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Experimental study on the Extinguishing Efficiency of Compressed Air Foam Sprinkler System on Oil Pool Fire
Tao CHEN*, Xue-cheng FU, Zhi-ming BAO, Jian-jun XIA, Rong-ji WANG
Tianjin Fire Research Institute of MPS, Tianjin 300381,China
摘 要
为了评价，泡沫质量和泡沫用量对压缩空气泡沫系统，在熄灭油库火灾中的效率的影响。在不同的膨胀比和泡沫应用率下，进行了一系列大规模汽油火灾的灭火试验。分别计算了控制和消除油库火灾所消耗的泡沫溶液。结果表明，泡沫质量对消防效率和压缩空气泡沫喷淋系统的抗燃性能有重要影响。综合考虑了压缩空气泡沫的性能、抗再燃性、防燃性和经济性，认为压缩空气泡沫的最佳膨胀率为10：1左右。研究发现，随着泡沫用量的增加，压缩空气泡沫的灭火、防燃性能明显改善。油库火灾最经济有效的泡沫用量为3.48 L/ (min· )，最小泡沫溶液90%用量和完全灭火90%用量分别为0.99 L/ 和2.38 L/ 控制为90%。研究结果对压缩空气泡沫喷淋系统的工程应用具有重要意义。
关键词：压缩空气泡沫喷淋系统，灭火效率，油库火灾，泡沫应用率，灭火机理
字母含义
C 泡沫使用率(L/(min·))
Q 单位面积泡沫溶液
Tc 控制90%火灾的时间(S)
Qc 控制90%火灾的时间里，单位面积消耗的泡沫溶液(L/)
Te 灭火时间 (s)
Qe 从泡沫应用到消灭火灾时间里，单位面积消耗的泡沫溶液(L/)
X 泡沫膨胀比
排水25%的时间(s)
介绍
水成膜泡沫浓缩物(AFFF)含氟表面活性剂，在石油火灾中特别有效，这不仅是因为它们能够在燃料表面形成薄膜，而且因为它们能够在燃料表面形成防火泡沫，以防止油与空气中的氧气接触。它们广泛应用于工业和军事领域来消灭易燃液体火灾。传统的泡沫系统采用粉末冶金存在几个潜在限制：(1)由于膨胀率低和使用污染的空气产生泡沫，导致泡沫质量差。(2)产生泡沫所需的能量来自于减少排放动量的溶液流动。传统泡沫水喷淋系统产生的泡沫品质差，几乎没有空气膨胀，大大降低了系统的火灾效率。
目前的研究表明，压缩空气泡沫系统是一种高效率的固定泡沫消防系统，因为该系统能针对对甲类和乙类火灾可燃材料，通过产生均匀和更稳定的气泡，显著提高灭火性能。
通过调整系统参数，和将压缩空气泡沫通过固定的管网，以及压缩空气泡沫系统的喷嘴，传送到目标区，使压缩空气泡沫系统有不同膨胀比和质量。
然而，到目前为止，还没有基于大型火灾的研究，评价不同泡沫质量和泡沫施用量，对压缩空气泡沫喷淋系统灭火效率的影响。
研究使用不同泡沫质量和泡沫用量的压缩空气泡沫系统的灭火效率，是必要的。并能确定最佳的工程应用参数。
本文介绍了一系列大型油库火灾灭火试验，旨在评估不同泡沫质量和泡沫用量对压缩空气泡沫灭火效率的影响。此外，根据试验结果分析了不同压缩空气泡沫的灭火效率，并与计算出的火灾控制和灭火过程中使用的泡沫溶液量进行了比较。
本文的研究成果对压缩空气泡沫喷淋系统的工程应用具有重要意义，有助于压缩空气泡沫喷淋系统的规范和标准的制定。
试验
为了进行汽油池火灾试验，制作了尺寸为 2.16 mtimes;2.16 m的钢制试验锅，如图1所示。钢板厚度4.8mm，锅的高度为305毫米。在所有侧面的顶部边缘，带有一个 38 mm宽的连续水平唇。
图1.油池火灾试验盘
压缩空气泡沫通过输送管道网格和压缩空气泡沫系统喷嘴在目标区域均匀分布，如图2所示。四个压缩空气泡沫系统喷嘴平行定位在3米乘3米的平衡的“H”设计上，由一根给水管联通，位于钢制试验锅上方3米处。在第一次试验中，钢制试验锅被放置在压缩空气泡沫管道网格下。安装了一个排放口，以控制压缩空气泡沫排放时间，并释放残余泡沫溶液。压缩空气泡沫喷嘴是一种用于喷淋系统的泡沫喷洒装置。
图2. 压缩空气泡沫系统输送管道网和喷嘴
天津消防研究所研制的压缩空气泡沫系统，如图3所示。系统的主要部件是离心泵(CDLF42)，螺杆空压机(DSR-40A)，泡沫定量器(Foampro 2002)，高效混合室，以及一种用于调节空气和水的流动的空气-水控制装置。本系统将正确数量的泡沫浓缩物，水和空气混合，以便压缩空气泡沫能在输送管道和喷嘴中定量的形成。泡沫溶液流量是用涡轮流量计(LWY-15)监测的，泡沫浓缩物流量用磁流量计监测(LDS4000)，空气流量用分度流量计测量(LUGB-1325C)。压力测量采用压力等量法和分压法。
图3.压缩空气泡沫系统原理图
在实验中，通过控制球阀的开度和改变不同尺寸的供应管道，来调节泡沫溶液的流量，以达到不同的泡沫用量。泡沫溶液流量可调范围为10L/min到700 L/min。测定了水膜泡沫浓缩物加入用于测试的水中的最佳配比，通过直喷变量泵，设定输出比例，调整为3%(体积分数)。通过调节空气体积、泡沫溶液体积的比例，产生不同膨胀比的压缩空气泡沫。
首先，在实验锅上加水，使覆盖底部大约62毫米的深度，然后将40mm 深度的93#汽油燃料倒在水面上，以提供至少203毫米的厚度。
在点火前启动了压缩空气泡沫系统、视频系统和数据采集系统。经过30 s的预燃烧后，再将具有明确的泡沫使用率和泡沫膨胀率的压缩空气泡沫排放到试验锅中。压缩空气泡沫排放持续时间为300 s。然后，根据FM5130规范的要求，测试了泡沫材料的耐受性和抗返燃性能。最后，根据GB 20031标准确定泡沫膨胀率和25%排水次数。在泡沫结束后13分钟内测试的抗返燃性能。在火盆中放置一个垂直的烟囱，就会形成裂谷火(如图2所示)。将泡沫毯从烟囱内部取出，再点燃烟囱内部的燃料，并且慢慢移除管子。在拆除管道之前，应允许烟囱内部的裂谷火烧一分钟。随后，裂谷火由火盆中的剩余泡沫毯消灭或在火盆中逐渐扩大。
所有实验都是在风平浪静或风速小于2m/s、无降水、环境空气和燃料温度在10°C至20°C的条件下在室外进行的。
结果与讨论
3.1泡沫质量对灭火效率的影响
试验1、2、3和4采用不同的泡沫质量。实验结果列于表1。在一定的泡沫溶液流量下，调节空气、泡沫溶液的体积比，产生具有不同程度膨胀和排放时间的压缩空气泡沫。该系统的泡沫溶液流量为97 L/min，排放密度为 2.71 L/(min·)带有3% 水成膜泡沫浓缩物。结果表明，在130 s内，所有的池火都得到了快速的控制和消灭，远小于300 s的泡沫排放时间。火灾控制速度、灭火速度、回燃性能，随着泡沫质量的不同，发生了明显的变化。
表1.不同泡沫质量的灭火试验结果
试验1的池火是快速控制的，在116 s内完成灭火，在耐受性试验中和观测期间没有复燃。然而，燃烧的裂缝没有重新关闭并且在26.6分钟内油池起火的复燃面积超过0.9平方米。由于泡沫质量差，只提供了6分钟的复燃保护。试验1的25%排水时间仅为176秒，大约是测试2、3和4的一半。由于膨胀率低，排水速度快，燃料表面覆盖的泡沫毯的泡沫稳定性差，这将导致抗复燃性能较差。
试验2与其它试验相比，具有最短的控制90%火灾的控制时间和完全灭火时间。具有较好的二次点燃和15 s裂谷火熄灭时间的回燃性能。发现该泡沫具有10：1的膨胀比和超过316 s 25%的排放时间，并且具有最佳的灭火性能。
与试验2相比，试验3和试验4的泡沫具有较高的膨胀性和较长的排水时间。泡沫稳定性有了很大的提高，缩短了消灭裂谷火的时间，具有更好地阻复燃性能。图4显示了不同膨胀程度的泡沫的抗复燃照片。泡沫膨胀程度越高，燃料表面的泡沫层越厚。试验1的泡沫层是最薄的，这是由于较低的膨胀程度和快速排水，这导致大裂谷火灾，这是很难自动熄灭的。其他测试的裂谷火，因为有厚泡沫层和小裂谷，火灾自动在几秒钟内熄灭。
然而，测试3和测试4的火灾控制速度和熄灭速度比测试1和测试2慢。这可能是因为泡沫流动性随着泡沫膨胀程度的增加而变差，随着泡沫排放时间的增加，燃料表面成膜速度下降。泡沫在油表面的分布率和覆盖率随着泡沫稳定性的增加而明显降低。因此，具有高膨胀比的压缩空气泡沫的灭火控制和灭火速度不一定是快速的。
图4.不同膨胀度泡沫的抗烧性照片
为了进一步阐明哪种泡沫具有最高的灭火效率，从泡沫开始应用到90%火灾控制时间和完全灭火时间，用以下方法计算出，不同泡沫质量的泡沫，单位面积消耗的泡沫溶液量。
从泡沫开始应用到90%火灾控制时间(Qc)，单位面积的泡沫溶液使用量可由以下公式计算：
Qc=Tcbull;C
其中，Tc代表90%火灾控制时间(min)，C为泡沫排放密度(L/min/)。
从泡沫开始应用到火灾熄灭时间(Qe)，单位面积的泡沫溶液使用量可由以下公式计算：
Qe=Tebull;C
其中，Te代表火灾熄灭时间(min)，C为泡沫排放密度(L/min/)
图5.不同泡沫质量的90%火灾控制和扑灭的灭火剂单位面积泡沫溶液投加量
结果如图5所示。
图5显示，膨胀比为10：1，25%排放时间为316 s的压缩空气泡沫，90%火灾控制时间和熄灭时间内，泡沫溶液的用量最少。大约是膨胀比为16：1和24：1泡沫的一半量。这说明膨胀比为10：1压缩空气泡沫比其它压缩空气泡沫具有更高的灭火效率。
从工程角度考虑，高膨胀比泡沫需要大量的气流，增加了实际应用成本。因此，考虑到灭火表现和抗复燃性和复燃保护和经济效益。压缩空气泡沫的最佳膨胀比约为10：1。
表2.不同压缩空气泡沫系统泡沫用量的灭火试验结果
3.2.泡沫使用率对灭火效率的影响
表2所进行的试验是在不同的系统压力和不同的泡沫用量下进行的。通过调节空气流量和含有3% 水成膜泡沫浓缩物的泡沫溶液流量，生产出不同泡沫用量的压缩空气泡沫。泡沫膨胀比不小于10：1。
结果表明，随着泡沫排放密度的增加，灭火性能和防复燃性能明显提高，如图6所示。结果表明：随着泡沫用量的增加，90%火灾控制时间和熄灭时间明显减少。
图6.不同泡沫用量下90%的灭火时间
在5 min泡沫使用期内，采用1L/(min·)泡沫排放密度，压缩空气泡沫系统无法有效地控制和熄灭池火。泡沫排放密度提高到1.32 L/(min·)，经过长时间的泡沫处理，控制和熄灭了池火。然而，燃烧的裂谷在拆除烟囱后很快烧回了0.9 以上。它由于泡沫排放密度太小，防复燃保护效果很差。当泡沫排放密度大于1.79 L/(min·)时，池火可以在一分钟内完全控制，在2分钟内完全熄灭。裂谷火迅速闭合并熄灭。随着泡沫用量的增加，90%的防火次数、再燃次数和裂谷着火次数都减少了。一个当泡沫施加速率大于1.79L/(min·)时，试验结果的LL满足UL162的要求，约为泡沫-水喷洒系统的1/4时间。
图7.从泡沫系统激活开始的延长照片序列@10秒间隔(测试8)
随着泡沫施用率的增加，90％火灾控制时间、灭火时间和裂谷火灭火时间减少。所有试验结果均符合UL162的要求。当泡沫应用率大于 1.79 L/(min·)时，灭火时间约为泡沫-水喷洒系统的1/4。
放电密度L/(min·)
另外，研究结果还表明，尤其是泡沫用量大于1.79 L/(min·)时，90％火灾控制时间仅为灭火时间的一半。从开始发生火灾到激活泡沫系统有10秒间隔(如图7所示)(以Test 8为例)，这在灭火照片的结果中是很明显的。因为实验锅的壁太热了，所以接近锅壁的泡沫快速的就流干和蒸干了。很难形成一个厚的泡沫层，以熄灭接近锅墙附近的火。因此，90%的池火被熄灭后，它仍然花了很长的时间来彻底熄灭接近锅墙附近的火。
根据图8所示的方程(1)和方程(2)，计算出不同泡沫用量下的从开始使用泡沫到90％火灾控制时间和完全灭火时间内，泡沫溶液消耗量。
随着泡沫排放密度的增加，灭火性能和防燃性能明显提高。但是这并不意味着泡沫排放密度越大，泡沫溶液消耗越低。未来控制池火，单位面积的泡沫溶液用量在泡沫用量最小应为2.58 - 3.48 L/ (min·)。并且要完全熄灭池火，单位面积泡沫溶液用量最小为3.48L/ (min·)。因此，最经济有效的泡沫排放密度为3.48L/ (min·)。
当泡沫排放密度为3.48L/ (min·)时，90%火灾控制和完全熄灭火灾，最小泡沫溶液用量分别为0.99L/ (min·) 和2.38L/ (min·)。
3.3.压缩空气泡沫灭火原理
火灾试验结果表明，压缩空气泡沫对池火的熄灭效率主要由以下两个因素决定：
(1)泡沫覆盖率
泡沫的抑火机理是覆盖住可燃液体表面，抑制燃料蒸气的燃烧，阻止燃料表面进行的传热，打破火灾形成的循环和火灾蔓延。因此，泡沫的扩散和覆盖是抵御可燃液体火灾的重要过程。如图9所示，油表面的泡沫覆盖率取决于泡沫分散均匀性和在燃料表面形成水膜的能力。
图9.泡沫灭火机理原理图
泡沫的分散均匀性与泡沫的应用方法和装置以及泡沫喷淋系统密切相关，泡沫喷淋系统将泡沫通过喷嘴可以使泡沫更加均匀分散。因此，泡沫喷淋方法可能是一种更有效的方法。形成水膜的能力取决于泡沫类型和泡沫性能。已经证明水成膜泡沫浓
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