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沈阳化工大学学士学位论文 第一章 泡沫灭火系统

第一章 泡沫灭火系统
泡沫是扑救油品火灾的最有效的灭火剂，泡沫灭火系统是《石油库设计规范》（GB50074）规定的油罐灭火系统，是油库行之有效的灭火手段。因此，泡沫灭火系统的良好的设计、操作、管理是预防和扑灭油罐火灾的关键所在。
1.1 泡沫灭火系统的分类
泡沫灭火系统按泡沫灭火剂的发泡的性能分为低倍数泡沫灭火系统、中倍数泡沫没活系统、高倍数泡沫灭火系统；按灭火时泡沫喷射方式分为液上喷射泡沫灭火系统、液下喷射泡沫灭火系统和泡沫喷淋系统。按设备安装使用方式分为固定式泡沫灭火系统、半固定式泡沫灭火系统、移动式泡沫灭火系统。按泡沫灭火系统灭火范围分为全淹没式泡沫和局部应用式泡沫灭火系统。
1.2 泡沫灭火系统
油库泡沫灭火系统可根据火灾的特点选用低倍数灭火系统、中倍数灭火系统、高倍数灭火系统。根据课题情况，本设计重点介绍低倍数泡沫灭火系统。
低倍数泡沫灭火系统使用发泡20倍以下的泡沫液，这种灭火系统适用于开放型的火灾灭火，是油库常用的泡沫灭火系统。其特点是使用范围广，泡沫可远距离喷射，抗风干扰比中倍数强，多次有效地扑灭了石油及石化类产品的火灾，是一种比较成熟的灭火方式。主要用于扑救原油、汽油、煤油、柴油等B类火灾，适用于油库内储罐、油库泵房、装卸油栈桥、石油码头等作业场所使用。
1.2.1 固定式液上喷射泡沫灭火系统
固定式液上喷射泡沫灭火系统是由固定泡沫混合液泵、泡沫比例混合器、泡沫液储罐、泡沫混合液管、泡沫产生器、水源和动力等组成。其特点是投资大，操作简单，出泡沫快，节省人力，劳动强度小。
1.2.2 固定式液下氟蛋白泡沫灭火系统
固定式液下氟蛋白泡沫灭火系统由消防泵、供水管线、泡沫管线、止回阀、高背压泡沫生产器、泡沫液储罐、水源和动力等组成。其特点是不会因为油罐爆炸而受到损坏，但止回阀密封效果不够理想，常常会出现渗漏现象。
1.2.3 半固定式液上喷射泡沫灭火系统
半固定式液上喷射泡沫灭火系统由水源或消防栓、泡沫消防车、消防水带、泡沫液混合器和空气泡沫产生器组成。其特点是比固定式系统投资少、维护费用少，需要配备一定的数量的消防车、消防水带和分水器，适用于较为平坦地形的油罐区。
1.2.4 半固定式氟蛋白泡沫喷射灭火系统
半固定式氟蛋白泡沫喷射灭火系统由固定的泡沫管线、止回阀、阀门、高背压泡沫产生器、快速接头及移动消防车、消防水带和水源组成。其特点是投资少，维护费用少，可靠性好，操作复杂，准备时间长。
1.2.5 移动式液上喷射泡沫灭火系统
移动式液上喷射泡沫灭火系统由水源或消防栓、泡沫消防车、消防水带、泡沫钩管或泡沫管架等组成。其特点是不会因为油罐爆炸而毁坏，可靠性高，应用方便，一次性投资少，操作比较复杂，准备时间长。
1.3 泡沫液及泡沫液罐
泡沫液是泡沫灭火系统使用的灭火剂。按发泡倍数泡沫液分为低倍数、中倍数、高倍数三种。发泡倍数是指泡沫的体积与产生这些泡沫的泡沫混合液体积之比。
泡沫液储罐是储存泡沫液的装置，当采用环泵式或平衡压力式泡沫比例混合流程时，泡沫液储罐应选用常压储罐；当采用压力式泡沫比例混合流程时，泡沫液储罐应选用压力储罐。
泡沫液储罐宜采用耐腐蚀材料制作，当采用钢罐时，罐内壁应作防腐处理。泡沫液储罐的大小由计算确定，应能储存够扑灭一次火灾所需的泡沫液量。
泡沫液储罐分为卧式或立式两种，主要规格有300L、400L、500L、600L、700L、800L、1000L、1200L、1500L和2000L。其附件有液面计、出液口、排渣孔、进料孔、人孔、取样口、吸气阀或带控制阀的通气管等。
1.4 泡沫比例混合器
空气泡沫比例混合器是固定式泡沫灭火系统、泡沫消防车的主要配套设备。它能使水与泡沫按规定比例混合成混合液。供给泡沫产生器、泡沫枪、泡沫炮等灭火使用。
1.4.1 环泵式泡沫比例混合器
⑴ 结构
PH型环泵式泡沫比例混合器固定安装在消防泵的出水管和进水管之间，管线形成环流状，称为还泵式泡沫比例混合器。PH系列比例混合器主要是由调节手柄、指示牌、阀体、调节球阀、喷嘴、混合室和扩散管等部分组成。调节手柄调节混合液流量，调节球阀有4个或5个不同口径，用以调节泡沫液流量，指示牌指示各档表示泡沫混合液流量，阀体是球阀的外壳，喷嘴安装在混合室内，由于射流作用产生真空吸泡沫液，混合室是泡沫液和水的混合处，在扩散管中能量由动能转变为压力能。
⑵ 工作原理
当从水泵中出来的高速水流通过喷嘴进入混合室时，由于射流质点的横向稳流扩散作用，将泡沫液吸入管内的空气带走，管内形成真空，泡沫液在大气作用下被吸入，两种液体在扩散管前喉管内混合，混合液扩散后，将大部分动力转变为压力能，最后进入水泵，经水泵搅拌充分混合并输出。
1.4.2 储罐式压力比例混合器
⑴ 结构
储罐式压力比例混合器由比例混合器、泡沫液储罐、球阀、水液管道等组成。
⑵ 工作原理
当消防水泵的压力沿供水管道进入比例混合器时，大部分压力水经喷嘴喷出，由于射流质点的横向紊流扩散作用，在混合室内形成低压区，使流经压力水管的小股压力水进入泡沫液储罐，泡沫液从泡沫管道通过孔板压入混合室，泡沫液和水按6∶94或3∶97的比例进行混合，输送到泡沫产生器。
1.4.3 平衡压力比例混合器
平衡压力混合器由平衡压力调节阀和比例混合器两大部件组成。平衡压力调节阀主要包括调压阀、阀杆、阀芯、双阀座、橡胶阀片及压力表等。比例混合器位于孔板下部，主要包括喷嘴、扩散管和对泡沫液流量起控制作用的孔板。
1.5 泡沫产生器
泡沫产生器是泡沫灭火系统中产生空气泡沫的设备。空气泡沫产生器的作用是将空气与泡沫混合液形成灭火泡沫。空气泡沫产生器按使用位置分为液上空气泡沫产生器和液下空气泡沫产生器。
1.5.1 液上空气泡沫产生器
⑴ 结构
空气泡沫产生器主要由壳体、泡沫管、导流板等组成，壳体包括密封玻璃片、玻璃压圈、喷嘴、滤网、罩板、壳体等。密封玻璃片密封油罐，防止易燃气体外溢，玻璃压圈密封玻璃片，喷嘴控制流量。滤网防止杂物进入，罩板上安装玻璃片。泡沫喷射管是空气泡沫动态平衡管段，由连接管、90º弯头、喷嘴、出口组成。导流板用来引导空气泡沫沿罐壁流淌，使泡沫平稳的覆盖在燃烧液面上。
⑵ 工作原理
泡沫混合液经管道流过泡沫产生器孔板时，突然节流，流速增大，造成负压，因而大量空气吸入产生器内，同泡沫混合液混合形成空气泡沫，压力泡沫流将密封玻璃片冲破，进入喷射管的空气泡沫得到动态平衡变得均匀，然后在导板的作用下，沿罐壁淌下，覆盖在燃烧液面上灭火。
1.5.2 液下空气泡沫产生器
⑴ 结构
液下空气泡沫产生器主要由喷嘴、止回阀、压力表、混合管和扩散管等组成。
⑵ 工作原理
高背压泡沫产生器的工作原理是：当压力混合液流通过喷嘴以一定速度喷射时，由于射流质点的横向紊动扩散作用，将混合室内的空气带走形成真空区，这时空气由进气口进入混合室。空气与混合液通过混合管混合形成微细泡沫，当它通过扩散管时，由于扩散管已经逐渐扩大而使流速逐渐下降，部分动能转变为势能，压力逐渐上升，流出扩散管后则形成具有一定压力和倍数的空气泡沫，以克服管道阻力和油层静压升浮到油面灭火。其中压力表用于指示液体进口压力，喷嘴用于控制流量和节流，止回阀用于超背压时自动关闭吸气口，阻止液体外溢。
1.6泡沫灭火系统灭火过程
火灾发生后，消防值班人员（手动）启动（或由火灾自动报警装置、自动控制启动）泡沫消防泵、水泵，同时开启相应着火油罐的泡沫混合液管道、冷却水管道控制阀门。比例混合器在压力水的作用下，按规定比例吸入泡沫液和水混合形成泡沫混合液，混合液进入泡沫消防泵进一步搅拌混合，泡沫混合液经管道输送至泡沫产生器，泡沫产生器吸入（或吹入）空气产生泡沫喷出，泡沫覆盖燃烧液体表面。
在灭火过程可以看出，有两个重要步骤，一是将泡沫液和水按比例混合形成泡沫混合液，吸入泡沫的比例是根据火场要求的泡沫混合液供给强度，由人来设定的，灭火成效如何，这是关键的一步；二是泡沫混合液输入泡沫产生器，吸入空气形成泡沫，这是决定泡沫质量的重要一步。
1.7 泡沫灭火剂
泡沫灭火剂（又称泡沫液）于1900年左右最先由劳伦特发展。他用硫酸铝和碳酸氢钠水溶液混合产生化学泡沫，并且用其首次发明成功地扑灭了一起石脑油火灾。1925年厄古哈特利用碳酸氢钠粉剂和硫酸铝粉剂于水中混合产生化学泡沫，1927年瓦格纳利用机械搅拌产生泡沫，由此产生了空气泡沫，随之由于工业发展又采用水解蛋白质溶液作为空气泡沫灭火剂。空气泡沫灭火剂使用方便，流动性能好，泡沫产生量大，灭火效率高又比较经济，因此空气泡沫灭火剂取代了化学泡沫。
1.7.1 空气泡沫的形成
空气泡沫即为流态泡沫，流态泡沫分散质为空气，分散剂为液体（即泡沫液与水的混合液），是一种胶体。泡沫形成首先要具有气相和液相之间的介面膜，也就是表面膜。膜的强度取决于膜的厚度、化学稳定性、热稳性、物理稳定性和膜的表面张力等。
1.7.2 空气泡沫灭火机理
空气泡沫是由泡沫液和水混合后通过空气搅动后，由于化学及物理作用而形成含有CO2或空气的泡沫。泡沫倍数根据泡沫性质不同可分为2-1000倍，其相对密度约为0.001-0.5，小于易燃和可燃液体的相对密度，因而能够浮于燃烧的液面上，主要作用有：
⑴ 隔绝作用 空气泡沫喷射在燃烧液体表面形成一定厚度的泡沫层，可使燃烧液体表面与空气隔绝；
⑵ 隔辐射作用 空气泡沫层封闭了燃烧液体表面，可以隔断火焰的辐射热，阻止燃烧，阻止燃烧液体的受热蒸发，当泡沫层厚为5cm时，汽油蒸发速度可降至30%-40%，迫使燃烧停止；
⑶ 冷却作用 泡沫析出的液体可以对燃烧表面进行冷却；
⑷ 稀释作用 泡沫受热产生水蒸气可以降低燃烧液体周围氧的浓度，起到稀释作用。
1.7.3 泡沫剂的种类及性质
泡沫灭火剂根据性质可分为蛋白泡沫液、氟蛋白泡沫液、抗溶性泡沫液、“轻水”泡沫液等。
⑴ 蛋白质泡沫液
蛋白质泡沫液又称空气机械泡沫液，所产生的泡沫细小，具有相对密度小，稳定性好，持久性强，导热性低和抗烧性强，粘着性能高等优点。蛋白质泡沫液具有这些优点，有利于灭火作用，主要用于扑救石油及石油产品类的火灾和一些可燃固体材料火灾，但不适用于扑救醇类、酮类、醚类等有机溶剂及钾、钠等轻金属火灾。
⑵ 氟蛋白泡沫液
氟蛋白泡沫液由蛋白泡沫液中加入少量氟表面活性剂制成，这样可提高泡沫的流动性并克服被油污染的缺点。国内制成的氟蛋白泡沫液为C10F19OC6H4SO3N2(CH3)2CHOH及水的混合液，含氟表面活性剂为0.02%。
氟蛋白泡沫液具有以下优点：表面和界面张力显著降低；流动性能好；疏油性能强；与干粉的相容性能好。
⑶ 抗溶性泡沫液
抗溶性泡沫液按原料分成天然蛋白质为基料和合成物质为基料两种。
抗溶性泡沫液能扑救醇、酮、醛、醚等水溶性液体火灾，而其他类型的泡沫液由于极性溶剂吸收泡沫中的水分，易于破坏，达不到灭火的目的。
1.8 防火堤
经调查装满半罐油品的油罐如果发生爆炸，大部分只炸开罐顶，油品未流出油罐；如果油罐内油品处于低液位发生爆炸时，有的将罐底炸裂，有的将罐顶炸开；油罐冒顶或漏失的油量都不会大于一个罐的容量。所以，对于固定顶油罐，防火堤内的有效容量不应小于油罐组内一个最大油罐的容量，并扣除与防火堤高度相等的其他罐的容量。防火堤应采用非燃烧材料建造，其要求如下：
⑴ 防火堤应承受油罐破裂后，相当于油品的静压力；
⑵ 油罐组防火堤的人行踏步不应少于两处；
⑶ 严禁在防火堤上开洞；
⑷ 立式油罐防火堤的高度不应低于1,且不高于1.6。
⑸ 立式油罐到防火堤内坡脚线的距离不应小于罐避高度的一半。
1.9 浮顶油罐自动灭火系统
根据浮顶油罐火灾的特点，为了达到迅速自动灭火的目的，在国内和国外也有采用“1211”（即二氟一氯一溴甲烷灭火剂）自动灭火系统。
1.9.1 “1211”自动灭火系统设计条件与要求
因浮顶油罐密封圈上方与挡雨板下方之间的温度容易高于汽油即原油的闪电温度，应按惰化浓度进行设计。
⑴ 对保护区的要求
①封闭条件 虽然封闭圈上部有挡雨板，当封闭圈发生着火爆炸时，挡雨板常被掀开，所以不能按全封闭系统考虑，而应按局部敞开设计，因此必须考虑泄露补偿。
②泄漏补偿 灭火剂的泄漏量可以采用过量喷射方法进行补偿。采用过量喷射方法时，其灭火剂过量喷射量可按公式（1-1）计算:
ΔW =0.26BH1.53C1.51 （1-1）
式中 ΔW——过量喷射量，kg
B——开口宽度，m
H——开口长度，m
C——惰化浓度，%（体积）
⑵ 对“1211”灭火剂瓶站的设计要求
设计在浮顶油罐顶盖上的“1211”灭火剂瓶站，要求由“1211”瓶站直喷嘴的输送管道应尽量缩短。管道实际长度（由瓶阀至喷嘴末端）应满足以下三个条件：
① “1211”灭火系统在自动释放时，“1211”充满管道的时间小于“1211”液体喷射的时间；
② 灭火系统管道总容积小于被释放“1211”的容积。
③ 喷射持续时间与被保护面积有关理论与实际实践证明，一般情况下喷射持续时间不大于15s。
1.9.2 安装“1211”自动灭火系统要点
⑴用氮气作动力，探测管采用内压1.0Mpa的紫铜管。低熔点合金探头应设置在密封圈上，挡雨板之下，防止油气露出。
⑵低熔点合金探头间距为2.5m，距油面670㎜。
⑶“1211”灭火剂喷嘴应安装在密封圈上，挡雨板之下，其间距为0.6m，喷头应布置成水平面喷射方向。
⑷喷头安装之前，应用氮气或压缩气扫线，以防喷头堵塞，扫线之后用水进行冷喷实验。合格后，再用压缩空气或氮气吹干。
国产油罐“1211”自动灭火设备性能见表
“1211”自动灭火设备性能
“1211”灭火剂氮气瓶
型号
钢瓶容量，L
钢瓶数量，个
充装量，Kg
氮气压力，Mpa
数量，个
充装压力，Mpa
管道套数
喷嘴数量，个
灭火剂喷射时间，s
适用油罐，m3
60
25
3
60
4.5-5.0
1
1.5-2.0
3
147
＜10
10000
80
4
80
4
211
20000
120
6
120
6
312
50000

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