，最后是No.3。3種泡沫性能對比可反映集泡裝置與階段對泡沫性能的影響規律，研究方案如圖2所示。

表1 泡沫性能研究實驗方案與條件匯總Table 1 Experiment design and conditions to research foam properties

表2 6因素水平對照Table 2 Levels of six factors in the foam properties research

圖2 泡沫性能整合研究方案匯總Fig.2 Sketch of the foam properties research

表3 實驗誤差對照Table 3 Experimentaluncertianties

3 討論與分析

3.1 發泡倍數、穩定性、覆蓋率關系曲線分析

3性能兩兩間關系散點如圖3所示，圖中發泡倍數與穩定性、覆蓋率的關系散點圖分別用實心與空心圈表示。由No.1泡沫發泡倍數與穩定性間關系可得：發泡倍數增大時，泡沫穩定性降低，但兩者相關性較小。由No.2，No.3泡沫發泡倍數與穩定性間關系也能反映上述規律。但由于No.1泡沫與另2種泡沫集泡裝置不同，No.1泡沫發泡倍數、穩定性范圍遠大于另外2種。根據3泡沫發泡倍數與覆蓋率之間的關系可知，發泡倍數與覆蓋率間近似成正比例，但關系曲線斜率不大，即發泡倍數增大較大時，覆蓋率提高較少。用三次、指數、雙指數函數擬合二者之間關系，發現表示擬合曲線與原始數據重合性的數值最高只能達到70%，即兩性能之間的相關性不是很大。

據發泡倍數、半高時間、泡沫高度的平均增長速率與溶液粒徑之間的關系圖可知[16]：溶液粒徑增大，發泡倍數減小，泡沫高度的平均增長率減小，與半高時間關系不大。由此也可看出發，泡倍數與覆蓋率之間存在一定的相關性，但與穩定性之間的相關性不大。

3.2 操作參數、集泡裝置與階段對泡沫性能的影響分析

3.2.1 影響程度綜合分析

發泡倍數、穩定性、覆蓋率依次編號為1#，2#，3#。操作參數、集泡裝置與階段對3性能影響程度排序如表4所示。

圖3 泡沫發泡倍數、半高時間、高度的平均增長率關系Fig.3 Interrelationship between foam, expansion ratio, stability and submergence rate

對大截面集泡裝置長時間接收的泡沫(No.1泡沫)來說，操作參數中對3性能影響最大的均為溶液壓力，影響最小的均為噴嘴種類與風量，操作參數對發泡倍數與覆蓋率的影響程度排序完全一致。發泡網種類、發泡網與噴嘴距離對這2個性能影響程度排序相同均分別位于第2，3位，而對穩定性的則分別為第3,4位；溶液種類對穩定性影響較大位于第2位，對另2個性能影響較弱位于第4位。

表4 發生器自身6大因素對泡沫3性能影響排序Table 4 Influence ranking of operating parameters on foam expansion ratio, stability and submergence rate

對小截面集泡裝置前期接收的泡沫(No.2泡沫)來說，溶液壓力仍為對3個性能影響最大的操作參數，風量影響最弱。沒有一個操作參數對1#(發泡倍數)與3#(覆蓋率)性能影響程度排序相同。溶液種類對2#(穩定性)與3#(覆蓋率)性能影響程度相同位于第4位，對1#性能(覆蓋率)影響位于第3位；發泡網與噴嘴距離、噴嘴種類對1#與2#性能影響程度排序一致，均分別為第2，5位，而對3#(覆蓋率)性能的影響排序則顛倒。發泡網種類對3#，2#，1#性能的影響排序從第2位依次降至第4位。

對小截面集泡裝置后期接收的泡沫(No.3泡沫)來說，對3個性能影響最大的操作參數仍為溶液壓力，但影響最小的操作參數并不固定。除此只有發泡網種類對1#(發泡倍數)與3#(覆蓋率)性能影響程度排序相同，均位于第2位，但對2#(穩定性)性能影響最小；發泡網與噴嘴距離對1#，2#性能影響程度排序相同均位于第4位，對覆蓋率(3#)的影響位于第5位；溶液種類、風量對1#，2#性能影響程度排序接近，分別位于中等偏前以及中等偏后，而對3#(覆蓋率)性能的影響排序則顛倒；噴嘴種類對2#，3#，1#性能的影響分別位于第3，4，5位。

衡量泡沫穩定性、覆蓋率的參數分別是半高時間、泡沫高度的平均增長速率。發泡倍數是待測泡沫體積除以待測泡沫質量，半高時間是待測泡沫高度下降達到初始高度一半的時間，泡沫高度的平均增長速率是待測泡沫高度除以所用時間。對每種泡沫的16個實驗來說，No.1泡沫待測泡沫高度均為700 mm，容器截面積不變；No.2與No.3這2種泡沫待測泡沫高度均為300 mm，容器截面積不變。即3種泡沫計算發泡倍數時，每種泡沫16個實驗所用泡沫體積相同。則發泡倍數為待測泡沫質量的倒數乘以固定數值，半高時間為泡沫下降到固定數值高度所用時間，泡沫高度的平均增長速率為待測泡沫高度達到相同預定值所用時間的倒數。

由此可知，忽略液膜厚度變化以及未發泡液體的外噴，發泡倍數與泡沫大小、泡沫穩定性有關：泡沫越大，穩定性越高，發泡倍數也就越大，但更多受泡沫大小的影響；泡沫高度的平均增長速率則與發泡倍數、發泡速度有關。對No.1泡沫來說，操作參數對發泡倍數與覆蓋率的影響程度排序相同，對No.2，No.3泡沫來說，操作參數對發泡倍數與覆蓋率的影響存在差別，可能因操作參數對No.2，No.3泡沫的發泡速度影響不同所致。發泡網種類對No.2泡沫發泡倍數、穩定性、覆蓋率的影響分別位于第4，3，2位，應是發泡網種類對泡沫大小的影響與對穩定性的影響相反或者微弱導致對起泡速度影響較大。

3.2.2 影響規律綜合分析

據操作參數、集泡裝置與階段對泡沫發泡倍數、穩定性、覆蓋率的影響規律分析可知，操作參數對泡沫發泡倍數、穩定性、覆蓋率的影響規律有3類，編號1代表性能指標值隨因素值增大而減小；編號2代表性能指標值隨因素值增大而增大；編號(3，C)代表以因素值C為界，C前性能指標值隨因素值增大而增大，C后隨因素值增大而減小，具體影響規律見表5。

表5 發生器自身因素對3性能影響規律匯總Table 5 Influence regularity of the operating parameters on the three foam properties

1)對大截面集泡裝置長時間接收的泡沫(No.1泡沫)來說：①只有風量和發泡網與噴嘴距離對泡沫發泡倍數、穩定性、覆蓋率影響規律相同，3性能均隨風量增大而減小，隨發泡網與噴嘴距離增大而增大。②除噴嘴種類外，其他操作參數對發泡倍數、穩定性的影響規律相同。大流量噴嘴可提高泡沫的覆蓋率、穩定性，卻會降低泡沫的發泡倍數，應是由于大流量噴嘴大大提高了發泡率與泡沫穩定性，卻減小了泡沫尺寸。根據3.2.1分析可知，噴嘴種類對泡沫發泡倍數、穩定性、覆蓋率的影響程度不大。③雖然溶液壓力增大提高了發泡倍數與泡沫覆蓋率，但是當溶液壓力超過0.06 MPa后，溶液壓力再增大會使泡沫的穩定性降低。即0.06 MPa 以后，泡沫發泡倍數的增大應該是由于泡沫尺寸增大所致。

2)對小截面集泡裝置前期接收的泡沫(No.2泡沫)來說：①操作參數中只有發泡網種類對3個性能影響規律相同。除此之外，只有溶液種類對發泡倍數、覆蓋率影響規律相同：3%G比6%G泡沫原液下生成的泡沫具有更高的發泡倍數與覆蓋率，但是泡沫穩定性更低。②風量、噴嘴種類對穩定性、覆蓋率的影響規律相同，風量增大泡沫穩定性、覆蓋率降低，但是發泡倍數提高，即泡沫體積雖增大，起泡速度卻降低了；大流量噴嘴利于獲得高穩定性、高覆蓋率的泡沫，但卻降低發泡倍數。③溶液壓力增大可以增大發泡倍數和覆蓋率，但是卻降低了泡沫穩定性，但當溶液壓力大于0.1MPa時，溶液壓力增大覆蓋率降低。

3)對小截面集泡裝置后期接收的泡沫(No.3泡沫)來說：①只有風量、發泡網與噴嘴距離對泡沫發泡倍數、穩定性、覆蓋率影響規律一致。②除了噴嘴種類其他因素對泡沫發泡倍數、覆蓋率影響規律相同，而且這些因素對發泡倍數、覆蓋率的影響規律與對穩定性的影響規律相反。③大流量噴嘴可提高穩定性與覆蓋率，但是卻降低發泡倍數。總體來說，多數情況下，除了風量、溶液種類，其他因素取值增大，泡沫發泡倍數、穩定性、覆蓋率均隨之增大。此外，多數情況下，小截面集泡裝置后期接收的泡沫(No.3)與大截面集泡裝置長時間接收的泡沫(No.1)發泡倍數、穩定性、覆蓋率表現出相同的規律。

4 結論

1)發泡倍數與覆蓋率之間近似成正比例關系，用三次、指數、雙指數函數進行擬合所得曲線與原始數據重合度最高只能達到70%，兩性能間相關性不是很大；發泡倍數增大較大時，覆蓋率只是提高少許。發泡倍數與穩定性之間的相關性較小。

2)操作參數中，溶液壓力對發泡倍數、穩定性、覆蓋率的影響始終最大。對小截面集泡裝置前期接收的泡沫來說，溶液壓力過高，覆蓋率下降；溶液壓力較低時，對大截面集泡裝置長時間接收的泡沫來說，提高溶液壓力可提高穩定性，但呈現此規律的溶液壓力變化范圍很小。其他情況下溶液壓力越大，越能非常明顯地提高發泡倍數、覆蓋率，但降低穩定性。

3)風量對發泡倍數、穩定性、覆蓋率的影響微弱，影響程度基本位于后兩位。

4)調節泡沫性能時，除了溶液壓力的影響，還需注意溶液種類對小截面集泡裝置中泡沫穩定性的影響、發泡網種類對各種工況下泡沫穩定性的影響、發泡網與噴嘴距離對小截面集泡裝置前期接收泡沫的發泡倍數與穩定性的影響。