超大型油罐火灾分区灭火方案及实验验证
田逢时1,2, 薛冉3, 郑昕1, 康青春2,4    
1. 清华大学 工程物理系, 公共安全研究院, 北京城市综合应急科学重点实验室, 北京 100084;
2. 中国人民警察大学, 廊坊 065000;
3. 廊坊师范学院 电子信息工程学院, 廊坊 065000;
4. 常州大学, 常州 213000
摘要:现有超大型油罐密封圈初期火灾采用完全填充方式进行灭火,绝大部分泡沫覆盖了未燃烧区域,造成有效供给量不足。为提高灭火效率,节约泡沫用量,该文在不改变现有油罐结构和灭火系统基础上,提出了一种超大型油罐火灾分区灭火方案。为验证方案的有效性,设计搭建了环形油盘装置和小型外浮顶油盘实验装置,对泡沫流动性和分区灭火有效性进行实验研究,并重点对比分析了分区条件下的泡沫有效覆盖时间、泡沫用量、灭火时间等参数,探讨了分区之间预留缝隙对泡沫流动的影响。结果表明:不同区域泡沫溢出量与缝隙宽度直接相关,与油盘的形状、大小等参数无关;在实验范围内,火灾载荷对有效覆盖时间影响较小。从灭火时间来看,分区灭火所用时间比未分区的灭火时间有所缩短。从泡沫用量来看,分区灭火方式的泡沫节约量超过60%。在扑灭3 m直径油罐火灾实验中,实验结论与环状油盘实验得出的结果一致,说明分区灭火优势与油罐大小并无明显关联,分区灭火方案具有推广至超大型油罐的应用前景。
关键词超大型油罐    分区灭火    火灾    安全    
Partitioned fire control of very large oil tank fires
TIAN Fengshi1,2, XUE Ran3, ZHENG Xin1, KANG Qingchun2,4    
1. Beijing Key Laboratory of City Integrated Emergency Response Science, Institute of Public Safety Research, Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. China People's Police University, Langfang 065000, China;
3. College of Electronic Information Engineering, Langfang Normal University, Langfang 065000, China;
4. Changzhou University, Changzhou 213000, China
Abstract: Fires in very large oil tanks are suppressed by injecting foam into the annular seal ring around the top until the ring is completely filled with foam. However, most of the foam ends up on the unburned area which does not control the fire and results in insufficient supply to the fire region. This paper presents a partition fire extinguishing plan for very large oil tanks that is more efficient and reduces foam use without changing the existing oil tank structure or the fire control system. The scheme was evaluated using an annular oil pan and a small external floating roof oil pan for experimental research on the foam fluidity and partitioned fire control. The results compare the effective covering time, the amount of foam and the fire control time. The results show that the foam spillover into different regions is directly related to the gap width and is not related to the oil pan shape and size. The results also show that the fire control time is shorter when using partitioned areas rather than the unpartitioned design. The partitioned fire control method then reduces the foam use by more than 60%. Experiments with a 3 m diameter oil tank fire are consistent with the results of the annular oil pan experiment, which shows that the advantages of zonal fire control are not related to the tank size and that the partitioned fire control scheme can be applied to very large oil tanks.
Key words: very large oil tanks    partitioned fire control    fire    safety    

近年来,石油已经成为当今世界的主要能源之一,油罐大型化已成为发展的必然趋势[1]。截至2018年8月, 中国已经建成了1 200多座超大型油罐(≥10×104 m3),形成了多个战略油品储备基地[2]。这些超大型油罐一旦发生大规模火灾,极有可能造成重特大安全生产事故[3]。1950—2003年,世界范围内共发生480余起石油储罐火灾事故,其中密封圈火灾占统计事故的88.7%[4]。相关研究表明,大型油罐最主要的火灾形式仍是密封圈火灾[5-7]。因此,有效控制和成功扑救大型油罐的密封圈火灾已成为当前储油罐区消防安全研究中的首要问题。

油罐区现有泡沫灭火系统采用全淹没泡沫填充的灭火方式[8]。无论着火位置在何处,无论初期火势大小,都会启动所有泡沫发生器进行泡沫喷射,泡沫流至浮盘的泡沫堰板与挡雨板之间的环形空间内,沿环形空间向两侧流动。待泡沫相互汇集并形成具有一定厚度的泡沫层后,才能进行有效覆盖,进而扑灭密封圈火灾[9]。但这种方式随着储罐容积的不断增加(密封圈区域面积随之增加),灭火效率逐渐降低,在淹没时间上存在一定的局限性[10],即不能及时扑灭密封圈火灾。文[11-12]对原油罐区泡沫灭火系统设计现状进行调查,均发现了泡沫液罐的设计容积不足、泡沫到达最不利着火点时间长、灭火过程中泡沫损耗量大等诸多问题。对于超大型油罐公称容积通常在10×104 m3数量级,油罐环状密封圈的面积很大,采用完全填充时,需要的泡沫供给量较大,同时绝大部分泡沫灭火剂覆盖了未燃烧区域,并未起到实际的密封效果,造成了泡沫的巨大浪费。另一方面,覆盖区域大直接导致泡沫对保护对象的淹没时间长[13]。以10×104 m3的超大型浮顶油罐为例,泡沫在该环形空间的汇集至少需要9 min[8],从某油罐区的现场测试看,消防泵启动到泡沫液完全淹没的时间为12 min[14],在这段期间极易造成火灾的扩大,错过最佳灭火时机。

近年来,国内外的研究工作多集中在新型灭火系统、新型灭火剂研发等方面。文[14-16]提出使用压缩空气泡沫(compressed air foam, CAF)灭火系统或大功率灭火设备保护大型石油储罐,Degaev等[17]提出了从浮顶储罐底部注入泡沫灭火剂的灭火方式,Wang等[18]设计了一种外浮顶罐密封圈火灾快速灭火装置。但以上方案的泡沫产生装置、配套设备、输送管路等均需更换和重新设计,投入成本较高且无法在已建成油罐区推广。

本文结合密封圈区域空间特点以及初期火灾发展规律,提出了超大型油罐密封圈分区的灭火方案,即对密封圈区域进行合理划分,在保障可靠性的基础上,实现高效灭火。随后采用理论分析和实验研究方法,具体对比分析了分区对泡沫有效覆盖时间、灭火时间、泡沫用量等参数的影响。

1 超大型油罐分区灭火系统

密封圈火灾控制不及时,极易发展成全表面火灾,造成灾难性后果。为了提升泡沫的覆盖速度,节约泡沫用量,实现精准高效灭火,本文提出了超大型油罐分区灭火系统,即对环形密封圈附近环形区域进行合理分区,根据分区设置自动报警系统和泡沫灭火系统,实现分区内联动,快速灭火效果,如图 1所示。本文以10×104 m3超大型油罐作为分析对象,将浮顶泡沫堰板与罐壁之间的环形空间划分不同防火区域。

图 1 超大型油罐分区灭火系统示意图

区域划分的依据:GB50151—2010《泡沫灭火系统设计规范》[19]规定,储油罐宜选用同规格的泡沫产生器,且应沿罐周均匀布置。10×104 m3超大型油罐上共安装12个泡沫发生器,为了方便说明分区的优势,初步将密封圈周围划分为4个灭火区域。近年来,超大型油罐定点报警技术逐渐被广泛应用到罐区[2],分区灭火技术将浮顶分为4个区域,即每3个泡沫发生器为1组,可设置1个阀门进行控制,与分区检测光纤光栅火灾报警系统分区对应,配套使用,为火灾定点报警与分区灭火联动控制提供支撑[20-21]

本文自行设计加工了环状油盘、圆形油盘和小型油罐,进行泡沫流动性测试实验,通过加注不同火灾荷载燃料进行分区灭火对比实验,以10×104 m3超大型油罐为例,对实验结果进行实例验证计算分析。

2 实验方法 2.1 燃烧装置设计 2.1.1 油盘装置设计

为验证超大型油罐分区灭火的合理性,自行设计、加工了一套实验装置,如图 2所示。实验装置分别采用环状油盘和圆形油盘,油盘的规格参数及实验用途如表 1所示。

图 2 实验装置示意图

表 1 油盘规格参数及实验用途
名称 直径D/mm 油盘壁深度h/mm 用途
环状油盘 外径D1=2 500
内径D2=1 800
外壁h1=400
内壁h2=300
泡沫流动性实验
分区灭火实验
圆形油盘 1 500 180 泡沫流动性对比实验

为实现分区,环状油盘需要在泡沫堰板与罐壁之间的环形空间安装阻止泡沫流动的挡板,以实现泡沫在单个区域的迅速堆积。按照分区方案设计了4片可移动式钢制挡板,挡板安装后将环状油盘划分为4个区域,模拟分区灭火的实际工况,挡板拆下后即可模拟真实油罐泡沫堰板与挡雨板之间的环形区域。

2.1.2 泡沫挡板装置设计

分区挡板要穿过二次密封装置支撑板(挡雨板),如果与罐壁间进行焊接将导致浮顶无法浮动。在不进行焊接的情况下,如果金属挡板与罐壁接触,随着浮顶的上下浮动,很可能因摩擦产生火花,因此挡板与油罐壁间需要留有一定缝隙。如果挡板与罐壁间缝隙过大,会造成火灾初期大量泡沫流向其他分区,无法起到预期效果。如果缝隙过小,一旦发生大面积燃烧,启动所有分区泡沫发生器工作时,各分区灭火泡沫将无法形成闭合。因此,挡板与罐壁间所留缝隙的取值,需要进一步结合实验进行确定。通常为了保证灭火,泡沫覆盖厚度一般不小于100 mm[22]。实验中,通过预留挡板与油盘壁的缝隙,喷射泡沫灭火剂达到或超过100 mm厚度后,测定泡沫能够从缝隙中流出时的缝隙尺寸。

2.1.3 点火装置设计

将超大型油罐浮顶结构进行简化,在环状平面开口,开口位置焊接钢制环状槽,环状槽高度可调。将点火容器垂直置于开口正下方,根据不同点火容器规格,使用双层可滑动盖板调节环状槽平面开口空间,从而模拟真实油罐因雷击等情况将挡雨板炸开形成的不同开口面积。如果向点火容器内加注燃油后点燃,火焰可通过开口喷出,使用泡沫喷射装置将泡沫喷射至油盘壁后流下,堆积至一定高度后,即可从开口位置流入点火容器灭火。

2.2 灭火系统设计

为模拟油罐区离心泵工况,本实验装置采用消防手抬机动泵进行动力供给与输出。参考GB/T 15308-2006《泡沫灭火剂》[23]制作4支标准泡沫喷枪喷射低倍数泡沫灭火剂,口径Φ15 mm,通过阀门开关可调节流量大小,选用水成膜和氟蛋白泡沫2类灭火剂进行对比实验。灭火系统设计示意图如图 2所示。

2.3 测试系统设计

设计直径3 m、高1.5 m的外浮顶油罐,设置挡雨板密封装置,密封圈宽度150 mm,泡沫堰板与挡雨板之间的距离为300 mm。浮盘下可加注燃油。泡沫堰板高度为300 mm,根据分区方案将环状区域分为4个区域,用挡板进行分割。挡板设置为可拆卸式,可在任意位置安装,以便完成对比实验。泡沫喷射装置使用四川捷晟制造有限责任公司加工生产的PT0.7型泡沫喷头,流量为1 L/s。泡沫喷射装置沿罐壁一周均匀布置4个,通过远程控制电磁阀,可实现任意一个喷射装置的启停动作,如图 3所示。

图 3 分区灭火测试平台实物图

2.4 实验测定 2.4.1 泡沫流动特性测定实验

选用环形油盘,用挡板将环形区域等分成4个分区。保持油门位置不变,电动启动手抬机动泵,使用单支泡沫标准枪喷射泡沫至环状油盘一个区域,通过改变泡沫挡板与环状油盘壁之间的缝隙大小,测定对应的泡沫流动性、泡沫覆盖高度等因素间的相互变化关系。完成一组实验后,更换圆形油盘进行对比实验。

2.4.2 分区灭火实验

本文设计了2种不同火灾荷载大小的点火容器,使用点火容器1(开口面积0.15 m2)进行实验。将点火容器1放在环状油盘开口正下方并保持水平,加入清水,水层厚度达到20 mm。将标准泡沫枪沿4个分区均匀布置,使泡沫射流的中心可喷射至环状油盘内壁并可沿盘壁流下,加入燃油保证油层深度40 mm。加注燃料1 min后点燃,预燃55 s,启动消防手抬机动泵,5 s后标准泡沫枪的喷射达到稳定状态,4只枪同时开始向环状油盘施加泡沫。泡沫覆盖至油盘火焰完全熄灭后视为灭火成功,记录灭火时间、泡沫流量、灭火后测量泡沫覆盖高度等数据。更换点火容器2(开口面积0.55 m2)进行重复实验。安装分区挡板,对应着火分区出单泡沫枪进行灭火对比实验。

故本文共进行5组实验,分别为:

1) 使用环状油盘进行泡沫流动性测试实验;

2) 使用圆形油盘进行泡沫流动性对比实验;

3) 使用环状油盘和点火容器1进行分区/未分区灭火对比实验(简称环状1);

4) 使用环状油盘和点火容器2进行分区/未分区灭火对比实验(简称环状2);

5) 使用直径为3 m的自制外浮顶油罐测试平台进行验证实验(简称小型油罐)。

3 实验结果与讨论 3.1 泡沫流动性实验结果分析

使用环状油盘进行泡沫流动性测试,3次重复实验结果如表 2所示。

表 2 环状油盘泡沫流动性
泡沫灭火剂 预留缝隙/mm 堆积高度/mm 实验结果
1 2 3
水成膜 40 135 140 145 极少量流出
水成膜 70 135 140 145 较大量流出
氟蛋白 9 135 140 145 基本不流出
氟蛋白 19 135 140 145 基本不流出
氟蛋白 29 135 140 145 基本不流出
氟蛋白 30 100 100 120 较大量流出

更换圆形油盘进行对比实验,3次重复实验结果如表 3所示。

表 3 圆形油盘泡沫流动性
泡沫灭火剂 预留缝隙/mm 堆积高度/mm 实验结果
1 2 3
水成膜 40 135 140 145 极少量流出
水成膜 70 135 140 145 较大量流出

实验结果表明,在环状区域内人为设置挡板后,针对不同种类泡沫,通过调整至适当缝隙大小,可将90% 以上的泡沫挡在本区域内。在真实超大型油罐安装时,考虑到挡板与浮盘边缘接触可能因摩擦而引起静电,可在挡板与罐壁之间留有一定缝隙,该方式的优势体现在:1) 可以避免挡板与浮盘边缘接触,从而不会产生静电。2) 在实际灭火中,一旦火势迅速扩大,分区灭火失败,随着泡沫堆积到一定厚度以后,泡沫会经过缝隙流向其他区域。在最不利的情况下,一旦形成全面积火灾,可在全部泡沫发生器开启后,4个区域所产生的泡沫达到一定高度后,汇合形成全表面泡沫液面。

文[24]的实验结果表明:温度对泡沫灭火剂的发泡倍数、析液时间及表面张力存在一定影响,但对泡沫灭火剂的流动性影响不大。本文在此基础上增加了挡板,通过多组对比实验可以发现,在室外温度为3 ℃和18 ℃的情况下,实验结果几乎相同。因此,温度和缝隙大小对泡沫流动性的影响较小。当喷射器具喷射方向改变或泡沫喷射过程有较强风力等因素影响时,结果有所不同。当更换不同种泡沫后,由于泡沫本身表面张力不同,实验结果有所不同,但通过对目前应用较多的氟蛋白、抗溶氟蛋白和水成膜泡沫灭火剂进行测试结果分析可知,挡板与罐壁间缝隙小于30 mm,泡沫堆积厚度至100 mm时,经过缝隙的流出量极少。实验结果表明:安装挡板有利于火灾扑救初期泡沫量的积累。

此外,通过对比实验可以看出,泡沫流出量与缝隙大小间的对应关系和油盘的形状、大小基本无关,说明该理论及分区灭火方式具备推广至超大型油罐的条件。

3.2 分区灭火实验结果分析

表 4给出了在使用环状油盘和不同点火容器时,未分区与分区对应的灭火时间。

表 4 环状油盘各点火容器灭火参数
点火容器 测试项目 实验压力/MPa 灭火时间/s 流量/(L·s-1)
1 2 3
1 未分区 0.30 93 92 93 0.50
分区 0.38 93 90 92 0.64
2 未分区 0.30 178 180 178 0.50
分区 0.38 175 176 178 0.64

表 5给出了使用直径为3 m浮顶油罐实验平台进行灭火的所需时间。

表 5 3 m油罐平台灭火参数
测试项目 实验压力/MPa 灭火时间/s 流量/(L·s-1)
1 2 3
未分区 0.75 41 41 40 2.11
分区 0.90 34 36 34 3.69

使用环状油盘不同点火容器以及小型油罐进行对比实验后的平均灭火时间与泡沫用量如图 45所示。

图 4 不同点火装置灭火时间对比

图 5 不同点火装置灭火泡沫用量对比

实验结果表明:油盘密封圈处进行分区后,灭火所用时间缩短,与火灾荷载大小关联度不大。这主要是因为实验模拟真实油罐火灾场景,泡沫喷射采用缓释放方式,即泡沫枪垂直向环状油盘壁喷射,泡沫均匀向两侧流动。在不分区的情况下,泡沫不仅向着火分区流动,而且向未着火区域流动,当未着火分区内的泡沫相互汇集时,在汇集点会产生泡沫的大量堆积,从而阻碍一定数量的泡沫向着火分区流动。当泡沫达到一定厚度后,才会集中向着火分区涌入。因此,在火灾初期阶段,灭火泡沫的主要来源为本分区内的泡沫,其他分区内只有少量泡沫流入着火分区,未分区时大部分泡沫在未燃烧分区内堆积,造成了较大的浪费。如果初期火势较大,全淹没灭火方式会因泡沫供给量不足而造成火势的蔓延。

使用离心泵进行泡沫液供给时,泵的转速及输出压力会因泡沫枪出口压力的变化而变化。因此,在油门位置保持不变的情况下,1支泡沫枪的流量相对于4支枪同时工作时的流量会有所增加。

具体表现在,分区灭火后1支枪增加的流量会高于未分区4支枪同时喷射时着火分区增加的泡沫量,而远远小于未分区分着火区域的泡沫消耗量,最终在相同的实验条件下,分区相对于未分区的灭火时间相应缩短,既保证了灭火效率不降低,同时又使泡沫用量大幅减少。

由环状油盘实验可以得出,无论火灾荷载大小,在4个分区下,分区灭火方式单个分区的泡沫用量比未分区时节约68%左右。在直径为3 m的浮顶油罐平台进行测试后,分区灭火方式的泡沫节约量仍能够保证在60%以上。燃烧装置尺寸增大后,灭火时间的差别逐渐显现,分区灭火的方式使起火区域的喷头工作压力升高,流量增大,灭火时间缩短,灭火效率提高。

3.3 实例验证计算

以10×104 m3超大型油罐为例,在工作压力范围内,空气泡沫产生器流量表示如下[25]

$ q = K\sqrt {10p} . $ (1)

其中:q为泡沫流量,K为流量系数(与喷嘴的形状、直径大小相关),p为泡沫产生器实际工作压力。

流量提升的百分比为

$ \alpha = {\rm{ }}\left( {\frac{{{q_2}}}{{{q_1}}} - 1} \right){\rm{ }} \times 100\% . $ (2)

在一个分区工作时,系统压力可由原来额定压力p1=0.5 MPa升至峰值p2=0.6 MPa,由式(1)和(2)可得,α=9.5%。

当罐顶泡沫发生器不能直接作用于油罐开口处的火灾时,只有等泡沫灌满整个油罐的泡沫堰板与油罐挡雨板等高之间的环形空间,泡沫越过挡雨板上沿后,才开始起到灭火作用。浮顶挡雨板结构如图 6所示。

图 6 10×104 m3浮顶油罐挡雨板结构图

此环形的体积表示如下:

$ \begin{array}{l} V = \left[ {{\rm{ \mathsf{ π} }}{{\left( {\frac{d}{2}} \right)}^2} - {\rm{ \mathsf{ π} }}{{\left( {\frac{d}{2} - l} \right)}^2}} \right]h - \\ \;\;\;\;\;\;\frac{{\left[ {{\rm{ \mathsf{ π} }}{{\left( {\frac{d}{2}} \right)}^2} - {\rm{ \mathsf{ π} }}{{\left( {\frac{d}{2} - w} \right)}^2}} \right]h}}{2}. \end{array} $ (3)

其中:V为泡沫需覆盖的环形区域的体积;d为油罐直径,d=80 m;l为泡沫堰板与油罐挡雨板之间的距离,l=1.2 m;w为挡雨板下底宽,w=0.25 m;h为挡雨板的垂直高度,h=0.6 m。将数值代入式(3)可得,V≈160 m3

1) 未分区灭火。

按照现有消防系统工作方式,12个PC8泡沫发生器全部工作,扣除泡沫损失率30%,有效覆盖时间为t1,表示如下:

$ {t_1} = \frac{V}{{0.7 \times 12q}}. $ (4)

每个泡沫发生器产生的泡沫流量为q=2 880 L/min(以发泡倍数为6计算),由式(4)可得,t1≈6.61 min。

2) 分区灭火。

已知着火分区使用PC8泡沫发生器3个,扣除泡沫损失率30%,有效覆盖时间t2,表示如下:

$ {t_2} = \frac{{{V_1}}}{{0.7 \times 3{q_1}}}. $ (5)

此时泡沫覆盖的环形区域为原区域的1/4,即V1=V/4=40 000 L。由式(1)—(5)得,t2≈6.04 min。

泡沫节约比例为

$ \beta = 0.7\left( {1 - \frac{{{V_1}}}{V}} \right) \times 100\% . $ (6)

由式(6)可得,β=52.5%。

即分区灭火后,泡沫用量大幅度减少,同时,灭火时间有所降低,灭火效率有所提高。由此看出,使用分区灭火的方式对浮顶油罐灭火起到一定的积极作用。

储油罐区普遍采用离心泵进行动力输出,当流量变化时,扬程、功率、效率等其他性能参数相应同步变化[26],这些参数之间的定量关系如图 7所示。

图 7 离心泵性能曲线示意图[26]

当分区灭火时,此时泡沫产生器由原有12个发生器工作变为现有3个发生器工作,流量大幅减少,相应离心泵的扬程有所增加。如图 7所示,当流量由Q1点减小至Q2点时,对应扬程由M1点升至M2点,扬程的提高会导致压力的提升。但实际提升比例并不呈线性变化,而是在工作压力范围内提升20%左右(因各罐区使用不同型号离心泵而存在差异)。由此可看出,分区后的灭火时间并不能成倍数的减少。

由实例计算可以看出,将分区灭火方案应用至10×104 m3超大型油罐仍具有可行性,分区灭火所用时间比未分区时间相应缩短。去除泡沫损失率,分区灭火方式的泡沫节约量至少能够保证在50% 以上,这与实验结果一致,说明了现有分区灭火方案具有一定的推广价值。

4 结论

本文结合当前传感探测技术和分区技术,提出了超大型油罐火灾分区灭火系统,论述了系统的具体工作原理。提出了分区灭火方案,通过在环状区域内设置安装挡板可实现分区。同时,挡板和罐壁之间预留了一定距离,可避免挡板与侧壁摩擦,提高安全性,并能够实现泡沫集中积聚。泡沫流动性与其自身性质相关,受温度变化影响小,在实际应用中,缝隙大小需要根据不同储油罐区所使用的泡沫液种类具体确定。

通过使用环状油盘、小型油罐,加注不同火灾荷载燃料的对比实验可知,分区灭火所用时间比未分区时间相应缩短。分区灭火方式的泡沫节约量大于60%。实验结果与泡沫消耗量实例计算结果吻合,说明该理论及分区灭火方式具备推广至超大型油罐的条件。

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