泡沫-细水雾对变压器油池火的冷却及热辐射阻隔特性研究.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 2;修改日期:2 0 2 2-1 0-1 0基金项目:南瑞怡和环保科技有限公司项目(S G T YHT/1 8-J S-2 0 9,5 2 4 6MK 1 9 0 0 0 5)作者简介:吴刘锁(1 9 8 2-),高级工程师,博士研究生,研究方向为聚合物改性。通讯作者:朱小龙,副研究员,E-m a i l:c q r c z x l u s t c.e d u.c n 第3 2卷 第1期2023年3月火 灾 科 学F I R ES A F E T YS C I E N C EV o l.3 2,N o.1M a r.2023文章编号:1 0 0 4-5 3
2、 0 9(2 0 2 3)-0 0 3 3-1 0D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 4-5 3 0 9.2 0 2 3.0 1.0 5泡沫-细水雾对变压器油池火的冷却及热辐射阻隔特性研究吴刘锁1,胡 健2,张建成1,罗剑飞1,石长江1,张美琪1,景 伟1,朱小龙2*(1.国网电力科学研究院有限公司,南京,2 1 0 0 0 3;2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,2 3 0 0 2 6)摘要:泡沫-细水雾在全尺寸变压器灭火实验中展现出高效灭火性能。纯水细水雾具有冷却效果好、热辐射阻隔能力强的特点,但添加泡沫灭火剂后对其冷却及热辐射阻隔特性的影响机
3、制尚不明确。对泡沫-细水雾和纯水细水雾的冷却与热辐射阻隔特性进行了对比实验,并基于雾特性测试结果对相应性能的差异进行了分析。发现添加泡沫灭火剂后能降低水雾的粒径,从而令泡沫-细水雾的冷却和热辐射阻隔性能优于纯水细水雾。此外,泡沫灭火剂中的阻燃物质也是加速火焰熄灭的重要因素。研究结果可为变压器灭火系统选择、泡沫-细水雾系统工况参数优化等方面提供理论指导。关键词:泡沫灭火剂;变压器油火;粒径分布;冷却特性;热辐射阻隔特性中图分类号:X 9 1 5.5 文献标识码:A0 引言近年来,随着我国电力工程的发展,特高压电网系统中的换流变压器数量不断增加。然而,其内部的绝缘油、绝缘衬垫和支架等材料加大了变压
4、器火灾的可能性及危险性,导致换流变压器的火灾事故率更高1。变压器中的绝缘油具有绝缘、冷却和消弧等作用,其使用量较大,虽然闪点较高(一般大于1 3 0),一旦被引燃,变压器内部压力会迅速上升,最终可能导致爆炸,而喷射的燃油会加剧事故的危险性,影响电力系统的正常运行,造成严重的人员伤亡、环境污染和经济损失2-4。近年来,在全尺寸变压器火灾灭火实验中,泡沫-细水雾技术和水成膜泡沫灭火技术均展现出良好的灭火效果5。细水雾由于粒径小、比热容大、蒸发潜热高、弥漫性能好,主要依靠冷却、阻隔热辐射6-8、稀释氧气的机理实现灭火。而水成膜泡沫灭火剂溶液因含有表面活性剂和阻燃剂等成分9,主要通过在油类表面形成隔绝
5、层窒息油类火1 0,1 1。从灭火机理上看,泡沫-细水雾可同时发挥细水雾和水成膜泡沫的优良特性,从而产生协同灭火作用,进一步提升灭火效果。然而,现有研究尚未从热辐射阻隔特性和冷却特性两方面揭示泡沫-细水雾相对于纯水细水雾的差异,导致在工程实践中关于变压器灭火系统选择、泡沫-细水雾系统工况参数优化等方面缺乏理论指导。为此,笔者针对泡沫-细水雾开展了冷却特性和阻隔热辐射特性的实验研究。在不同泡沫灭火剂种类和喷射工况条件下,研究了泡沫-细水雾的粒径、发泡倍率等特性的变化对冷却特性和阻隔热辐射特性的影响。1 实验设置为使研究结果更加贴合工程实际,选用的细水雾喷头为F T 1 0 e泡沫-细水雾涡扇炮中
6、采用的喷头。水雾喷头k系数1.2 3,雾锥角6 0。选用的泡沫灭火剂样品均为针对变压器火灾的商用产品,具体信息如表1所示。表1 泡沫剂样品基本信息T a b l e1 B a s i c i n f o r m a t i o no f f o a ma g e n t s a m p l e泡沫剂型号A RMTL L-3快速型生产厂家上海六里消防科技有限公司杭州睦田消防科技开发有限公司杭州睦田消防科技开发有限公司南瑞怡和环保科技有限公司类型抗醇水成膜灭火剂水系灭火剂水成膜灭火剂水成膜灭火剂表面张力1 7.72 6.61 6.71 6.8主要成分高分子生物胶、复合发泡剂、氟 表 面 活 性 剂
7、、溶剂等增稠剂、阻燃剂、稳定剂、发泡剂等碳氢表面活性剂、氟碳表面活 性 剂、助 溶 剂、稳 定剂、抗冻剂、防腐剂等碳氢表面活性剂、氟碳表面活性 剂、助 溶 剂、稳 定剂、抗冻剂、防腐剂等1.1 雾场特性测试方法1.1.1 雾滴粒径如图1所示,利用L a v i s i o n激光粒度分析仪通过阴影法对雾滴粒径分布进行测量,4个测点设置于雾场中轴线上,分别距离喷头出口0.4m、0.5m和1.0m。喷雾压力分别设置为0.5M P a、1.0M P a和1.5M P a。图1 雾滴粒径测量示意图F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fd r o p l e
8、t s i z em e a s u r e m e n t1.1.2 喷雾强度如图2所示,利用水雾收集器对雾场强度进行测量。水雾收集器由若干试管组成的收集矩阵构成。测试时,令雾化喷头竖直向下喷射,水雾收集器中心正对喷头中轴线,喷头出口与水雾收集器的距离分别设置为0.4m、0.5m和1.0m。喷雾持续时间为3 0s,喷雾结束后逐一测量试管内收集的液体质量,通过方程(1)计算可得测试平面上各个位置的喷雾强度大小:w=mS t(1)其中w为喷雾强度,L/(m i nm2);m为所收集的液体质量,k g;为液体密度,k g/L;S为试管的管口面积,m2;t为时间,m i n。图2 喷雾强度测试示意图
9、F i g.2 S c h e m a t i cd i a g r a mo f s p r a y i n t e n s i t y t e s t1.1.3 发泡倍数由于泡沫灭火剂溶液的表面张力明显低于纯水,其通过雾化喷头喷出时被雾场卷吸的空气会使液滴 产 生 一 定 的 发 泡 效 果,因 此 依 据 标 准G B5 0 2 8 1-2 0 0 6中的具体步骤对泡沫-细水雾的发泡倍数进行测量2。所测试的泡沫灭火剂样品为表1中43火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第3 2卷第1期的快速型泡沫灭火剂。1.2 热辐射阻隔特性测试方法1.2.1 实验系
10、统布置为观测雾场对热辐射的阻隔特性,自行搭建的实验系统如图3所示。利用电热丝加热器作为辐射源,功率设置为1 2 0kW。为避免雾场对恒定辐射热源产生影响,水雾不直接与辐射热源发生接触。辐射源与辐射计之间的距离为3m,相向布置。喷头距离地面高度1m,雾化喷头位于辐射源与辐射计连线的中心,且辐射源与辐射计的连线与雾场的中轴线相互垂直。为对比不同雾场厚度对热辐射阻隔效果的影响,施加泡沫-细水雾时的测试高度分别设置为0.5m、0.6m。由于雾锥角为6 0,测试高度为0.5m时对应的水雾喷射距离为0.5m,雾场厚度为0.8 1 6m;测试高度为0.6m时对应的水雾喷射距离为0.4m,雾场厚度为0.7 0
11、 3m。为对比喷雾压力对热辐射阻隔效果的影响,将工作压力分别设置为0.5MP a、1.0MP a和1.5MP a。为分析纯水细水雾与泡沫-细水雾的热辐射阻隔效果差异,将测试高度0.6m处测量施加纯水时的热辐射值与相同测试高度的泡沫-细水雾进行对比,通过对比施加喷雾前后辐射热流计所测得的辐射热通量实时变化值,可以定量分析不同工况下雾场的热辐射阻隔特性变化规律。图3 热辐射阻隔特性实验装置图F i g.3 E x p e r i m e n t a l s e t u pd i a g r a mo f t h e r m a l r a d i a t i o nb a r r i e rc h
12、 a r a c t e r i s t i c s1.2.2 实验步骤在施加纯水细水雾时,具体实验步骤如下:(1)搭建实验系统,向水箱中注满水,将喷头处的喷雾压力调节为设定值;(2)开启辐射源和数据采集系统,记录辐射计的实时变化数据;(3)当辐射计之间的实时辐射值偏差稳定且低于5%时开启喷头;(4)雾 流 场 稳 定 时 连 续 记 录 热 辐 射 值 至 少1m i n;(5)同一工况,重复步骤(2)、(3)三次。在施加泡沫-细水雾时,将水箱中的水更换为表1中浓度为3w t%的快速型泡沫灭火剂溶液,其余步骤与上述步骤一致。1.3 火焰冷却特性测试方法1.3.1 实验系统设置火焰冷却特性实验
13、系统如图4所示。采用2 5变压器油作为燃料。为使雾场只与火焰作用而不与油表面接触,将喷头高度设置为0.7 5m,油盘置于地面,喷头与油盘的水平距离为1m。油盘中心上方沿竖直方向布置5个热电偶,用于实时记录火焰的温度变化情况,热电偶的间距为0.2m。油盘的长、宽、高分别为0.3m、0.3m和0.0 5m,油盘中加入的变压器油体积为5 0 0m L。辐射热流计的方向正对火焰,距离油盘2m,高度为0.3m。图4 冷却特性实验布置示意图F i g.4 L a y o u t o f c o o l i n gc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t1
14、.3.2 实验步骤在施加纯水细水雾时,具体实验步骤如下:53V o l.3 2N o.1吴刘锁等:泡沫-细水雾对变压器油池火的冷却及热辐射阻隔特性研究(1)搭建实验平台,向水箱中注满水,将喷雾压力调节为1MP a;(2)通过辐射加热器将油盘内的变压器油加热到1 8 0后点燃,并将油盘移至测试点;(3)开启数据采集设备,持续燃烧1m i n,待火焰温度达到稳定值后开启水雾;图5 喷射距离0.4m处不同工作压力下样品液及纯水细水雾雾滴粒径分布F i g.5 D r o p l e td i a m e t e rd i s t r i b u t i o no f s a m p l e l i
15、q u i da n dp u r ew a t e rm i s tu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gp r e s s u r e sa t t h e s p r a y i n gd i s t a n c eo f 0.4m(4)连 续 采 集 实 验 数 据,直 至 油 盘 内 火 焰 被扑灭。在施加泡沫-细水雾时,将水箱中的水逐一更换为表1中 的4种 泡 沫 灭 火 剂 溶 液,浓 度 设 置 为3w t%,其余步骤与上述步骤一致。2 实验结果与分析2.1 不同工况下雾场特性测量结果2.1.1 雾滴粒径本研究测量了纯水和3w t%快速型
16、泡沫液分别在0.5MP a,1.0MP a和1.5MP a压力下的水雾粒径分布。在测点高度为0.6m处,不同工作压力下液体的雾滴粒径分布测量结果如图5所示。图6展示了三个测点高度处,不同压力下的雾滴粒径63火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第3 2卷第1期图6 不同工作压力下样品液及纯水细水雾雾滴粒径F i g.6 P a r t i c l e s i z eo f s a m p l e s o l u t i o na n dp u r ew a t e rm i s t u n d e rd i f f e r e n tw o r k i n
17、gp r e s s u r e sD3 2和DV 9 0。喷雾压力上升时会使液体通过喷头的速度上升,进而导致液体喷出后的旋转离心力和气/液两相间剪切力增大,因此,可在图6中观察到雾滴粒径与雾化压力呈负相关关系。液滴从雾化喷头喷出后,一方面在离心力和剪切力的作用下发生破碎,另一方面,液滴之间接触后将发生并聚。从测试结果看,当喷射距离从0.4m增加到0.5m时,雾滴粒径稍有下降,表明在此距离范围内液滴破碎发生的概率高于并聚发生的概率。当喷射距离从0.5m增加到1m时,雾滴粒径明显上升。表明喷射距离较远时,液滴并聚发生的概率逐渐超过破碎发生的概率。3w t%快速型泡沫液雾化后整体的粒径分布相较于纯
18、水更小,原因主要是添加剂使得表面张力由纯水的7 2mN/m下降至1 8mN/m,这使得液滴破碎所需要克服的能量损失显著下降,因此泡沫溶液在剪切力和离心力作用下更容易破碎为粒径更小的雾滴1 2。此外,添加泡沫液后,雾滴粒径随着工作压力和喷射距离的变化趋势与纯水雾场的变化趋势一致。2.1.2 喷雾强度不同喷射工况及喷射距离处平均喷雾强度的测试结果如表2所示,是否添加泡沫溶液对喷头流量计喷雾强度无明显影响。随着工作压力上升,喷头流量增大,喷雾强度随之增大。随着喷射距离增大,雾场覆盖面积增大,因而喷雾强度下降。表2 不同压力下的喷头流量计平均喷雾强度T a b l e2 A v e r a g e s
19、 p r a y i n t e n s i t yo fn o z z l ef l o w m e t e ru n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e s压力/MP a流量/(L/m i n)平均喷雾强度/(L/(m i nm2)喷射距离0.4m喷射距离0.5m喷射距离1.0m0.52.81 5.09.14.81.03.92 0.91 2.76.61.54.82 5.81 5.68.12.1.3 发泡倍数泡沫-细水雾的发泡倍数测量结果如表3和图7所示。发泡倍数随工作压力增大略有上升。但是雾滴粒径测量结果表明,工作压力越大,泡沫-细水雾的粒径越小,如
20、图6所示。此外,泡沫-细水雾的雾滴粒径测量结果小于纯水细水雾,另一方面,收集到的泡沫发泡倍数达到3.7倍5.1倍。从这两种相反的变化趋势可推断出发泡过程主要发生在雾滴撞击收集罐时,而非雾滴在空气中运移过程中。泡沫是由若干小气泡构成,形成小气泡要求空气被包裹在液膜中。这种包裹形成过程难以在雾滴喷出时发生,但极易在雾滴撞击收集罐时发生。因此,在阻隔热辐射及冷却火焰的分析中,可将雾场中的泡沫-细水雾视为小液滴而非小气泡。73V o l.3 2N o.1吴刘锁等:泡沫-细水雾对变压器油池火的冷却及热辐射阻隔特性研究(误差线表示4次重复测量中测得的标准差)图7 泡沫-细水雾发泡倍数测试结果F i g.7
21、 F o a mw a t e rm i s t f o a m i n gm u l t i p l e t e s t r e s u l t s表3 不同压力下泡沫-细水雾的发泡倍数T a b l e3 F o a m i n gm u l t i p l eo f f o a mw a t e rm i s tu n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e s压力/MP a流量/(L/m i n)发泡倍数0.52.83.7,4.6,4.0,4.11.03.94.3,4.4,4.1,4.31.54.84.1,4.7,4.9,5.12.2 热辐射阻隔特性
22、热辐射阻隔率的计算方法为:=1-21(2)其中1为喷雾未启动时辐射计测得的来自辐射源的辐射热流流量,单位为kW/m2;2为喷雾开启时辐射计测得的辐射热流量,单位为kW/m2。细水雾主要通过散射和吸收两种方式阻隔热辐射,杜永成等1 3基于M i e氏理论1 4推导出了理想条件下的细水雾消光能力计算方程:K=4NdD23 2Qe x t(D3 2,0)(3)其中变量K表示相同量水产生的初始粒径为D3 2,0的所有雾滴的消光截面之和,Nd为单位体积内的雾滴数;D3 2为索特平均直径;Qe x t为消光效率因子,包括光散射和热吸收两种消光方式。表4和图8展示了纯水细水雾和泡沫-细水雾对热 辐 射 的
23、阻 隔 效 率 测 试 结 果。在 测 点 高 度 为0.6m时,雾场的喷射距离为0.4 m,雾场厚度为0.7 0 4m。在该测点处泡沫-细水雾与纯水细水雾均进行了热辐射阻隔实验。可以观察到喷雾强度随着压力增大而增大时,的取值随之增长。这是因为方程(3)中Nd的取值与喷雾强度的变化趋势一致,Nd的取值越大则热辐射阻隔效果越好。表4 热辐射阻隔效率测试数据T a b l e4 T h e r m a l r a d i a t i o nb a r r i e re f f i c i e n c y t e s td a t a泡沫类型压力/MP a泡沫场厚度/m喷雾强度/(L/m i nm2
24、)平均热辐射阻隔率快速灭火型0.51.01.50.7 0 47.23 9.0 7%0.8 1 65.43 7.9 8%0.7 0 41 0.14 3.9 4%0.8 1 67.54 1.6 6%0.7 0 41 2.46 2.3 0%0.8 1 69.26 1.4 3%纯水细水雾0.50.7 0 47.23 2.9 0%1.00.7 0 41 0.13 3.0 4%1.50.7 0 41 2.44 4.5 8%(误差线表示三次测量结果的标准差)图8 不同压力下热辐射阻隔效率F i g.8 T h e r m a l r a d i a t i o nb a r r i e r e f f i
25、c i e n c yu n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e s纯水细水雾在工作压力从0.5MP a上升到1.0MP a时,从3 2.9%缓慢上升至3 3.0 4%。当压力进一步从1.0MP a上升至1.5MP a时,的上升梯度明显增大,最终达到4 4.5 8%。的上升梯度变化趋势与喷雾强度的上升梯度变化趋势存在明显的差异。这是因为压力变化不仅引起了喷雾强度的上升,而且使得整体雾滴粒径下降。方程(3)中Qe x t83火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第3 2卷第1期的取值受到雾滴粒径和辐射光波长范围的影响。由
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