壓縮空氣泡沫撲救大型油類火災全尺寸實驗研究*

何 坤,徐林志，陸兆勇，徐學軍，鄧錫中,廖克斌，韓 月，楊志立，程旭東

(1.中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230026；2.廣東瑞霖特種設備制造有限公司，廣東 肇慶 526108；3.廣西消防救援總隊，廣西 南寧 530201； 4.南寧消防救援支隊，廣西 南寧 530028)

0 引言

近年來，我國石油儲量不斷增加，石油儲罐趨于大型化和密集化，國內儲罐最大單罐容量可達15萬m3[1]。然而，石油儲罐區一旦發生火災，火勢蔓延迅速，極易引發大面積火災，而且滅火救援難度大，造成的經濟損失重大。目前常用的滅火手段是使用負壓式低倍泡沫滅火系統[2]，但是其泡沫噴射距離近，需要在火場近距離條件下使用。而且，由于火災高溫、爆炸等原因，部分泡沫釋放裝置存在被破壞的風險[2-3]。

壓縮空氣泡沫系統(Compressed Air Foam System，CAFS)是近年來逐步發展起來的新型泡沫產生系統，采用正壓式主動送入氣體的混合方式[4]，泡沫噴射距離明顯提高，而且泡沫混合更加均勻，可以連接消防傳統直流水槍、水炮等基于水系統的移動式噴射器具進行滅火[5-6]。前人針對壓縮空氣泡沫系統的滅火有效性與應用策略開展一系列研究工作。Kim等[7-9]較早地開展大量工程性B類火滅火實驗，發現在總用水量以及抗復燃時間方面，壓縮空氣泡沫滅火系統優于水噴淋滅火系統以及傳統負壓式泡沫滅火系統。針對水溶性液體火災，包志明等[10]開展壓縮空氣泡沫系統的油盤火實驗，結果表明抗溶泡沫滅火劑在壓縮空氣泡沫系統中使用時具有優異的抑制水溶液性液體火的性能。陳濤等[11]通過實驗研究壓縮空氣泡沫系統對汽油池火滅火效果。陸強等[12]通過小型油罐火災滅火實驗，驗證壓縮空氣泡沫系統用于液上噴射技術的可行性和有效性。郎需慶等[13]通過全液面油池火滅火實驗，分析壓縮空氣泡沫在油面的延展速度以及泡沫混合液的供給強度對滅火有效性的影響。Wang等[14]通過小尺度實驗并結合理論法分析研究壓縮氣體泡沫抑制正庚烷油罐火蒸發與熄滅火焰機理。李世環[15]根據壓縮空氣泡沫的特點探討壓縮空氣泡沫滅火系統在石油化工儲罐消防安全中的應用問題。

由此可見，壓縮空氣泡沫在撲救油池火的有效性方面已經得到驗證，但是前人開展的研究往往針對小尺度火災，而且常常使用固定式噴射裝置，滅火距離較近，目前對大尺度油池火災的滅火效能尚不清楚。因此，本文從消防滅火作戰的角度出發，開展225 m2和450 m2大尺度油池火災滅火實驗，考慮消防滅火作戰人員的安全需求，探索采用正壓式大流量壓縮空氣泡沫系統搭配移動式舉高滅火機器人遠距離滅火的可行性，確定滅火距離、泡沫液和水的消耗量等關鍵參數，以期提升大型油池火災的撲救能力。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

滅火實驗使用1套大流量固定式壓縮空氣泡沫系統，結合2輛15 m舉高消防機器人，系統最大混合液供給流量超過3 900 L/min。甲醇油池火滅火實驗采用濃度為6%的抗溶水成膜泡沫液，重油油池火滅火實驗使用濃度為3%的水成膜泡沫液。

重油油池長30 m，寬15 m，高1.2 m；甲醇油池長15 m，寬15 m，高1.2 m。如圖1所示，機器人沿著重油油池長邊布置，距離重油油池邊緣的距離約為29 m，距離甲醇油池的距離分別約為35 m和39 m。為實時測量滅火過程中的油池上方和油溫變化，在油池4個邊角和中心位置處分別布置5個熱電偶樹，每個熱電偶樹布置2根直徑為2 mm的K型鎧裝熱電偶，2根熱電偶距離油池底部的高度分別為2 cm和1 m，測溫范圍0～1 300 ℃。此外，為綜合評估油池附近的安全，分別在距離重油油池邊緣12，16，20，25 m處布置GTT-25-100水冷式輻射熱流計(量程為0～100 kW/m2)，熱流計距離地面1.5 m高，豎直面向火源。甲醇油池火滅火實驗則布置3個熱流計，熱流計的水平位置距離油池為5，10，15 m。實驗中，使用7018模塊進行采集，采集時間間隔為1 s。另外，使用無人機攜帶高清DV對實驗現象實時記錄。實驗中采用手持風速儀對環境風速進行測量，其中重油油池火實驗時為北風，風速為1.9～3.3 m/s；甲醇實驗時為東南風，風速為1.7～2.7 m/s。

圖1 全尺寸油池火災實驗布置示意Fig.1 Schematic diagram for layout of full-scale oil pool fire experiments

1.2 實驗方法與步驟

實驗時在油池中添加足夠的燃料，保證燃料的穩定燃燒時間遠大于滅火時間。在225 m2的油池內添加甲醇10 t；450 m2油池內添加重油30 t，并在重油油池中添加1 t汽油作為引燃劑。為使燃料充分燃燒，甲醇點火后3 min后開始滅火；考慮到重油達到猛烈燃燒階段需要較長時間，點火后油池充分燃燒10 min時開始噴射壓縮空氣泡沫滅火。實驗主要采用濕泡沫進行滅火，系統設置的氣液比為6∶1，點火前10 min開啟數據測量系統記錄數據。

2 實驗結果

2.1 壓縮空氣泡沫撲救大型油池火滅火過程

泡沫撲救油類火災主要基于窒息和冷卻，當泡沫施加到燃料表面時，能形成泡沫覆蓋層阻止氧氣，并且阻斷火焰與覆蓋層下方燃料的直接接觸，降低覆蓋層下方的燃料蒸發速率[16]；而泡沫中的水分不僅可以起到冷卻作用，汽化后的水蒸氣也能起到稀釋氧氣的作用。大型油池火災的高溫火焰會對泡沫產生破壞，因此當泡沫的施加速率大于泡沫破壞速率，并逐漸形成穩定的泡沫層時，才能最終實現滅火。

大尺度油池火滅火過程相似，以重油油池火為例，現場典型時刻如圖2所示。點火后由于重油表面有汽油作為引燃劑，火焰迅速蔓延，很快進入全液面燃燒階段，如圖2(b)所示。此時不同位置處油池底部上方1 m處溫度在1 000 ℃左右，如圖3(a)所示。在點火后8 min左右，溫度不再繼續升高，說明此時基本進入充分燃燒階段，并且由于環境風的影響，火焰向3號和4號位置一側傾斜，因此3號和4號位置的溫度較高，最高溫度達1 300 ℃，此時開啟壓縮空氣泡沫系統調試系統氣液比、混合比等參數。在點火后10 min時，調整2輛機器人攜帶的消防水炮角度，開始集中向油池1號位置處噴射壓縮空氣泡沫進行滅火。隨著泡沫的逐漸施加，15 s時在1號位置附近形成局部穩定的泡沫層，如圖2(c)所示，此時的1號和2號位置處的溫度迅速下降。隨著泡沫的進一步施加，泡沫覆蓋層逐漸擴大，調整消防機器人攜帶的消防水炮角度沿著泡沫與火焰的交接處向燃燒區域逐步推進，油面的燃燒區域逐漸縮小，油池中心、3號和4號位置處的溫度逐漸降低，最終在130 s時實現完全滅火。

圖2 全尺寸重油滅火現場典型時刻Fig.2 Typical moments of full-scale heavy oil fire extinguishing scene

圖3 不同位置油池底部上方1 m處溫度變化曲線Fig.3 Temperature variation curves of different positions at 1 m above oil pool bottom

圖3(b)為225 m2甲醇油池底部上方1 m處溫度變化曲線，實驗過程油池中心位置處的熱電偶損壞，未記錄到數據。點火后，溫度逐漸趨于穩定，由于甲醇熱值較低，最高溫度達到900 ℃。在點燃3 min時，向4號位置附近噴射泡沫，4號位置的溫度率先開始降低，隨著泡沫的進一步施加，泡沫覆蓋層逐漸擴大，2號、1號和3號位置處的溫度依次逐漸降低，最終在231 s時實現完全滅火，油池上方的溫度降為常溫。

2.2 遠距離滅火效能及泡沫液和水消耗量

正壓式壓縮空氣泡沫系統使用專用的混合室混合，具有混合更加均勻、泡沫噴射距離遠的特點[5-6]。然而需要注意，壓縮空氣泡沫噴射后壓縮空氣恢復常壓，泡沫體積膨脹導致泡沫密度降低，與小型油池火不同，大型油池火災火源上方存在強烈的浮力，高溫的火焰也會加劇破壞泡沫，能否有效穿過火焰到達燃料表面需要進一步驗證，尤其針對遠距離滅火。

實驗采用氣液比例為6∶1的濕泡沫，冷噴實驗(沒有滅火)時，這種濕泡沫的最遠射程超過60 m。在滅火實驗時，由前文分析可知，2個機器人距離重油油池邊緣29 m處時可以有效地把泡沫噴射到油池內，且滅火速度快、時間短；當機器人與油池邊緣的距離分別增加到35 m和39 m時，雖然可以撲滅火災，但是其滅火時間顯著增加，導致225 m2甲醇油池滅火時間(231 s)比450 m2的重油油池滅火時間更長(130 s)。上述分析說明，高溫火羽流破壞作用導致泡沫不能有完全有效噴射到油池內，致使滅火效能降低。針對氣液比更大的壓縮空氣泡沫，其泡沫密度更小，有效滅火距離需要進一步開展實驗驗證。

考慮到遠距離噴射滅火過程中泡沫不能完全進入油池，對于225 m2甲醇滅火實驗，滅火階段系統泡沫混合液的平均流量約為3 600 L/min，滅火用時231 s，在滅火階段分別消耗6%抗溶水成膜泡沫液808 L和水12 962 L；對于450 m2的重油油池火，滅火階段泡沫混合液的平均流量約為3 900 L/min，滅火用時130 s，在滅火階段分別消耗3%水成膜泡沫液273 L和水8 233 L。不同階段泡沫液與水的消耗量如表1所示。需要注意的是，在調試壓縮空氣泡沫系統階段也消耗一定量的泡沫液和水，這部分包含壓縮空氣泡沫在管道內的填充，在滅火作戰中也需要充分考慮這一部分的消耗量。

表1 不同階段泡沫液與水的消耗量Table 1 Consumption amounts of foam liquid and water at different stages

2.3 燃料溫度以及油池周圍輻射變化

火焰的熱反饋決定油池的燃料溫度和蒸發速度。圖4(a)為重油油池不同位置處液面下方溫度變化情況，實驗中1號和3號熱電偶損壞，沒有測量到數據。首先，隨著燃燒的進行，來自火焰的熱反饋不斷加熱重油導致油面加熱層油溫升高，燃料的蒸發速率增加，而且由于燃燒的消耗液面高度逐漸下降，測量點距離液面逐漸變小，導致測量溫度逐漸升高。本次實驗油池底面有一定坡度，4號位置處地勢最低，在噴射滅火前2號位置和油池中心處的熱電偶由于液面的持續下降，逐漸暴露在油面以上，溫度逐漸接近700 ℃；而4號位置較低，液面下熱電偶逐漸進入到油面附近的加熱層，因此溫度處于“準穩定階段”，接近300 ℃。開始噴射泡沫后，由于2號位置距離泡沫施加點最近，其重油溫度迅速降低至100 ℃以下，說明壓縮空氣泡沫對于降低重油的溫度具有很好的效果，這主要是由于濕泡沫中的含水量大，從而達到冷卻作用，而且由于泡沫對熱輻射的遮擋，泡沫覆蓋區的溫度遠遠低于燃燒區的燃料溫度。隨著泡沫的不斷施加，中心位置和4號位置的溫差也相繼迅速降低，在130 s時整個油池溫差降低至100 ℃以下。

圖4 不同位置油池底部上方2 cm處溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curves of different position at 2 cm above oil pool bottom

圖4(b)是甲醇油池不同位置處液面下方溫度隨時間的變化。在噴射泡沫滅火前，1號位置地勢較高，由于液面的持續下降，1號位置距離液面更近，導致測量溫度逐漸升高，其他位置位于液面下，溫度較低。由于距離較遠，泡沫滅火時間相對較長，燃料逐漸消耗，在初始滅火階段熱電偶測量的溫度逐漸升高，隨著泡沫的不斷施加，完全滅火時甲醇的溫度降低到50 ℃以下。

熱輻射對人體和設備的危害如表2所示[17]。圖5(a)是距離重油油池邊緣不同水平距離人員1.5 m高度處的輻射熱變化，可以看出距離油池邊緣水平距離12 m人員的輻射熱通量最大超過8 kW/m2。考慮一定安全余量，在消防滅火救援中消防人員能夠承受的輻射熱通量約為5 kW/m2[18]，因此一定的安全滅火距離是必要的。本文采用的大流量壓縮空氣泡沫系統搭配的2輛舉高消防機器人在距離油池邊緣29 m處，可以把泡沫噴射到油池內，有效降低火場附近的輻射強度，同時避免消防人員近距離滅火作戰。圖5(b)為距離甲醇油池邊緣不同水平距離人員1.5 m高度處的輻射熱變化。可以發現，與重油相比，甲醇火災中的輻射相對較弱，距離油池邊緣水平距離5 m處人員高度處的輻射熱通量最大接近6 kW/m2；而距離油池邊緣10 m處輻射熱通量最大約為2.5 kW/m2。

表2 熱輻射對人員和設備的危害Table 2 Hazards of thermal radiation to personnel and equipments

圖5 油池附近1.5 m高度處熱輻射變化Fig.5 Variation of thermal radiation at 1.5 m height near oil pool

3 結論

1)采用大流量正壓式壓縮空氣泡沫系統搭配舉高消防滅火機器人可以實現遠距離有效撲救大尺度油池火災，壓縮空氣泡沫的施加可以有效降低火場溫度和火場附近的輻射強度，同時由于濕泡沫含有大量水分，可以迅速降低油池內燃料的溫度。

2)隨著噴射裝置與油池距離的增加，滅火效能逐漸降低。對于氣液比6∶1的濕泡沫，在滅火距離為29 m和泡沫混合液供給流量為3 900 L/min條件下撲救450 m2全尺寸方形重油火災的滅火時間為130 s，滅火階段的用水量和3%水成膜泡沫液用量分別為8 233 L和273 L；當滅火距離超過35 m時滅火效能明顯下降，泡沫混合液供給流量為3 600 L/min條件下撲救225 m2全尺寸方形甲醇火災的滅火時間為231 s。

3)大尺度重油火場附近的輻射強度高，消防人員近距離滅火作戰則存在一定安全風險。本文基于正壓式大流量壓縮空氣泡沫系統結合舉高消防滅火機器人遠距離噴射壓縮空氣泡沫的滅火方式可以為今后消防滅火作戰新策略提供數據參考。