大流量液氮泡沫系统

可提升灭火效能

 郎需庆

石化储罐因其储量大、数量多、布局密集等特点，存在固有的火灾风险。时至今日，石化储罐火灾的应急处置仍是困扰行业的重大难题。压缩空气泡沫系统是世界公认的高效灭火系统。然而，空压机、气体钢瓶等低流量的产气能力限制了其在石化罐区火灾应急处置中的应用。因此，实现大流量高压压缩气体稳定供给，是推动该灭火系统应用于石化罐区重大火灾处置的关键。

国家危险化学品应急救援技术指导中心于2013年开始研发液氮泡沫灭火装备，历经上百次实验和数值模拟，在2021年完成工程样机研制，2023年开发了第一台大流量液氮泡沫消防车。

“针对压缩空气泡沫灭火系统无法实现大流量供气的问题，国家危险化学品应急救援技术指导中心研发团队近年来曾研究采用汽车安全气囊产气剂供气的方案，但因产气温度在300摄氏度以上，无法直接用于泡沫生成。研究团队继而探索液氮气化供气技术，经工程测算发现，液氮所需气化装置的体积严重制约消防装备在火场的机动性，无法用于火场救援。”国家危险化学品应急救援技术指导中心研发人员牟小冬介绍，最终，研发团队于2014年创新性提出将液氮直接注入泡沫混合液发泡的想法，但还需攻克液氮超低温导致的泡沫液结冰堵塞管道等技术难题。

为突破液氮直注发泡技术的应用瓶颈，研发团队开发了适用于液氮原位气化的泡沫生成装置。该装置基于正压发泡原理，采用分步分区发泡技术路线，通过重构内部流道结构，结合多相流场数值模拟技术，系统优化了泡沫生成装置内的压力分布、温度梯度及流体流速场等关键参数。经135组对比实验验证，优化后的液氮泡沫生成装置不仅实现了液氮原位高效发泡，解决了管路结冰堵塞问题，还能将泡沫温度降低2摄氏度至3摄氏度。

在此基础上，研发团队进一步研发了液氮自增压注入系统。针对低温与常温管线布局、定量定压注入和系统启闭控制等核心技术问题，通过26套控制路线的对比和测试，开展了大量液氮泡沫喷射与灭火测试，以结果为导向修正液氮泡沫生成装置的控制参数，最终开发了智能化液氮控制系统。

与此同时，研发团队还完成了液氮泡沫撬装设备的集成设计。通过48次方案论证，对12立方米液氮罐、车载汽化器等关键部件进行系统化多目标空间优化，最终确定了液氮泡沫消防车的整体设计方案，既保障了用户操作安全，又满足了高效灭火的需求。

牟小冬介绍：“研发过程中，我们利用液氮泡沫灭火实验装置进行泡沫性能及灭火测试，采用移动式消防炮、高喷车、固定式消防炮、罐壁固定式泡沫系统等进行189次喷射测试和液氮泡沫1200米长距离输送测试，一遍遍摸索液氮与泡沫液混合参数的设置范围，同时，建立多尺度石化储罐模型，分别在直径1.5米、3.6米、11米、21米和26米油盘上进行泡沫冷态喷射和灭火测试，持续调整液氮泡沫生成装置结构，优化内构件的尺寸及安装位置，不断修正液氮泡沫的生成参数。”经过近十年持续攻关，解决了大流量供气问题，提升了泡沫灭火系统灭火效能。

为了充分验证该装置的灭火能力，该装置与高喷车编组喷射灭火，在直径26米油盘（相当于一万立方米储罐）上开展了全面积火灾液氮泡沫和吸气式泡沫对比灭火测试。液氮泡沫系统灭火时间为61秒，常规泡沫消防车灭火时间为215秒；液氮泡沫系统的泡沫液消耗量仅为吸气式泡沫消防车的46%，实现缩短灭火时间、降低泡沫消耗量的目标。

“大流量液氮泡沫灭火系统具有突出的技术优势，液氮泡沫不仅抗复燃能力强、泡沫层稳定性高，还能通过氮气窒息与泡沫覆盖隔离形成协同灭火机制。同时，液氮泡沫具有显著的冷却效果，配合大流量喷射特性，显著提升系统整体灭火效能。”牟小冬介绍。