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1、大型危化装置全表面火灾事故 消防装备配备及扑救方法分析 2015年7月 中国安全生产科学研究院 主要内容 一、背景及现状 二、灭火机理研究 三、装备配备 四、扑救方案 一、背景及现状 1. 背景 2. 消防应急救援现状 3. 救援成本核算 一、背景及现状 1. 背景 近年来，我国石化行业高速发展，随着装置大 型化、产业集约化特点日益显现，重特大事故时有 发生。 福建漳州腾龙芳烃火灾 一、背景及现状 1. 背景 储罐火灾主要是由于储罐内物料泄漏或储罐本身 破裂导致。以外浮顶罐为例，浮顶受损的原因如下： 浮顶破损浮顶沉没 一、背景及现状 1. 背景 64% 12% 12% 8% 4% 40% 32
2、% 20% 3%5% 一、背景及现状 2. 消防应急救援现状 大多数储罐火灾都起始于局部小型火灾，如密封圈起 火。 通过使用液上、液下泡沫注入系统，固定泡沫喷射装置 ，罐顶喷淋装置，以及手持泡沫枪或举高喷射消防车进 行扑救，足以控制、扑灭局部小型火灾。 一、背景及现状 2. 消防应急救援现状 当储罐发生全表面火灾时，有时会伴随罐顶或罐 壁塌陷、损毁，储罐本身配置的消防装置往往已 经失效； 外部消防装备的配备，射程和高程受到局限； 当前普遍采用的灭火方法是借助大量消防力量对 事故及周边区域进行冷却和防护，限制火势蔓延 ； 等待事故储罐中物料燃烧殆尽，宣告灭火成功。 一、背景及现状 3. 救援成本
3、核算 传统灭火过程持续时间很长，不仅给扑救工作的安 全、消防物资和环境保护带来沉重压力，同时对储罐 内物料的浪费也十分巨大。 以十万吨原油储罐起火为例，即使不考虑沸溢事故带 来的风险，等待罐内油品完全烧尽所需的成本如下： 原油损失(按60美元/桶计)：550万元人民币/小时 周边冷却泡沫消耗：180万元/小时，总计约1亿元。 储罐价值：约1800万元 所有消耗总计约：4.4亿元 二、灭火机理研究 1. 燃烧过程分析 2. 灭火方案分析 3. 后续处置 二、灭火机理研究 1. 燃烧过程分析 油品被引燃的条件：形成火三角 油品蒸汽与助燃剂（氧气）的混合比例在 其可燃区间 混合蒸汽被引燃（雷电、静电
4、、明火、电 火花等，或达到足够高的温度） 二、灭火机理研究 1. 燃烧过程分析 储罐内的油品受 火焰热辐射蒸发出来 蒸汽逐渐与空气混 合。当混合蒸汽的浓 度到达可燃区间后， 燃烧才得以进行。因此火焰是浮在油品上方燃烧的。 油品接触表面蒸汽过浓，无火焰 蒸汽上升，开始接触氧气，不完全燃烧 蒸汽继续上升，与氧气充分混合，完全燃烧 二、灭火机理研究 1. 燃烧过程分析 储罐燃烧面积巨大，不断释放热量，很难迅速全面降 低整个储罐和油品的温度； 持续燃烧释放的热量，会进一步加速油品蒸发，形成 可燃蒸汽进行燃烧； 因此，灭火的最常用手段是打破油品蒸汽与空气的混 合比例，使其处于可燃区间之外； 使用消防泡沫
5、覆盖油品表面，阻止其蒸发过程的持续 进行，同时起到隔绝氧气和冷却作用，是针对大多数 油品火灾最有效的灭火方式。 二、灭火机理研究 2. 灭火方案分析 传统的通过几辆消防车环绕喷射的灭火方式， 即分散施加多个小流量水/泡沫的灭火方式，无法抵 消油品持续燃烧释放的热量， 因此无法扑灭大型储罐 全表面火火。 二、灭火机理研究 2. 灭火方案分析 因此应采取的 方案是将大流量泡 沫集中覆盖到油品 表面，形成局部泡 沫覆盖层，阻止油 品蒸汽与氧气接触 ，使火焰失去继续 燃烧的燃料。 覆盖层形成越快， 火灾被扑灭的越 快。 蒸汽混合比例 二、灭火机理研究 2. 灭火方案分析 泡沫使用原则 为确定有效覆盖罐
6、顶表面所需的泡沫量，各国 家行业协会、企业消防的泡沫灭火标准规定了储罐 发生全表面火时的泡沫施用标准。 以美国NFPA为例： 烃类类别泡沫施用强度 一类(闪点 65 min65 min90 min 65 min （ +60%冗余） 二、灭火机理研究 2. 灭火方案分析 油罐直径FDMAJapan （2005） FDMAJapan （换算后） Williams Footprint （威廉姆斯专利技术） 消防炮流量泡沫密度泡沫密度 34 45m10,000-升/分6.5-升/分/米6.5-升/分/米 45 60m20,000-升/分7.3-升/分/米7.3-升/分/米 60 75m40,000-升
7、/分8.2-升/分/米8.2-升/分/米 75 90m50,000-升/分9.0-升/分/米9.0-升/分/米 90 100m80,000-升/分12.9-升/分/米12.9-升/分/米 泡沫应用时间120分钟65 min （+60%冗余） 日本消防厅2005年的消防炮流量标准经换算后也与威 廉姆斯公司的流量要求基本相同。 二、灭火机理研究 2. 灭火方案分析 泡沫在高温下不能长期存在，会分解变性，反而 可能对灭火起负面影响。 消防 泡沫 持续高温作用 油品溶解吸收 分解产物 消防水 部分变性甚至可燃 可能导致储罐内物料沸溢、 溅溢或溢出形成流淌火 二、灭火机理研究 复燃实例视频 二、灭火机理
8、研究 2. 灭火方案分析 因此为防止泡沫失效，应根据扑救物质的特性限 定灭火时间（国际先进水平一般控制在30-65分 钟之内将火扑灭）。 若假定灭火时间为65分钟，则可根据前文给出的 表格计算出所需准备的最低消防水和泡沫原液总 量。此处以威廉姆斯公司标准为例进行计算，具 体如下表所示。 二、灭火机理研究 储罐容 量 直径 （m ） 上表面 积（m2 ） 泡沫施用密 度L/min/m3 泡沫液流 量（L/s ） 消防水 总需求 量（t） 3%泡沫需 求总量（ L/t） 6%泡沫需 求总量（ L） 1万立储 罐 307076.577299 8959/ 8.959 17919 2万立储 罐 4012
9、576.5136531 15928/ 15.93 31856 3万立储 罐 4616626.5180702 21065/ 21 42129 5万立储 罐 6028277.33441342 40248/ 40 80497 10万立 储罐 80502697542941 88216/ 88.2 176432 15万立 储罐 98754310.212825001 150029/1 50 300059 考虑到灭火后要持续加载泡沫60分钟，所以以上泡沫用量要乘以1倍 不同储罐全表面火对泡沫的需求量（不计冗余量） 二、灭火机理研究 2. 灭火方案分析 由上表可知： 储罐直径越大，所需单位时间单位面积的泡沫流
10、 量就越多，所需泡沫总量就越大。 若泡沫投放效率低于所需最低标准，则无法在65 分钟内有效完成扑救，所需泡沫、消防水的总量 将大大增加。 因此，大型储罐全表面火扑救前，应首先集中当 前所有消防物资（水、泡沫），计算物资总量是否 满足扑救需求；若不满足则需调集足够物资，避免 无意义的投入带来的资源浪费。 二、灭火机理研究 2. 灭火方案分析 氧气吸入窗口 大型储罐在无 风条件下燃烧时， 氧气由四周沿罐壁 上方被吸入，因此 火焰靠近罐壁周边 处为负压；废气自 罐顶排出，火焰顶 部为正压。 氧气吸入窗口 二、灭火机理研究 2. 灭火方案分析 有风条件下，上风 位置罐壁处为负压，氧 气由此被吸入；自中
11、心 偏下风向位置处于正压 ，气体向上排出。 若泡沫由燃烧储罐 的正压处入射，其扬升 作用会使泡沫被吹飞飘 散，不易于凝聚成柱， 损耗极大。 氧气吸入窗口 二、灭火机理研究 2. 灭火方案分析 因此，泡沫液应由燃烧储罐的上风向处，瞄准火 焰吸入窗口，即沿罐壁上表面处由负压吸氧位置切入 火场，使损耗达到最小。 由吸氧窗口入射 效率最高 二、灭火机理研究 2. 灭火方案分析 氧气吸入窗口范围(俯视图) 风向 吸氧窗口范围 在有风情况下，吸氧 窗口一般位于储罐上 风向由罐壁向储罐中 心延伸的一片区域， 如右图所示。 因此泡沫入射也应由 此位置射入。 二、灭火机理研究 2.灭火方案分析 泡沫的入射位置选
12、择： 由火焰吸入窗口以 固定角度、稳定流 量持续大流量射入 泡沫，形成泡沫稳 定覆盖层。 稳定覆盖层形成后， 进一步扩大覆盖区域 ，形成全表面覆盖， 进而扑灭余火。 二、灭火机理研究 2.灭火方案分析 全表面覆盖（足迹理论） 足迹理论是美国威廉姆斯火灾和危险物质控制公司从 700余次火灾的成功扑救经验中总结出的一套大型储 罐全表面火灾扑救理论，并申请了专利。 足迹理论认为泡沫在储罐表面是有流动趋势的，有效 利用泡沫流动足迹可以快速形成储罐表面火场分割和 全面覆盖，同时有效避免泡沫浪费。 不同的消防装备形成的足迹是各不相同的，明确装备 性能并合理配置是成功扑灭储罐火的前提。 二、灭火机理研究 2
13、.灭火方案分析 全表面覆盖（足迹理论） 由吸氧窗切入的泡沫的落点 形成椭圆形印记；但由于较 大的初始的动能及热辐射效 应会继续在液面上方继续向 前漂移一定距离（约30米） ； 随着泡沫持续的投放，泡沫 液会沿箭头所指方式流动， 直至覆盖整个储罐； 若储罐直径很大，则可能存 在泡沫无法覆盖的死角，需 其它消防装备配合灭火。 泡沫流动至此 已失效，出现 覆盖死角 二、灭火机理研究 2.灭火方案分析 足迹理论 右图为不同流量消防炮形 成的瞬时落点的尺寸，流 量越大，落点尺寸就越 大。 以8000GPM(500L/s)的消防炮为 例，其落点尺寸约为4020米2 ，泡沫着陆后会继续向前漂移 约30米距离
14、，因此应合理选择 泡沫落点，避免浪费或不足。 同时，不同尺寸储罐对泡沫的 流量也有不同要求，下文会进 一步详述。 二、灭火机理研究 2.灭火方案分析 足迹理论应用 以5万立储罐为例 ，当消防装备一台 375L/s消防炮时，其泡 沫落点的覆盖面如右图 所示，最远端距离罐壁 约为10米小于30米漂移 距离，能够有效覆盖整 个储罐表面，因此可以 适用本储罐消防。 二、灭火机理研究 2.灭火方案分析 足迹理论应用 同样是5万立储罐 ，当消防装备为三台 125L/s消防炮时，其泡 沫落点的覆盖面如右图 所示，最远端距离罐壁 约为26米小于30米漂移 距离，因此仍然能够有 效覆盖整个储罐表面， 可以适用本
15、储罐灭火。 二、灭火机理研究 2.灭火方案分析 足迹理论应用 以直径76米储罐（约8 万立）为例，消防装备仅有 一台375L/s消防炮已经不能 满足灭火对泡沫流量需求， 因此应额外配备两台125L/s 消防炮方可达标。其泡沫落 点的覆盖面如右图所示，最 远端距离罐壁小于30米漂移 距离，能够有效覆盖整个储 罐表面，因此可以适用本储 罐消防。 二、灭火机理研究 2.灭火方案分析 足迹理论应用 同样是直径76米储罐（ 约8万立），若消防装备仅 有125L/s消防炮共5台，其 流量总和可以满足灭火对泡 沫流量需求；然而，由于泡 沫落点远端距离罐壁大于30 米漂移距离，无法有效形成 全表面覆盖，因此该
16、消防装 备不能适用本储罐的消防。 二、灭火机理研究 全表面覆盖实验 二、灭火机理研究 2.灭火方案分析 综前所述，灭火过程应符合如下原则： 短时间内，将大流量、完全覆盖起火表面的泡 沫集中投放到罐顶，并保持泡沫持续输送强 度。 若泡沫投放能力不足，将会延长完全覆盖起火表 面的时间，有可能导致前期投放的泡沫失效，进 一步延长完全覆盖所需时间。 二、灭火机理研究 3. 后续处理 火势被完全压制后，应继续向罐体施用冗余泡沫，降低罐 体和油品温度，防止复燃发生。具体冷却原则见第四章 节。 12 34 三、装备配备 1. 配备原则 2. 配备方案 三、装备配备 1.配备原则 低于所需最低用量的消防泡沫投放强度无法有效进行扑 救。 如右图所 示，几辆消防 车的小流量喷 射能力不能满 足该储罐对消 防泡沫流量的 需求，因此无 法扑灭该储罐 火灾。 三、装备配备 日本某储罐案例，受地形和道路限制，消防力量无法完全展开 ；同时道路发生严重拥堵，一旦发生沸溢
