郎需慶,牟小冬,張廣文,尚祖政

(1.化學品安全全國重點實驗室,山東青島 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104)

0 前言

石化企業(yè)發(fā)生較大規(guī)?；馂暮?由于生產(chǎn)裝置內(nèi)存在大量易燃易爆?；肺锪?火災蔓延快,易導致事故升級,因此事故現(xiàn)場一般會部署多輛消防車聯(lián)合處置,尤其是在處置罐區(qū)火災事故時,往往數(shù)十輛消防車齊聚事故現(xiàn)場,滅火時間長達數(shù)小時。因車載泡沫液有限,需要由泡沫液供給車、其它泡沫消防車接力向滅火一線的泡沫消防車輸送泡沫液,以維持持續(xù)噴射。

由于石化裝置區(qū)、罐區(qū)的消防作業(yè)空間有限,消防車的占位布置會受現(xiàn)場設施、消防道路等條件限制,造成其它消防車向前方泡沫消防車供給困難,且容易造成消防道路堵塞,消防車調配不通暢,尤其在滅火過程發(fā)生流淌火、儲罐沸溢等突發(fā)情況時,前方的消防車難以及時撤出,具有較高的作業(yè)風險。在消防領域的氣體泡沫輸送研究方面,液氮泡沫技術尚屬首次,國內(nèi)研究主要集中在壓縮空氣泡沫的縱向輸送方面,輸送距離一般在400 m以內(nèi),如超高層建筑縱向輸送壓縮空氣泡沫技術研究[1-3]證明了壓縮空氣泡沫在長距離輸送方面具有明顯優(yōu)勢;壓縮空氣泡沫在管線內(nèi)的流動形態(tài)及輸送阻力研究[4-6]指出壓縮空氣泡沫質量輕,便于管線輸送滅火;壓縮空氣泡沫的滅火效果及泡沫穩(wěn)定性研究[7-8]提出了實現(xiàn)壓縮空氣泡沫高穩(wěn)定性的必要條件;壓縮空氣泡沫的生成及釋放技術研究[9-10]指出了壓縮空氣泡沫在滅火方面的廣闊應用前景。總之,在液氮泡沫、壓縮空氣泡沫的水平方向長距離輸送方面尚無相關研究。

筆者團隊前期研究了液氮原位氣化參與發(fā)泡的滅火技術,開發(fā)了液氮泡沫發(fā)泡裝置,液氮供氣的方式可大大減少氣源的體積,為實現(xiàn)大流量輸送液氮泡沫提供了技術條件[11-12]。針對石化火災事故處置中遠程泡沫供給問題,本文提出了液氮泡沫遠程供給技術路線,通過消防水帶遠程向滅火一線輸送液氮泡沫,著重研究液氮泡沫的遠程輸送關鍵技術參數(shù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

本實驗采用混合比例為3%水成膜泡沫。在低泡沫混合液流量條件下,采用自制實驗系統(tǒng),包括撬裝式液氮泡沫裝置(自制)、泡沫混合液儲罐、液氮罐、電子秤、消防水帶及正壓消防炮(自制),實驗系統(tǒng)流程如圖1所示。為觀察液氮泡沫輸送過程的狀態(tài)變化,在消防水帶接頭處安裝了多個透明玻璃管,用于觀察泡沫輸送過程中的實時狀態(tài)。

圖1 液氮泡沫輸送實驗裝置組成示意

在高泡沫混合液流量實驗時,采用液氮泡沫消防車(自主研制)進行液氮泡沫的輸送測試實驗。實驗儀器的主要參數(shù)如下。

消防泵:揚程100 m,流量10 L/s;電子秤:量程100 kg,精度1 g;液氮罐:180 L,含氣液相出口;泡沫混合液罐:4 m3,不銹鋼材質,常壓;消防水帶:耐壓等級1.6 MPa,長度20 m;電子顯微鏡:HIROX RH-2000,放大倍率 35～2 500;塑料量杯:5 L,精度0.1 L。

1.2 實驗步驟

進行低泡沫混合液流量實驗時,啟動消防泵,向撬裝式液氮泡沫裝置內(nèi)注入泡沫混合液,同時開啟液氮罐,按一定流量比例向撬裝式液氮泡沫裝置內(nèi)注入適量液氮,撬裝式液氮泡沫裝置出口連接消防水帶。將液氮罐置于電子秤上,用于準確控制液氮注入流量,調節(jié)液氮泡沫的氣液比。

進行高泡沫混合液流量實驗時,啟動液氮泡沫消防車,調節(jié)消防車控制系統(tǒng)設置氣液比,調節(jié)泡沫混合液注入流量,消防車出口連接消防水帶與泡沫炮噴射測試。待液氮泡沫從消防炮噴出后提取泡沫樣品測量發(fā)泡倍數(shù)。

分別測試液氮泡沫在不同輸送距離、不同輸送壓力下的泡沫狀態(tài)。檢測液氮泡沫的發(fā)泡倍數(shù)和析液時間,評價泡沫性能。

2 結果與討論

2.1 長輸管線內(nèi)液氮泡沫微觀狀態(tài)

在輸送液氮泡沫時,即使泡沫輸送時間遠超泡沫的25%析液時間,消防管線上不同距離處設置的透明玻璃管處均未見液體沉積現(xiàn)象。經(jīng)測試,末端噴出的泡沫發(fā)泡倍數(shù)在7～9,25%析液時間在3～4 min,泡沫性能良好。

液氮泡沫流體是由無數(shù)個微小氣泡組成的泡沫簇,液氮泡沫的氣泡平均直徑在100 μm左右,如圖2所示,較吸氣式泡沫的氣泡直徑減小60%～70%,各個液氮泡沫氣泡直徑相對均勻,因此,多個直徑相近的氣泡聚焦形成液氮泡沫層。每個氣泡內(nèi)集聚了一定壓力的氮氣,泡沫的氣泡壁是一層薄薄的液膜,液膜是氣泡與氣泡之間的分界面,液膜也是相鄰多個氣泡共用的柔性界面。當氣泡層的一處液膜破裂后,氣泡內(nèi)的氣體逸散出去,液膜下墜形成液滴或流至氣體氣泡處集聚,這會造成至少2個氣泡破碎;當泡沫層內(nèi)部的某個氣泡破裂時,可能會造成其周圍多個氣泡破裂,如圖3所示。由于液氮泡沫層的各個氣泡直徑相近,氣泡之間的受力相對均衡,即氣泡層穩(wěn)定性強,25%析液時間較吸氣式泡沫提升2倍以上。

圖2 長輸管線末端泡沫微觀狀態(tài)

圖3 析液后的液氮泡沫層

在液氮泡沫的氣泡形成初期,氣泡壁液膜厚度均勻,整個氣泡是一個相對規(guī)則的圓球體,氣泡在各個方向上受力均衡,氣泡處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著氣泡存在時間的延長,氣泡壁液膜內(nèi)的液體受重力作用開始運動,液膜上部的液體會逐步向液膜下部區(qū)域集聚,氣泡的液膜變的上輕下重,液膜減薄后,液膜的強度會降低[13]。同時,該氣泡周圍的其它氣泡也在發(fā)生同樣的過程,因此,整個泡沫層的內(nèi)部受力平衡狀態(tài)會逐步被打破。

當氣泡存在時間超過泡沫的25%析液時間后,部分氣泡液膜在減薄到一定程度后,減薄處液膜因強度降低而發(fā)生彎曲變形,造成液膜兩側受力不均勻,在氣泡內(nèi)外壓力差超過液膜的表面張力后,該氣泡隨即破裂,破裂的液膜沉積到底部匯集,該氣泡內(nèi)的氣體在相鄰的氣泡間流動。該氣泡破裂后,氣泡之間的壓力差被破壞,氣泡間壓力波動會擾動鄰近的多個氣泡,加劇周圍多個氣泡失穩(wěn),引發(fā)多個氣泡破裂,此時在泡沫層內(nèi)將產(chǎn)生多個氣泡液滴及氣泡間流動的離散氣體流,離散流動的氣體會沖擊氣泡壁薄的液膜,加劇其它泡沫的破裂。

若泡沫層一直處于靜止狀態(tài),那么泡沫層將逐漸破裂消失,直到最后一個氣泡破裂,氣泡內(nèi)的氣體將逸散到大氣中。但是,假若液氮泡沫處于封閉的空間內(nèi),且處于受擾動的流動狀態(tài),那么氣泡簇的穩(wěn)定性與靜置的泡沫層有所不同。

分析液氮泡沫在消防管線內(nèi)的流動狀態(tài),液氮泡沫從泡沫發(fā)生器內(nèi)噴出時,消防管線內(nèi)壓力較高,液氮泡沫流體處于高壓狀態(tài)。由于泡沫流速較快,泡沫流體與管內(nèi)壁之間的邊界層以湍流為主,管線內(nèi)形成流動阻力,管線內(nèi)的輸送壓力逐漸降低,泡沫流周圍的壓力場由高壓區(qū)逐步向低壓區(qū)轉變,氣泡內(nèi)的壓力將逐漸降低,氣泡逐漸膨脹,在流動中達到氣泡內(nèi)外壓力相等的亞平衡狀態(tài),這個狀態(tài)的泡沫受到外界干擾后容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,造成部分氣泡破裂。

液氮泡沫在輸送過程中受到消防管內(nèi)泡沫流之間的擠壓、消防管線接頭及流向變向的擾動、泡沫流自身重力等因素作用,相對于靜置的泡沫,流動的氣泡液膜會加速變薄,造成運動中的氣泡液膜壁厚度不均,氣泡內(nèi)的壓力受其它氣泡流的擠壓,一直處于波動狀態(tài)。

當氣泡受擠壓時,氣泡內(nèi)壓力增大;當氣泡處于自由流動狀態(tài)時,氣泡內(nèi)壓力降低,氣泡膨脹至內(nèi)外壓力平衡的狀態(tài)。氣泡內(nèi)的壓力差使得氣泡液膜減薄處受力增大,氣體會從液膜減薄處首先脫離氣泡析出,氣泡破裂,同時液膜變成液體,并受重力作用下沉聚焦。

2.2 長輸管線內(nèi)液氮泡沫再發(fā)泡過程分析

由于液氮泡沫的泡沫層致密,析出的液體在氣泡間無序運動,當多股液體在流動中匯集到一起時,因氣液間的表面張力不同,液滴與液滴優(yōu)先匯集形成大液滴,大液滴在消防管線的接頭處或管線變向處受劇烈擾動后大液滴分散為表面積較大的厚液膜,在該氣泡形成過程中,液膜中的表面活性劑在與氣體接觸過程中,氣體持續(xù)接觸液膜,由于氣泡間的動態(tài)擠壓,氣泡間的壓力差處于波動狀態(tài),液膜兩側瞬態(tài)壓力差成為生成氣泡的動力,當該壓力差超過液膜的表面張力后,即為發(fā)泡奠定了動力基礎;同時,受管線邊界層循環(huán)擾動影響,氣泡之間存在頻繁的位移和氣泡瞬態(tài)破裂,液膜周圍存在氣泡生成的物理場所,周圍的氣泡為新氣泡生成提供了物理空間。在該空間內(nèi),氣泡間的動態(tài)擠壓以及流體方向的變化使得液膜與氣體重新混合,在瞬態(tài)壓力差的作用下,液膜形成氣泡,將離散的氣體包裹入液膜內(nèi)形成新的氣泡。

為闡述消防管線內(nèi)液氮泡沫循環(huán)生成的過程,本文提出液氮泡沫在流場中的發(fā)泡物理模型,稱為P-S模型,即氣泡間的壓力差(Presure)為氣泡生成的動力,氣泡間的物理空間(Space)為泡沫生成提供了場所。該模型包括封閉腔、離散氣體、液膜、多個相鄰氣泡及壓力差等要素。該模型表述了氣體與液膜的混合源動力與物理空間的關系。

由于輸送管路是一個封閉的體積恒定的狹長系統(tǒng),析出的泡沫混合液與管線內(nèi)氣泡脫出的氣體經(jīng)歷析液-發(fā)泡-再析液-再發(fā)泡的循環(huán)過程,因此,液氮泡沫可在管線內(nèi)長距離輸送,即使部分泡沫發(fā)生了破裂析液,管線內(nèi)的氣體將再次參與發(fā)泡,形成新的泡沫。

在實驗過程中,液氮泡沫一直處于輸送和噴射狀態(tài)時,玻璃管內(nèi)的泡沫層是致密的流體;當泡沫停止流動時,玻璃管內(nèi)泡沫將很快破碎,直到泡沫層消失。該實驗證明了泡沫在輸送過程中的反復發(fā)泡,液氮泡沫在管線內(nèi)的輸送有利于泡沫發(fā)泡。只要輸入端的動力足夠,從理論上說,液氮泡沫可輸送無限遠的距離。

2.3 輸送距離的影響

為研究消防管線輸送阻力對液氮泡沫流量的影響,本文提出液氮泡沫輸送動力強度的概念,即在輸送一定距離時單位流量的液氮泡沫所需的輸送壓力。液氮泡沫的輸送動力強度體現(xiàn)了輸送過程克服管道阻力所需的能量。

如表1所示,當液氮泡沫的輸送距離增加到5倍時,為維持相同的泡沫混合液輸送流量、發(fā)泡倍數(shù)及噴射壓力,液氮泡沫的輸送動力強度應增加到1.8倍。輸送距離增加意味著輸送阻力增大。液氮泡沫是液氮與泡沫混合液混合發(fā)泡形成的流體,屬于壓縮空氣泡沫的一種類型,泡沫流體可壓縮,但是在輸送過程中,管道每一點的壓力保持穩(wěn)定,泡沫保持穩(wěn)定的狀態(tài),體積、流速恒定,泡沫流體與管壁的摩擦力也保持恒定。從透明玻璃管的流動狀態(tài)看,泡沫流體層流區(qū)邊界層完整,而湍流區(qū)是動態(tài)變化的。

表1 相同流量下不同輸送距離的泡沫流量與壓力

如表2所示,對于同一臺消防泵,在消防管線末端出口壓力相同的條件下,液氮泡沫的輸送距離由100 m逐步提升到400 m,液氮泡沫的輸入壓力在逐步增加,而泡沫混合液輸送流量在降低,輸送動力強度增幅在20%～100%,可見,輸送距離增長造成的阻力增大對流量影響明顯。

表2 液氮泡沫輸送距離對流量的影響

從表3看出,在相同液氮泡沫輸送流量下,隨著輸送距離的增長,輸入壓力在增長,增長幅度遠低于前400 m的輸送距離。相比于前400 m的輸送距離,500～1 000 m的輸送動力強度提高了一個數(shù)量級。在400～500 m區(qū)間內(nèi),消防管道阻力出現(xiàn)臺階式提升,液氮泡沫的輸送管道“長管阻力效應”凸顯,在該區(qū)間內(nèi)輸送液氮泡沫需要克服較大的管道阻力,輸送壓力要大幅提升,注入壓力的提升將會更大程度上壓縮管內(nèi)的泡沫流體,使得管道內(nèi)的泡沫流體密度更大。

表3 在相同輸送流量下輸送距離對輸送壓力的影響

可見,對于DN80的消防水帶,輸送液氮泡沫的最佳距離在400 m范圍內(nèi),當輸送距離超過400 m后,管道內(nèi)的阻力達到峰值,在相同的壓力下,輸送流量達到恒值,需要增大管道管徑才能提高輸送流量。

從表4看出,同一條消防水帶管路,輸送液氮泡沫的動力強度是輸送液體的1.47～1.92倍。從實驗5和實驗7看出,輸送相同流量泡沫混合液時,流通面積增大一倍,輸送壓力強度降低76%;從實驗6和實驗8看出,輸送相同流量的液氮泡沫時,流通面積增大一倍,輸送壓力強度降低69%。從實驗1和實驗2對比來看,對于相同的流通管路,當注入液氮后,泡沫混合液開始發(fā)泡,管路內(nèi)的流體變成了處于壓縮狀態(tài)的氣體泡沫,盡管消防水帶管路內(nèi)體積沒有改變,但是流體內(nèi)的能量變大了,液氮進入泡沫混合液后形成氣泡,每個氣泡內(nèi)含有一定壓力的氣體,這些氣泡向管壁施加的壓力增加,增大了輸送阻力,因此注入壓力增加,同時,氣體的摻入使得泡沫混合液的流量降低。

表4 輸送泡沫與輸送泡沫混合液的區(qū)別

另外,隨著輸送距離延長,由輸送泡沫混合液改為輸送泡沫后,管道的壓力損失增加程度隨管道長度增加而增加。也就是說,相同長度的消防管道在改輸液氮泡沫后,管道的壓力損失將增大1.3～1.5倍,若消防管線噴射末端建立噴射壓力,則消防管道壓力損失將增大2倍以上。

2.4 輸送管徑的影響

考慮到國內(nèi)消防隊主要采用DN80和DN100的消防水帶,本研究采用液氮泡沫消防車分別對DN80和DN100的消防水帶在水平方向進行了供液阻力測試,設長度為60 m和100 m的輸送距離,測試結果如圖4所示。

圖4 輸送管徑對壓力損失的影響規(guī)律

從數(shù)據(jù)分析看,對于相同的輸送距離,管徑變大后,壓力損失降低。對于液氮泡沫而言,輸送管徑增大意味著液氮泡沫的膨脹空間增大,液氮泡沫內(nèi)的氣體壓力降低,泡沫邊界層對管壁的摩擦力降低,從而降低了壓力損失值。測試數(shù)據(jù)顯示,管徑從DN80增加到DN100,流通面積增加1.56倍,壓力損失降低約50%,通過增加流通面積,可降低液氮泡沫初始端的輸送壓力,降低泡沫管線對泡沫泵的動力要求,降低能耗,對柴油消防泵而言,這可降低柴油消耗量,延長泡沫噴射時間,有助于泡沫滅火。由于液氮泡沫是已發(fā)泡的泡沫,泡沫層內(nèi)氣體存在膨脹的趨勢,除了泡沫流體自身的前進動力外,氣泡內(nèi)的壓力也是動力之一,氣泡內(nèi)的壓力會增加管線的摩擦力,從而增加了管線壓力損失,因此,對于液氮泡沫而言,優(yōu)選大管徑輸送管路,以提高泡沫射流的動能。

對于相同的輸送管徑,輸送距離延長,管線壓力損失增大。對DN100的消防管線,壓力損失的增長值0.05 MPa/100 m。對DN80的消防管線,壓力損失的增長值0.08 MPa/100 m。從輸送距離的變化也顯示出大管徑的管線壓力損失值低。以輸送500 m為例,DN100的管線壓力損失約0.25 MPa,一般泡沫消防車的輸出壓力在0.8～1.0 MPa,則管線末端的輸出壓力在0.55～0.75 MPa,這樣的噴射壓力可滿足液氮泡沫在各種工況下的噴射需求,例如泡沫炮噴射壓力在0.6 MPa以上;若采用DN80消防管線,則末端的輸出壓力將在0.4～0.6 MPa,末端壓力偏低,無法滿足遠距離噴射,對于高層建筑滅火,也會影響泡沫的舉高噴射性能。

可見,對于液氮泡沫輸送而言,為降低壓力損失,應選用較大管徑的管線,并提高輸送壓力,以獲得液氮泡沫射流的最大動能。在石化企業(yè)罐區(qū),優(yōu)先選擇采用固定式泡沫管線輸送泡沫,罐區(qū)泡沫管線管徑一般在DN200～DN300,完全滿足液氮泡沫的長距離輸送[14]。對于高層建筑采用液氮泡沫滅火時,在建筑內(nèi)預設固定式泡沫管線,管徑應在DN100以上,以滿足高樓層的泡沫噴射壓力[15]。

3 結論

a) 提出了消防管線內(nèi)液氮泡沫再生成的物理模型,即P-S模型,指出氣泡間瞬態(tài)壓力差及氣泡間的動態(tài)空隙是液氮泡沫生成的必要條件。液氮泡沫在消防管線內(nèi)以一定的輸入壓力,可以完成長距離輸送。

b) 提出了液氮泡沫輸送動力強度概念,在相同的輸送距離及輸送流量下,液氮泡沫較泡沫混合液的輸送動力強度提高1.5～1.9倍。對于DN80的消防管線在輸送距離超過400 m后出現(xiàn)“長管效應”,輸送動力強度較前400 m提高2～3倍。

c) 液氮泡沫的遠距離大流量輸送需要大管徑消防水帶及較高的輸送壓力。