陳濤 胡成 張佳慶 過羿 王雨薇 張鵬

(1.應(yīng)急管理部天津消防研究所 天津 300381； 2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學研究院 合肥 230601)

0 引言

大型特高壓換流變壓器是一種電壓等級高、能量大、儲油量多、火災(zāi)形式復雜的充油設(shè)備，其一旦發(fā)生火災(zāi)，將會造成重大經(jīng)濟損失，嚴重影響電網(wǎng)的安全運營[1-4]。

在我國已建成的特高壓輸電工程中，大型特高壓換流變壓器主要采用水噴霧滅火系統(tǒng)和泡沫噴霧滅火系統(tǒng)[5-6]，滅火系統(tǒng)設(shè)計主要參照《水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB 50219—2014)、《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB 50151—2010)等消防標準。其中，水噴霧滅火系統(tǒng)[7]是利用水霧噴頭在較高的水壓力下，將水流分離成0.2～2 mm甚至更小的霧滴，并噴向保護對象的滅火系統(tǒng)，一般由供水設(shè)備、管道、雨淋閥組、過濾器和水霧噴頭等組成。通常采用離心霧化型水霧噴頭，其有效水霧射程一般僅為3～5 m。

根據(jù)典型特高壓換流變壓器爆炸起火事故案例可知，受爆炸沖擊、隔聲罩設(shè)施沖砸、高溫炙烤等特殊因素影響，水噴霧滅火系統(tǒng)的噴頭及消防支管出現(xiàn)了較大程度損毀掉落，未能及時有效撲滅火災(zāi)。目前，國內(nèi)外關(guān)于特高壓換流變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)有效性的研究仍較少，尚未見在特高壓換流變壓器特殊火災(zāi)場景下水噴霧滅火系統(tǒng)的有效性研究。鑒于此，本文參照實際工程設(shè)計方式，建立了大型油浸變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)，采用冷噴實驗，通過模擬不同數(shù)量噴頭掉落，考察了水噴霧滅火系統(tǒng)受爆炸沖擊、隔聲罩設(shè)施沖砸、高溫炙烤等特殊條件的影響，分析了水噴霧滅火系統(tǒng)失效原因，以期為特高壓換流變壓器以及其他大型油浸變壓器消防提升及新型滅火系統(tǒng)開發(fā)提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

實驗?zāi)Ｐ桶▽嶓w油浸變壓器、集油坑、水噴霧滅火系統(tǒng)，如圖1和圖2所示。

圖1 實驗?zāi)Ｐ推矫娌贾?單位：mm)

圖2 消防管網(wǎng)立式布置

集油坑尺寸為長14.5 m×寬9.5 m，內(nèi)部充填鵝卵石層，正中心位置放置實體油浸變壓器。變壓器外圍尺寸為長10.9 m×寬5.4 m×高4.47 m，油枕高為6.8 m。水噴霧滅火系統(tǒng)管網(wǎng)采用環(huán)形供水方式，供水管網(wǎng)與集油坑邊沿平行，共分為3層管網(wǎng)，第一層高為5.2 m/6.4 m，第二層高為3.4 m/4.1 m，第三層高為2 m，每層安裝20只ZSTWB 30/90型水霧噴頭，噴頭間距為2 m。噴頭通過長為0.5 m的消防支管與供液管網(wǎng)連通。消防水泵采用ISR150-100-250A型離心泵，揚程為0.7 MPa，額定流量為188 m3/h。

在消防支管上噴頭前300 mm處設(shè)置壓力傳感器，測試不同位置噴頭的壓力變化。壓力傳感器采用TDS4033型高精度壓力傳感器，測量范圍為0～1.0 MPa，精度為0.075%，輸出信號為直流 4～20 mA，共7只。其中，P1測量水噴霧滅火系統(tǒng)雨淋閥處管道壓力，P2、P3測量上層噴頭壓力，P4、P5測量中間層噴頭壓力，P6、P7測量下層噴頭壓力。采用TP1000多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行實時采集記錄；采用Mavic 2無人機及NVR DS型高清視頻攝像系統(tǒng)拍攝記錄冷噴實驗過程噴頭噴霧覆蓋情況。

1.2 設(shè)計計算

根據(jù)實體油浸變壓器外圍尺寸，可計算出其外表面積約為204.6 m2。根據(jù)《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》要求，撲救油浸變壓器火災(zāi)時水噴霧供給強度應(yīng)不低于20 L/(min·m2)，這里按照20 L/(min·m2)計算，則供水流量為4 091.6 L/min。水噴霧滅火系統(tǒng)噴頭數(shù)量與單只噴頭流量計算式如下：

N=Q/q

(1)

(2)

式中，N為噴頭數(shù)量；K為噴頭流量系數(shù)；P為水霧噴頭入口處壓力，MPa；q為噴頭流量，L/min；Q為變壓器總需水量，L/min。

實際布置的總噴頭數(shù)量為60只，噴頭流量系數(shù)為30，代入式(1)、式(2)可計算出達到系統(tǒng)設(shè)計供給強度的工作壓力應(yīng)不低于0.52 MPa，滿足噴頭工作壓力不低于0.35 MPa的要求。

1.3 實驗工況與步驟

調(diào)試水噴霧滅火系統(tǒng)以及壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)等，完成后待用；實驗工況及拆掉的水霧噴頭數(shù)量如表1所示；啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)，開始采集記錄；啟動水噴霧滅火系統(tǒng)，待壓力穩(wěn)定不低于60 s并拍攝完成后停止噴霧；清理現(xiàn)場，并準備下次實驗。

表1 水噴霧滅火系統(tǒng)冷噴實驗工況

2 結(jié)果與討論

2.1 掉落噴頭占比對噴頭工作壓力與覆蓋范圍的影響

不同工況下水噴霧滅火系統(tǒng)的噴頭工作壓力如圖3所示，水噴霧冷噴包絡(luò)情況如圖4所示?？梢钥闯觯?%噴頭(4只)損毀掉落后，與掉落噴頭連接的消防支管壓力降至0.11 MPa，并且以水柱形式進行噴射，射程約10 m，噴射至器身上還會四處飛濺；其余未損毀掉落的噴頭壓力也大大降低，降至0.35～0.40 MPa。當10%噴頭(6只)損毀掉落后，與掉落噴頭連接的消防支管壓力降至0.08～0.10 MPa，并且以水柱形式進行噴射，射程約10 m，噴射至器身上還會四處飛濺；其余未損毀掉落的噴頭壓力也大大降低，降至0.28～0.32 MPa，全部低于標準規(guī)定的工作壓力要求，噴頭射程降低，無法全包絡(luò)變壓器。當20%噴頭(12只)損毀掉落后，與掉落噴頭連接的消防支管壓力降至0.04～0.06 MPa，并且以水柱形式進行噴射，射程約8 m，部分噴頭的水柱剛好噴射到器身上；其余未損毀掉落的噴頭壓力也大大降低，降至0.14～0.18 MPa，全部低于標準規(guī)定的工作壓力要求，噴頭射程降低，無法全包絡(luò)變壓器。當33%噴頭(20只)損毀掉落后，與掉落噴頭連接的消防支管壓力降至0.02～0.03 MPa，并且以水柱形式進行噴射，射程約4 m，大部分水柱剛好噴射到器身上；其余未損毀掉落的噴頭壓力也大大降低，降至0.06～0.10 MPa，全部低于標準規(guī)定的工作壓力要求，噴頭射程降低，無法全包絡(luò)變壓器。

圖3 噴頭工作壓力與掉落噴頭占比的關(guān)系

(a)噴頭完好

由此可見，噴頭工作壓力受掉落噴頭占比影響很大，在噴頭不受損的正常情況下，噴頭工作壓力均遠超標準規(guī)定的0.35 MPa；當有10%以上噴頭受損掉落后，所有噴頭工作壓力都降至標準規(guī)定的0.35 MPa以下，導致噴頭射程下降、覆蓋范圍縮小，無法全包絡(luò)變壓器。同時，噴頭掉落后，消防水直接從消防支管以水柱射流形式噴射，存在引發(fā)熱油火災(zāi)沸溢、飛濺的風險。

2.2 掉落噴頭占比對管道工作壓力的影響

不同工況下水噴霧滅火系統(tǒng)的管道壓力如圖5所示?？梢钥闯?，管道工作壓力比噴頭工作壓力略大，在噴頭不受損的正常情況下，管道壓力為0.61 MPa。隨著噴頭掉落占比升高，管道壓力迅速下降，且不同工況下管道工作壓力變化規(guī)律與圖3中未受損噴頭(如P2、P4和P6)工作壓力變化基本一致。

圖5 管道工作壓力與掉落噴頭占比的關(guān)系

2.3 掉落噴頭占比對有效噴霧流量的影響

不考慮受損掉落噴頭的流量，根據(jù)剩余噴頭工作壓力，按照式(2)可計算出不同工況下水噴霧滅火系統(tǒng)的有效噴霧流量，結(jié)果如圖6所示。可以看出，在噴頭不受損的正常情況下，水噴霧滅火系統(tǒng)有效噴霧流量為4 321.4 L/min，超過設(shè)計流量(4 091.6 L/min)，實際噴霧強度達21.1 L/(min·m2)，滿足標準規(guī)定要求。當有7%以上噴頭受損掉落后，系統(tǒng)有效噴霧流量會顯著降低，低于設(shè)計流量和設(shè)計噴霧強度，無法滿足標準規(guī)定要求，且受損噴頭數(shù)量越多，系統(tǒng)有效噴霧流量越低。當有7%噴頭受損掉落時，系統(tǒng)有效噴霧流量降至3 261.0 L/min，低于設(shè)計流量約830.6 L/min，實際噴霧強度僅為15.9 L/(min·m2)，低于標準規(guī)定要求；當有10%噴頭受損掉落時，系統(tǒng)有效噴霧流量降至2 814.4 L/min，低于設(shè)計流量約1 277.2 L/min，實際噴霧強度僅為13.8 L/(min·m2)，遠低于標準規(guī)定要求；當有20%噴頭受損掉落時，系統(tǒng)有效噴霧流量降至1 826.5 L/min，低于設(shè)計流量約2 265.1L/min，實際噴霧強度僅為8.9 L/(min·m2)，遠低于標準規(guī)定要求；當有33%噴頭受損掉落時，系統(tǒng)有效噴霧流量降至1 077.7 L/min，低于設(shè)計流量約3 013.9L/min，實際噴霧強度僅為5.3 L/(min·m2)，遠低于標準規(guī)定要求。

圖6 有效噴霧流量與掉落噴頭占比的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)噴頭工作壓力受掉落噴頭占比影響顯著，掉落噴頭占比越高，噴頭工作壓力越低。當?shù)袈鋰婎^占比超過10%時，所有噴頭工作壓力都降至標準規(guī)定的最低工作壓力以下，噴頭射程下降、覆蓋范圍縮小，無法全包絡(luò)變壓器。

(2)系統(tǒng)有效噴霧流量受掉落噴頭占比影響大，掉落噴頭占比越高，有效噴霧流量越小。當?shù)袈鋰婎^占比超過7%時，系統(tǒng)有效噴霧流量和噴霧強度均低于最低設(shè)計參數(shù)，達不到標準規(guī)定要求。

(3)水噴霧滅火系統(tǒng)噴頭受爆炸沖擊等特殊條件影響掉落后有引發(fā)火災(zāi)擴大的風險。當噴頭掉落后，消防水直接從消防支管以水柱射流形式噴射至變壓器器身及周邊，不僅不具備水霧滅火的能力，而且存在引發(fā)熱油火災(zāi)沸溢、飛濺、火勢擴大的風險。

(4)水噴霧滅火系統(tǒng)噴頭受爆炸沖擊等特殊條件影響掉落后，無法形成全包絡(luò)目標區(qū)域。尤其是在需要水噴霧滅火介質(zhì)的爆炸著火區(qū)域，會因噴頭掉落而無滅火介質(zhì)。