变压器水喷雾消防系统设计的考虑

变压器水喷雾消防系统设计的考虑

    摘　要:详细分析变压器水喷雾消防系统的设计,实例介绍,可供参考。
    关键词:变压器;消防设计;水喷雾系统

    1 　变压器的结构及其火灾隐患
    变压器就其产品的种类和用途来分有电力变压器(有载调压变压器) 、试验变压器、电炉变压器、整流变压器和调压器等;有油浸变压器和干式变压器;有三相变压器和单相变压器, 如500 kV 变电所所用的500 kV 单相变压器。在电厂和变电所中较常见的是油浸电力变压器。油浸变压器基本上都由以下几部分组成: ①变压器主体, 即变压器器身, 由浸于变压器绝缘油油箱中的铁心和绕组线圈构成; ②变压器绝缘油及其管路系统; ③储油柜,又称膨胀油箱或油枕,位于变压器器身上方; ④冷却器(或散热器) , 变压器冷却器有风冷却器、水冷却器、片式散热器等,通过冷却器联管与主油箱相连,用于冷却并降低油箱内的绝缘油油温。冷却器可与器身紧接在一起,也可单独另外布置; ⑤高压套管, 位于器身之上, 端部带电, 温度较高; ⑥低压套管; ⑦高压中点套管, 又称中性点; ⑧调压开关; ⑨放油阀, 位于器身油箱底部; ⑩主控制箱; (11)压力释放阀,安全气道,净油器等。
    对于电压等级较高的变压器,除高低压套管外,还可能有中压套管。油浸变压器内部储有大量绝缘油,其闪点在130～140 ℃之间,但属可燃油。一旦变压器线圈短路,即可引发严重的火灾。如变压套管爆炸喷油燃烧。
    2 　变压器消防设计的必要性
    在发电厂和变电所中,各种大中小型油浸变压器使用特别多,而且这些变压器的安全问题直接影响到电厂变电所的正常运行, 特别是电厂的主变、高压厂用变、启动备用变等更是发电厂的核心设备, 一旦发生火灾,不仅影响电厂机组运行, 而且还威胁到周围建筑设备和人员的安全。1971 年至1991 年的20 年中全国火电厂共发生的86 次火灾中,变压器火灾约占了10 %左右。变压器火灾既是油类火灾, 也是电气火灾,一旦发生险情,一般极易形成爆炸,如短路火灾中,一旦短路发生, 变压器油箱内在极短的时间内(有的不到1 s) 便形成一个高温高压的空间,并随即爆炸起火。因此,必须对电厂及变电所重要的变压器设置相应的、适合的、可靠的、较为经济的消防灭火系统。
    用于保护各类变压器的灭火系统有:化学粉剂、二氧化碳、1211 或1301 等气体系统、水喷雾灭火系统及排油注氮灭火系统。目前,国内外对变压器消防应用最为普遍的是水喷雾灭火系统,因为该系统功效优良,造价较低,除灭火外还有冷却功效。
    3 　变压器水喷雾灭火机理及水雾喷头的选择
　　水喷雾系统通常是指喷咀在额定工作压力下喷出的液滴平均粒径在1 mm 以下的雾化水灭火系统。对水滴直径大于1 mm 的通常称为开花水,多由各种喷水系统的反射喷咀所形成,通常认为不属于水喷雾范畴, 当平均水雾滴径为0.05～0.3 mm , 称为水狸,也称超细水雾,是目前新兴的一门灭火技术。其灭火效果非常好。中国尚无实用例子。
    由于变压器火灾是带电的油类火灾,既要考虑油类火灾的特点,又要带电安全距离, 水喷雾系统喷射的雾状水滴是不连续的间断水滴,所以具有良好的电绝缘性能,可用于变压器消防保护。一般说来, 当水以细小的水雾滴喷射到正在燃烧的变压器表面时会产生以下作用。
    (1) 表面冷却。相同体积的水以水雾滴形态喷出时比直射流形态喷出时的表面积要大几百倍,当水雾滴喷射到燃烧表面时因换热面积大而会吸收大量的热迅速汽化,使燃烧的油表面温度迅速降到油热分解所需要的温度以下,使热分解中断,燃烧即中断,水雾滴径越小,单位面积水形成的水雾的表面积越大,冷却效果越好,同时电绝缘性能越好, 因此变压器水喷雾头的选择应充分考虑到这一点。要求产生的水雾滴径要小,同时也应考虑到喷雾滴大小也是重要因素。通常国内水雾喷头雾化液滴在额定工作压力下的平均粒径一般在1 mm 以下,大多在0.5 mm 左右。对用于变压器火灾的水雾滴宜在0.4～0.8 mm 之间,宜采用高速离心雾化型水雾喷头。同时, 表面冷却的效果还取决于灭火用水的温度与可燃物闪点的温度差,闪点愈高,与喷雾用水两者之间温差愈大,冷却效果亦愈好。变压器绝缘油的闪点在130～140 ℃之间,因此变压器水喷雾消防的冷却效果是很好的。
    (2) 窒息。水雾滴受热后形成原体积1 680 倍的水蒸汽,可使燃烧物质周围空气中氧含量降低, 燃烧将会因缺氧而受抑或中断。实现窒息灭火效果取决于能否在瞬间生成足够的水蒸气并完全覆盖在着火面。
    (3) 乳化。当水雾滴喷射到正在燃烧的变压器油表面时,由于水雾滴的冲击, 在液体表层造成搅拌作用,从而造成液体表层的乳化, 由于乳化层的不燃性使燃烧中断。变压器水喷雾系统对变压器的防护能起到灭火,抑制火灾,防止火灾蔓延,预防着火的作用。
    4 　变压器水喷雾消防设计前须要考虑的问题
    4.1 　采用的标准、规范、规定
    不同的工程采用不同的标准、规范、规定,中国国内工程一般采用国内标准、规范、规定, 如国家标准《建筑设计防火规范》( GBJ16 - 87) (2001 年版) 、《火力发电厂与变电所设计防火规范》( GB 50229 - 96) 、《水喷雾灭火系统设计规范》( GB 50219 - 95) ,电力行业标准《电力设备典型消防规程》( DL 5027 - 93) 、《火力发电厂设计技术规程》( DL5000 - 2000) 等, 也有的国内工程采用国外标准规范, 如华能珞璜电厂新建、扩建工程,山西河津电厂新建工程, 江西九江电厂新建工程等均要求采用美国NFPA 系列标准。国外工程中变压器消防一般采用美国NFPA 系列的较多。如西南电力设计院设计的伊朗ARAK 电厂工程中变压器消防就采用了美国NFPA 850 , NFPA15 等标准,设计的印度MALCO 电厂工程中变压器消防除采用上述标准外, 还需采用印度TAC 的有关标准、规范、规定等。同时还必须遵照该工程的合同要求及业主和业主顾问工程师的意见和要求。
    4.2 　需要多少套水喷雾系统
    在欧美,通常规范都规定一套水喷雾系统的总流量不得11335 L/ min 。再者,一套水喷雾系统的规模也受到水源或各种规范、针对各类型危险的个别规定及业主要求的限制。如中国设计印度MALCO 工程变压器消防时, SEC 为节省投资, 对七台变压器要求只做三套雨淋阀水喷雾系统,但受水量、水压限制,最终还是做了七套雨淋阀水喷雾系统。
    4.3 　水源及消防灭火压的排水问题
    设计前,应确定变压器水喷雾消防水水源,供水水源提供的水量、水压是否能满足最大一次变压器消防灭火所需的水量、水压, 消防水的排水问题在变压器油坑设计时是否已考虑到能顺畅地排走消防水。
    4.4 　所要保护的变压器资料
    (1) 变压器总布置图及安装图; (2) 变压器的外形尺寸图,应包括:变压器的总长、总宽、高;套管的高度和位置;油枕(膨胀油箱) 的尺寸及位置;冷却器(或散热器) 的位置,若散热器之间的距离超过0.3 m ,须加装喷头以加强保护; (3) 避雷装置的高度和位置(如果有的话) ; (4) 开关控制箱的位置和任何可以阻碍水喷雾系统动作的仪器设备大小及位置; (5) 变压器的大小(即高压或低压) 、电压等级; (6) 变压器的相位:单相或三相, (7) 高压来电的方向和低压电缆的方向; (8) 变压器安装的方法,变压器下部是否是三合土或碎(卵) 石环境,是否有油坑; (9) 变压器底部的距离和高度; (10) 变压器油坑(如果有的话) 的大小及深度,碎(卵) 石层厚度; (11) 防火墙的位置、高度及大小; (12) 估计风力的影响。
    5 　水喷雾系统设计
    设计一套变压器的水喷雾灭火系统是比较困难的。变压器的表面对于喷出来的水雾干扰极大,比保护油罐的设计更为复杂, 为了这个缘故, 必须采用多一点的水雾喷头予以补充。通常实际喷水量要比计算中的喷水量为高,因为必须要照顾到整个变压器都会被水雾覆盖。在系统设计前,最好取得变压器的顶部、侧部和底部的详图,决定不同形状的变压器面积,将变压器的形状归纳为简单的几何图形。如果变压器的形状凹凸不平, 而且有很多突出物, 也可以将图形略放大。简化的变压器图形, 除了底部外, 所有露出来的面积都要计算,然后将管道包围着这个几何图形。
    变压器通常被一圈一圈的管道包围,而喷头就均匀地和适当地安装于管道上。所有喷咀必须安装在适当位置上以便符合设计要求。布置的准则要达到足够的喷雾强度和完全覆盖, 但又不会过量, 通常最顶一层的管道是安装于变压器最顶部附近。其它各层管道根据喷咀的有效射程及喷雾锥底部半径及水雾喷头平面布置方式(矩形或菱形布置) 确定层高,直到下部。通常多为2～3 层布置。发电厂和变电所室外大中型变压器一般都设有油坑。对没有设有油坑而底部基础平台为砼或三合土或沥青建造的油浸变压器或底部距离油坑卵石面超过0.3 m 的变压器,变压器底部必须加装一层喷咀。
    在设计过程中,最重要而必须考虑的事情,就是喷头及管道与电器设备之间的安全距离,所有喷咀及管道与非绝缘的电力部件或带电部分必须符合要求。
    通常最好避免横越变压器的顶部,所以大部分顶部喷头的设计都是从旁边安装的,但是横越散热器之间的管道是允许的。水雾最好避免直接在带电高压套管上,因为带电高压套管的温度很高, 直接喷在其上极易使其爆裂。
    水雾喷在平滑而垂直的表面是最理想的,但变压器有很多配件或形状是突出的,可能会影响喷雾不能安全覆盖,这时须加装喷头, 以补充因突出的地方布水的不足。
    最初的设计面积和喷水量往往比布置水雾喷头后的喷水量少。如果水量过多或过少,可以将喷头的口径或压力调整, 便可得出一个最理想的设计水量。因为变压器的不规则形状,可能使喷头的数目比预期的多,同时为了要照顾到与管道对带电设备的安全距离,可能喷头的数量是不能减少的,这时,实际需要的流量会比最初设计的多。
    以下就是设计一套变压器水喷雾系统的详细步骤。
    (1) 根据所采用的标准规范确定变压器的设计喷雾强度W (L/ min•m2) 和变压器底部的排油设计喷雾强度W′(L/ min•m2) 。中国国际标准《水喷雾灭火系统设计规范》(GB 50219 - 95) 规定为W = 20 L/ min•m2 ,W′= 6 L/ min•m2;美国NFPA 15 (1990 年版) 规定为W ≥1012 L/ min•m2 ,W′≥611 L/ min•m2 。
    (2) 在确定变压器顶部和四周侧面总的外表面积为设计保护面积Sts(m2) 。
    在确定不同形状的变压器面积时,可将变压形状归纳为简单的几何图形,例如: 圆筒形或长方体形。除了离变压器底部油坑卵石层表面或变压器底部基础平台顶面小于0.3 m 的底部外,所有露出来的面积都要计入。即变压器的保护面积除扣除底面面积以外的变压器外表面面积确定外,尚应包括油枕、冷却器等的外表面面积。
    (3) 确定变压器顶部和四周侧喷雾水量Sts (L/min) 。
             Qts = W•Sts (L/ min) 。
    (4) 确定变压器底部的面积Sb (m2) 。
    这个面积就是计算变压器离开变压器底部油坑卵石层表面或变压器底部基础平台顶面超过0.3 m的底部面积。
    (5) 确定变压器底部排油喷雾保护的面积Sg(m2) 。
             Qb = W•Sb (L/ min) 。
    (6) 确定变压器底部排油喷雾保护的面积Sg(m2) 。
    对有油坑的变压器, Sg 应为油坑平面面积扣除变压器底部面积部分的面积。对没有油坑和卵石的变压器,则Sg 则指变压器排油所能涉及的周围地面面积。通常计算方法为:将变压器底部向四周再延长1.0 m 后计算的面积。值得说明的是,根据美国NF-PA 15 中4 - 4.3.4 变压器部分规定中可以看出对有排油系统,如有卵石层的油坑或不带油坑但变压器周围具有良好渗透性的地面这种情况,美国NFPA 15 是没有考虑该部分保护面积的。
    (7) 计算变压器底部排油喷雾保护面积的喷雾水量Qt (L/ min) :
              Qb = W′•Sb (L/ min) 。
    (8) 计算整个变压器所需的喷雾水量Qg (L/min) :
              Qt0 = Qts + Qb + Qg (L/ min) 。
              Qt = k•Qt0 (L/ min)
说明:为安全起见,对Qt 的取值都不同程度地考虑了一定的裕量。一般安全系数k 取1.05 - 1.10。
    (9) 初步确定喷咀前所需压力P0 (Mpa) 。
    水雾喷头的工作压力,相当于灭火时不得小于0.35 Mpa ;用于防护冷却时不应小于0.2 Mpa 。灭火的工作压力一般在0.35～0.80 Mpa 之间。
    (10) 选定水雾喷头,计算喷头个数,进行喷头布置。
    根据保护面积、喷雾强度,参与喷头的雾化角、有效射程及喷头的流量特性,综合考虑整体喷雾效果确定喷头的型号、数量及布置方式。
    单个喷头流量: q = K•(10 P0)1/2 (L/ min) ;
    最少所需喷头数: N = Qt/ q (个) 。
    喷头布置的原则是要取得足够的喷雾强度和覆盖面,但又不会过量。同时, 设计时必须考虑以下各点。
    1) 喷头及管道与电气设备带电(裸露) 部分的安全净距。
    在设计过程中,最重要而又必须考虑的就是喷头及管道与电气设备带电(裸露) 部分的安全净距。在选择对变压器高压带电部分设备的水雾喷头时,喷头的有效射程必须要大于该带电设备电压下的安全净距方能进行有效的保护。喷头管道布置时,所有喷头及管道与非绝缘的电力部件或带电部分必须附表中所示安全净距的要求。
    2) 喷咀与变压器表面的距离。
    如无必要,喷咀与变压器表面的距离最好保持在0.6 m 左右。
    3) 喷头在变压器顶部的布置。
    通常最好避免管道横越变压器的顶部,所以大部分顶部喷头的设计都是从旁边安装的,而水雾喷咀的水雾则从侧面抛向顶部。但是,横越散热器之间的管道是允许的,水雾最好避免直接喷在带电高压套管上。
    4) 同一管道不同位置的喷咀。
    有些设计为使水雾的覆盖面更全面完善,可能在同一层管道上通过一些支管,分别向上和向下喷射,这时可要增加适当的支架。
     5) 底层的喷咀。
    如果变压器或散热器是置于离地面或卵石层顶面超过0.3 m 的位置便需加装喷咀,通常是采用更大角度的喷咀,安装位置是向上的。
    6) 散热器之间的保护。
    如果散热器之间空位超过0.3 m 的距离,便需增加安装喷咀,喷射的方法是将散热器中间完全覆盖。
    7) 阻水的考虑。
    如果水雾喷在平滑而垂直的表面是最理想的,但变压器是有很多配件或形状是突出的,可能会影响喷雾不能完全覆盖。这时,便需加装喷咀,以补充因突出地方阻水的不足。
    8) 喷咀的垂直距离。
    通常喷咀的允许最高垂直距离是3.6 m ,实际上可能距离会短一些,以适应不同的变压器形状及大小而定。当然更与喷咀本身的特性和喷咀在垂直面上的布置有关。有效射程内水雾锥底圆半径越大,喷咀间允许的垂直距离也越大;喷咀在垂直面上菱形布置比矩形布置允许的垂直距离大。
    ①喷咀布置的位置和方向
    水雾喷咀之间的水平距离和垂直距离应满足水雾锥相交的要求。设计时,应根据厂家产品样本上提供的喷咀喷射性能曲线或性能参数,将各个布置平面上的喷咀在变压器喷射表面上的水雾锥绘出,观看水雾锥相交情况,分析整个变压器外表面是否被所布置的水雾喷咀在其有效射程内喷射的水雾所包络。如果未包络住,应增加喷咀或调整喷咀布置方式或调整喷咀安装角度。喷咀安装的方向和角度应为:在顶部的喷咀最好稍为向下,在垂直表面的喷咀应直接向着喷射的表面。如果变压器是不规则的形状,最好的喷射位置是面向角位,应尽量避免喷咀过多。在散热器中的喷咀最好向着散热器的空间喷射。
    ②过量喷洒
    在布置喷咀时,应避免过量喷洒,尽量安排喷咀集中喷射在变压器上,同时应当考虑到系统带电距离。
    ③地台排油的设计
    如果变压器位于地台之上0.3 m ,而地台的结构为砼、三合土或沥青等非渗透面,那么变压器之下一定要加装喷咀,而且必须向变压器外喷射。喷射的范围应是变压器外离开1.0 m 的面积,并以环绕整个变压器计算。安装这些喷头的原因是将易燃物体或油类冲走,使其离开变压器范围。安装这些喷头的管道也可从最底层的管道中接出。
    9) 从既定的喷咀布置中计算变压器水喷雾灭火系统的实际总水量。
    水喷雾灭火系统的水力计算可按《水喷雾灭火系统设计规范》(GB 50219 - 95) 和NFPA 15“Water Sprayfixed Systems for Fire Protection”进行计算。建议最好按MFPA 15 在微软的EXCEL 中利用其计算功能进行计算。
    根据系统最不利点(通常为最高点离接管水源最远点) 的喷咀设计压力逆水流方向逐级推算流量和水头损失,求出接管水源点处变压器水喷雾系统所需的总流量和压力,再根据接管水源点处水泵在该处提供的压力确定是否满足要求。水泵在该点提供的压力过高应考虑减压;如果压力不够应调整喷雾系统管道管径和喷咀口径。
    10) 系统的启动方式
    水喷雾系统启动方式有水力启动系统、气体式启动系统、电动式启动系统和手动式启动系统等方式。对变压器建议采用电动启动方式的线性定温火灾探测器或温差探测器进行探测控制。如可设置为每分钟若温升8.3 ℃及温度达到68 ℃或79 ℃或93 ℃时启动喷雾系统。通过设置,该启动系统对环境温度(当时气温) 的影响可减到最小。
    11) 施工图或详图设计阶段。
    在施工图或详图设计阶段应注意室外变压器的喷雾管道及管架的可拆卸性以便不影响变压器的正常维护检修。同时考虑水喷雾系统的喷头、配管及管架均应接地,接地电阻应在16Ω以下。
    6 　实例
    下面为采用NFPA 15 标准的一个变压器水喷雾初步水量计算实例。
    6.1 　变压器基本特性
    变压器外形尺寸:本体高4.32 m、宽3.47 m、长8.00 m
    220 千伏高压套管对地高度:7.30 m
    110 千伏中压套管对地高度:6.32 m
    油箱对地高度:4.30 m
    冷却器:总长5.2 m、宽:1.6 m、高4.2 m
    变压器本体连冷却器:总长13.70 m、总宽5.20m、总高7.30 m
    变压器油坑: 长16.00 m、宽8.00 m、平均深度0.60 m
    变压器底部离卵石层:0.50 m
    变压器储油量:62 m3 (油重56 t)
    冷却器油量:1.2 m3
    变压器油闪点:140～145 ℃
    6.2 　变压器设计喷射强度
    顶部与四周表面:10.2 L/ min•m2
    底部:10.2 L/ min•m2
    排油:6.2 L/ min•m2
    6.3 　变压器总喷洒面积
    根据美国MFPA 15 中4 - 4.3.4 (a) 条排油坑可不考虑排油喷洒保护,而变压器底部离油坑卵石层距离大于0.3 m ,变压器底部应考虑喷洒保护。则变压器总喷洒面积为
         St=Sts+Sb=2(13.7×5.2+13.7×7.3+5.2×7.3)=418.42m2
    变压器总的设计流量
         Qt = k •St •W = 1.1 ×418.2 ×10.2 = 4 695 (L/min)