储油罐火灾及泡沫-细水雾联用灭火效能研究.pdf

灭火系统设计Fire Science and Technology,December 2023,Vol.42,No.12储油罐火灾及泡沫-细水雾联用灭火效能研究景 伟，罗剑飞，张国良，吴刘锁（北京南瑞怡和环保科技有限公司，北京 100085）摘要：为研究大型储油罐火灾燃烧特性，采用 200 m3罐体建立储油罐火灾模拟燃烧试验平台，模拟罐体顶部油池火、围堤油池火、罐体侧壁流淌火，总燃烧面积为 361.8 m2，评估泡沫-细水雾联用涡扇炮灭火技术对储油罐火灾的适用性。罐体外围温度场和热辐射场时空分布特性结果表明：泡沫-细水雾联用涡扇炮灭火技术可快速扑灭该储油罐火灾燃烧明火，降温效果明显。关键词：储油罐火灾；燃烧特性；泡沫-细水雾联用涡扇炮；油池火；流淌火中图分类号：X932；TQ569 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）12-1694-04大型油罐易发生火灾危险事故，发生沸溢、喷溅和爆炸，在着火罐高温火焰的热辐射冲击下，相邻储罐结构也可能受到破坏，会造成重大的财产损失和人员伤亡1-2。因此，大型储油库的火灾防控成为重点工作之一，应遵循“预防为主，防消结合”的原则，加强消防组织与人防、安防和技防并举的措施，确保安全生产的平稳运行，在出现突发性事故时，依托消防救援力量进行处置和抢险救援3。近年来，为提高油库消防水平，增强消防队伍的灭火作战能力，多种高效灭火剂及相关应用技术被用于储油罐灭火系统4。涡扇炮灭火技术是一种集泡沫和细水雾灭火优点于一体的新型灭火技术，利用轴流诱导技术产生定向风流，将泡沫和细水雾粒子运移至火场，泡沫能够在油面形成稳定泡沫覆盖层，兼具细水雾隔氧、稀释、冷却效果，对油类火灾的灭火效果尤其突出5。笔者模拟储油罐火灾中的燃烧现象，开展涡扇炮对此类火灾场景的灭火效能评估，为灭火实战提供支撑。1试验平台设计试验平台，从灭火时间、温度和热辐射降低等方面研究涡扇炮灭火技术的抑、灭火效能。1.1场景建设试验平台由罐体、围堤油池、注油管路、排油管路组成。罐体壁内加钢结构支撑，设有水喷淋冷却保护装置，储油罐模型如图 1所示。储油罐模型为圆柱形，直径为 6.7 m，高 6.3 m。罐体结构分上下两节，试验过程中上节油箱蓄油，高 0.6 m，上部边缘布置缺口，长度为 1/8 圆周（2.63 m），深 0.2 m，采用油泵向储油罐上节油箱供油。下节油箱内部不蓄油，高度为 5.7 m。1.2数据采集测量试验过程中温度及分布、热辐射等关键热工参数。数据采集系统布置如图 2图 3所示。为研究灭火过程中底部池火羽流温度场变化，在底部油池与罐体壁面间布置 3 排 3 列 K 型热电偶，3 排热电偶距地面高度分别为 2、4、6 m，东侧距罐壁 1.5、2.7、3.9 m，西侧距罐壁 0.15、1.85、2.85 m。21 m6.7 m5.7 m0.6 m图 1储油罐火灾模型Fig.1Fire model for oil storage tanks东2 m1 m1 m2 m1.2 m1.2 m1.5 m1 m1 m1 m0.7 m0.7 m0.1 m0.15 m1.7 m 1 m2 m2 m图 2热电偶布置Fig.2Thermocouple layout南11 m 8 m16 m16 m7 m9 m11 m7 m图 3热流计布置Fig.3Heat flow meter layout为研究灭火过程中顶部池火羽流温度场变化，在顶部油池与罐体壁面间布置 1行热电偶，距油池液面高度为0.1 m，距油池中心为 0、1、2、3 m，油池中心上方布置一列热电偶，距油池液面高度为 0.1、0.8、1.5 m。为测量储油罐火灾发生发展过程中火场热辐射及对流特性，试验场地内布置 12台热流计，在罐体东侧布置 2排 4 列热流计，距地面高度分别为 2、3 m，距油池中心为16、23、31、42 m，罐体西北侧布置 1排 4列热流计，距地面高度为 3 m，距油池中心为 16、23、31、42 m。1.3灭火系统试验采用泡沫-细水雾涡扇炮灭火系统，喷射灭火介质为 3%AFFF泡沫混合液，系统包含 3台泡沫-细水雾涡扇炮灭火装置，1号、2号、3号泡沫-细水雾涡扇炮灭火装置，流量分别为 24、21、28 L/s。3 台泡沫-细水雾涡扇炮装置布置如图 4所示。其中，1 号灭火装置炮头中心距地面 10.8 m，布置在储油罐模型东南侧，距罐体中心 24 m；2 号灭火装置炮头中心距地面 2.5 m，布置在储油罐模型西侧，距罐体中心22 m；3 号灭火装置炮头中心距地面 11.3 m，布置在储油罐模型东偏北 30方向，炮头出口距罐体中心 22 m。1.4试验工况试验火灾场景包括罐体顶部油池火、围堤油池火、罐体侧壁流淌火，储油罐模型置于围堤油池中心，试验时点燃上节油箱，模拟顶部油池火，过火面积 35 m2，点燃围堤油池模拟底部油池火，过火面积 311 m2，试验时向顶部油池注水使油溢出，模拟流淌，实现侧壁流淌火，流淌边缘长 2.63 m，流淌火面积 15.8 m2，总过火面积 361.8 m2。试验时风向为东北风，平均风速为 2.5 m/s，试验燃油采用 0#柴油，采用汽油引燃。用油量如表 1所示。2试验过程及分析2.1试验步骤及过程试验在 t=0 s时点火，引燃顶部油池，点火 30 s后，启动注油泵，t=80 s 时，顶部油池形成全液面燃烧，如图 5（a）所示；t=101 s 时，顶部油池开始溢油，东侧底部油池引燃，形成流淌火，如图 5（b）所示，同时引燃西侧油池，如图 5（c）所示；火焰逐渐扩散，t=192 s时，底部油池全液面燃烧，如图 5（d）所示；此时启动灭火系统，3 台涡扇炮从不同方向共同喷射底部油池灭火，经过 40 s扑灭底部油池，2#和 3#涡扇炮喷射顶部油池，9 s扑灭顶部火焰，见图5（e）、（f）。之后持续喷射冷却 5 min，无复燃现象发生。2.2温度分析图 6为顶部油池液面上方 10 cm 处，沿着油池半径布置点测得的温度6。研究发现：顶部池火最高温度约为 1 050，结合图 5（a）、（c）可知，油池中心为火源中心，中心的火羽流温度高于油池边缘。图 7为顶部油池中心上方的温度。可见在燃烧初期，1号2号3号图 4泡沫-细水雾涡扇炮灭火系统总体布置图Fig.4General layout of foam-water mist turbofan fire extinguishing system表 1试验工况Table 1Experiment conditions（a）t=80 s（b）t=101 s（c）t=101 s（d）t=192 s（e）t=232 s（f）t=241 s图 5试验过程Fig.5Experiment process1694消防科学与技术2023年 12 月第 42 卷第 12 期为研究灭火过程中顶部池火羽流温度场变化，在顶部油池与罐体壁面间布置 1行热电偶，距油池液面高度为0.1 m，距油池中心为 0、1、2、3 m，油池中心上方布置一列热电偶，距油池液面高度为 0.1、0.8、1.5 m。为测量储油罐火灾发生发展过程中火场热辐射及对流特性，试验场地内布置 12台热流计，在罐体东侧布置 2排 4 列热流计，距地面高度分别为 2、3 m，距油池中心为16、23、31、42 m，罐体西北侧布置 1排 4列热流计，距地面高度为 3 m，距油池中心为 16、23、31、42 m。1.3灭火系统试验采用泡沫-细水雾涡扇炮灭火系统，喷射灭火介质为 3%AFFF泡沫混合液，系统包含 3台泡沫-细水雾涡扇炮灭火装置，1号、2号、3号泡沫-细水雾涡扇炮灭火装置，流量分别为 24、21、28 L/s。3 台泡沫-细水雾涡扇炮装置布置如图 4所示。其中，1 号灭火装置炮头中心距地面 10.8 m，布置在储油罐模型东南侧，距罐体中心 24 m；2 号灭火装置炮头中心距地面 2.5 m，布置在储油罐模型西侧，距罐体中心22 m；3 号灭火装置炮头中心距地面 11.3 m，布置在储油罐模型东偏北 30方向，炮头出口距罐体中心 22 m。1.4试验工况试验火灾场景包括罐体顶部油池火、围堤油池火、罐体侧壁流淌火，储油罐模型置于围堤油池中心，试验时点燃上节油箱，模拟顶部油池火，过火面积 35 m2，点燃围堤油池模拟底部油池火，过火面积 311 m2，试验时向顶部油池注水使油溢出，模拟流淌，实现侧壁流淌火，流淌边缘长 2.63 m，流淌火面积 15.8 m2，总过火面积 361.8 m2。试验时风向为东北风，平均风速为 2.5 m/s，试验燃油采用 0#柴油，采用汽油引燃。用油量如表 1所示。2试验过程及分析2.1试验步骤及过程试验在 t=0 s时点火，引燃顶部油池，点火 30 s后，启动注油泵，t=80 s 时，顶部油池形成全液面燃烧，如图 5（a）所示；t=101 s 时，顶部油池开始溢油，东侧底部油池引燃，形成流淌火，如图 5（b）所示，同时引燃西侧油池，如图 5（c）所示；火焰逐渐扩散，t=192 s时，底部油池全液面燃烧，如图 5（d）所示；此时启动灭火系统，3 台涡扇炮从不同方向共同喷射底部油池灭火，经过 40 s扑灭底部油池，2#和 3#涡扇炮喷射顶部油池，9 s扑灭顶部火焰，见图5（e）、（f）。之后持续喷射冷却 5 min，无复燃现象发生。2.2温度分析图 6为顶部油池液面上方 10 cm 处，沿着油池半径布置点测得的温度6。研究发现：顶部池火最高温度约为 1 050，结合图 5（a）、（c）可知，油池中心为火源中心，中心的火羽流温度高于油池边缘。图 7为顶部油池中心上方的温度。可见在燃烧初期，1号2号3号图 4泡沫-细水雾涡扇炮灭火系统总体布置图Fig.4General layout of foam-water mist turbofan fire extinguishing system表 1试验工况Table 1Experiment conditions火源123位置顶部油池底部油池溢油油池布置注水 10.5 m3，注柴油 3.5 m3，汽油 0.1 m3注水 155 m3，注柴油 6.2 m3，汽油 0.3 m3注水溢油速率 0.25 m3/min（a）t=80 s（b）t=101 s（c）t=101 s（d）t=192 s（e）t=232 s（f）t=241 s图 5试验过程Fig.5Experiment process1695Fire Science and Technology,December 2023,Vol.42,No.12距燃烧液面越远，火源正上方温度越低，在 t=200 s时，油池中心上方 10150 cm 处的温度趋于一致。时间/s0 50 100 150 200 250 300温度/1 2001 0008006004002000高 150 cm高 80 cm高 10 cm图 7油池中心点上方温度Fig.7Temperature above the center point of the oil pool图 8为罐体西侧和东侧火羽流温度，西侧底部油池最高温度为 1 000，距罐壁 0.15 m处的温度最高。时间/s0 50 100 150 200 250 300 350温度/1 0008006004002000距罐壁 0.15 m，高 2 m距罐壁 0.15 m，高 4 m距罐壁 0.15 m，高 6 m距罐壁 1.85 m，高 2 m距罐壁 1.85 m，高 4 m距罐壁 1.85 m，高 6 m距罐壁 2.85 m，高 2 m距罐壁 2.85 m，高 4 m距罐壁 2.85 m，高 6 m（a）罐体西侧火羽流温度时间/s0 50 100 150 200 250 300温度/1 0008006004002000距罐壁 3.9 m，高 2 m距罐壁 3.9 m，高 4 m距罐壁 3.9 m，高 6 m距罐壁 2.7 m，高 2 m距罐壁 2.7 m，高 4 m距罐壁 2.7 m，高 6 m距罐壁 1.5 m，高 2 m距罐壁 1.5 m，高 3 m距罐壁 1.5 m，高 4 m距罐壁 1.5 m，高 5 m距罐壁 1.5 m，高 6 m（b）罐体东侧火羽流温度图 8罐体东西两侧火羽流温度Fig.8Temperature of fire plumes on the east and west sides of the tank body在火灾发展中期及稳定燃烧阶段，大量空气被卷入，形成强烈脉动的火羽流，试验中东侧火焰受风力影响，紧贴罐体，热电偶未直接接触火焰，故东侧布置的热电偶测得温度远低于西侧。2.3热辐射分析图 9为在罐体东侧距地面 3、2 m 高测得的热辐射，受东北风影响，火焰偏向西侧，故东侧的热辐射低于西侧，距罐体中心 16 m、高 3 m 处的热辐射约为 8 kW/m2，距罐体中心 42 m、高 3 m 处的热辐射约为 2 kW/m2，相同距离3 m高处的热辐射大于 2 m处。图 10 为罐体西北侧热辐射，柴油的燃烧是一个稳定的过程，热辐射达到最大值后有一个相对稳定的区域，距罐体中心 16 m远处为 12 kW/m2。时间/s0 50 100 150 200 250 300热流/kW/m220181614121086420距油池中心 16 m距油池中心 23 m距油池中心 31 m距油池中心 42 m图 10西北侧热辐射Fig.10Heat radiation on the northwest side在泡沫-细水雾涡扇炮喷射向罐体西北侧时，产生了时间/s0 50 100 150 200 250 300温度/1 0008006004002000油池中心距油池中心 1 m距油池中心 2 m距油池中心 3 m图 6液面上方 10 cm 温度Fig.6Temperature 10 cm above the liquid level时间/s0 50 100 150 200 250 300热流/kW/m220181614121086420距油池中心 16 m距油池中心 23 m距油池中心 31 m距油池中心 42 m（a）距地 3 m高时间/s0 50 100 150 200 250 300热流/kW/m220181614121086420距油池中心 16 m距油池中心 23 m距油池中心 31 m距油池中心 42 m（b）距地 2 m高图 9东侧热辐射Fig.9Heat radiation on the east side1696消防科学与技术2023年 12 月第 42 卷第 12 期瞬间的火焰强化现象，热辐射在灭火瞬间达到 20 kW/m2。灭火系统布置在距罐体中心 22 m 及 24 m 处，该处热辐射值为 46 kW/m2，不会对灭火设备造成破坏。距罐体中心 31 m、高 3 m 处的热辐射约为 24 kW/m2，不会对人员造成伤害7-9。2.4泡沫-细水雾灭火特征灭火过程中，泡沫-细水雾首先到达底部油池，出现瞬时的火焰强化现象，之后持续喷射起到了明显的降温作用，泡沫在油面上铺展从而隔绝氧气，逐渐覆盖围堤油池，且细水雾进入火场后迅速蒸发，体积急剧膨胀，燃烧消耗的氧气难以得到补充，使局部空间氧浓度下降，有助于灭火。涡扇炮灭火装置最先扑灭西侧的油池火，依次扑灭底部其他区域火焰及顶部火焰，总灭火时间为 49 s。灭火过程中涡扇炮的工作压力为 1.35 MPa，泡沫混合液流量约为 70 L/s。施加泡沫-细水雾后，火羽流区域温度快速下降，底部池火下降速率约为 17/s，顶部池火下降速率约为40/s。灭火结束后，所有油池内柴油温度均降至 80 以下，且均有剩余柴油，灭火试验结果符合实体火灾试验灭火要求。3结 论通过模拟储油罐顶部油池火、围堤油池火、罐体侧壁流淌火场景，验证了泡沫-细水雾涡扇炮对储油罐类火灾场景的灭火有效性，结论如下。1）柴油池火燃烧的火羽流温度约为 1 000，其火焰形态受风力影响较大，试验中东侧燃烧强度明显弱于西侧。2）灭火系统布置在距罐体中心 22 m 及 24 m 处、该处热辐射值为 46 kW/m2，在此距离热辐射不会对设备造成破坏，距罐体中心 31 m、高 3 m 处的热辐射约为 24 kW/m2，不会对人员造成伤害。3）施加泡沫-细水雾后，火羽流区域温度快速下降，围堤油池和顶部油池火焰在 49 s 内被扑灭，灭火后持续降温，灭火试验结果符合实体火灾灭火要求。该储油罐火灾研究中，罐体为全开口，但在实际情况下，储油罐破裂处形状大小不一，燃烧时火焰动力学特征也不一样，下一步研究中可以考虑开口形状对火灾演化规律的影响。参考文献：1 李玉,董希琳,倪军,等.三相射流灭火技术灭火效能试验研究J.消防科学与技术,2015,34(7):894-896.2 葛晓霞,董希琳,郭其云,等.大型石油储罐消防设计研究J.中国安全科学学报,2008,18(9):79-83.3 傅智敏,黄金印.大型地上立式油罐区火灾爆炸危险与灭火救援J.消防科学与技术,2012,31(7):746-750.4 陶其刚,熊伟.大连石油储备库爆炸火灾扑救的几点启示J.消防科学与技术,2011,30(1):73-75.5 陈光,罗剑飞,景伟,等.大型换流变火灾与泡沫细水雾联用灭火系统特性研究J.消防科学与技术,2021,40(5):704-708.6 张铖铖.小尺度油罐火燃烧特性与火焰图像特征参量变化规律D.合肥:中国科学技术大学,2015.7 迟立发.油罐火灾的辐射热及其预测J.消防科学与技术,1983,2(2):10-16.8 韩帅,李玉,李伟东,等.基于 CFD 的大型储油罐区池火灾数值模拟J.中国安全生产科学技术,2020,16(9):133-139.9 张志阳.火灾环境下储油罐热响应及火焰高度演化规律研究D.合肥：中国科学技术大学,2020.Study on oil tank fire and fire extinguishing efficiency of foam-water mist combinationJing Wei,Luo Jianfei,Zhang Guoliang,Wu Liusuo(1.Beijing Nanrui Yihe Environmental-Technology Co.,Ltd.,Beijing 100085,China)Abstract:To study the combustion characteristics of large oil tank fire,this work established an experimental platform to simulation the combustion behavior of a 200 m3 oil tank fire,simulating oil pool fire on the top of the tank,oil pool fire on the embankment,and flowing fire on the side walls of the tank,whose combustion area reached 361.8 m2.The foam-water mist combined with a turbofan was used to study the extinguishing efficiency of this technology.The temperature field and thermal radiation field of the oil tank fire were analyzed.The results show that the application of foam-water mist combined with a turbofan can quickly extinguish the open fire in the burning scene of the oil tank fire,and has a significant cooling effect.Key words:oil tank fire;combustion characteristics;foam-water mist combined with a turbofan;oil pool fire;flowing fire作者简介：景 伟（1994-），男，北京人，北京南瑞怡和环保科技有限公司，工程师，硕士，主要研究方向为变电站消防、建筑火灾、新型灭火技术等，北京市海淀区东北旺西路中关村软件园千方大厦 A 座 5 层，100085。通信作者：罗剑飞（1989-），男，北京南瑞怡和环保科技有限公司高级工程师。收稿日期：2023-02-15（责任编辑：毛星）1697