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

2023-06-17吴刘锁张建成罗剑飞石长江张美琪朱小龙

火灾科学 2023年1期

吴刘锁,胡健,张建成,罗剑飞,石长江,张美琪,景伟,朱小龙*

(1.国网电力科学研究院有限公司,南京,210003;2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026)

0 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130 ℃),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层窒息油类火[10,11]。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FT10e泡沫-细水雾涡扇炮中采用的喷头。水雾喷头k系数1.23,雾锥角60°。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Table 1 Basic information of foam agent sample

1.1 雾场特性测试方法

1.1.1 雾滴粒径

如图1所示,利用Lavision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0.4 m、0.5 m和1.0 m。喷雾压力分别设置为0.5 MPa、1.0 MPa和1.5 MPa。

图1 雾滴粒径测量示意图 Fig.1 Schematic diagram of droplet size measurement

1.1.2 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0.4 m、0.5 m和1.0 m。喷雾持续时间为30 s,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：

图2 喷雾强度测试示意图Fig.2 Schematic diagram of spray intensity test

(1)

其中w为喷雾强度,L/(min·m2);m为所收集的液体质量,kg;ρ为液体密度,kg/L;S为试管的管口面积,m2;t为时间,min。

1.1.3 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GB 50281-2006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120 kW。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3 m,相向布置。喷头距离地面高度1 m,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0.5 m、0.6 m。由于雾锥角为60°,测试高度为0.5 m时对应的水雾喷射距离为0.5 m,雾场厚度为0.816 m;测试高度为0.6 m时对应的水雾喷射距离为0.4 m,雾场厚度为0.703 m。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0.5 MPa、1.0 MPa和1.5 MPa。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0.6 m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Fig.3 Experimental setup diagram of thermal radiation barrier characteristics

1.2.2 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1 min;

(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3 wt%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

图4 冷却特性实验布置示意图Fig.4 Layout of cooling characteristic experiment

1.3.2 实验步骤

在施加纯水细水雾时,具体实验步骤如下：

(1)搭建实验平台,向水箱中注满水,将喷雾压力调节为1 MPa;

(2)通过辐射加热器将油盘内的变压器油加热到180 ℃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1 min,待火焰温度达到稳定值后开启水雾;

(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3 wt%,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3 wt%快速型泡沫液分别在0.5 MPa,1.0 MPa和1.5 MPa压力下的水雾粒径分布。在测点高度为0.6 m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D32和DV90。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。

图5 喷射距离0.4 m处不同工作压力下样品液及纯水细水雾雾滴粒径分布Fig.5 Droplet diameter distribution of sample liquid and pure water mist under different working pressures at the spraying distance of 0.4 m

图6 不同工作压力下样品液及纯水细水雾雾滴粒径Fig.6 Particle size of sample solution and pure water mist under different working pressures

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0.4 m增加到0.5 m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0.5 m增加到1 m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。

3 wt%快速型泡沫液雾化后整体的粒径分布相较于纯水更小,原因主要是添加剂使得表面张力由纯水的72 mN/m下降至18 mN/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[12]。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Table 2 Average spray intensity of nozzle flowmeter under different pressures

2.1.3 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。

(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Fig.7 Foam water mist foaming multiple test results

表3 不同压力下泡沫-细水雾的发泡倍数Table 3 Foaming multiple of foam water mist under different pressures

2.2 热辐射阻隔特性

热辐射阻隔率ε的计算方法为：

(2)

其中φ1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;φ2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[13]基于Mie氏理论[14]推导出了理想条件下的细水雾消光能力计算方程：

(3)

其中变量K表示相同量水产生的初始粒径为D32,0的所有雾滴的消光截面之和,Nd为单位体积内的雾滴数;D32为索特平均直径;Qext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-细水雾对热辐射的阻隔效率测试结果。在测点高度为0.6 m时,雾场的喷射距离为0.4 m,雾场厚度为0.704 m。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,ε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。

(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 Fig.8 Thermal radiation barrier efficiency under different pressures

表4 热辐射阻隔效率测试数据Table 4 Thermal radiation barrier efficiency test data

纯水细水雾在工作压力从0.5 MPa上升到1.0 MPa时,ε从32.9%缓慢上升至33.04%。当压力进一步从1.0 MPa上升至1.5 MPa时,ε的上升梯度明显增大,最终达到44.58%。ε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Qext的取值受到雾滴粒径和辐射光波长范围的影响。由于热辐射主要依靠红外光(波长1 μm～40 μm[13])进行传播,理论计算得出雾滴粒径为10 μm时K值最大,随着雾滴粒径从10 μm往上增大,热辐射阻隔效率逐渐下降[13]。随着工作压力的上升,纯水细水雾的雾滴粒径范围逐渐向10 μm靠近,因此泡沫-细水雾的热辐射阻隔能力更强。此外,Nd的取值由雾滴粒径分布和喷头水流量两个因素共同决定。在水流量不变时,整体雾滴粒径越小则Nd的取值越大,进而导致雾场的热辐射阻隔效率越高。基于同样的原因,由于在相同压力下,泡沫-细水雾的雾滴粒径相较纯水细水雾更小,粒径范围更靠近10 μm,所以泡沫-细水雾的热辐射阻隔效率高于纯水细水雾[15]。

由于两个测点处横截面的雾流量十分相近,虽然测点高度为0.6 m处的Nd值大于0.5 m处,但测点高度为0.5 m处的雾场厚度大于0.6 m处。并且,如图1所示,在两个测点处,整体雾滴粒径大小也十分接近。因此,对比测点高度为0.5 m与测点高度为0.6 m时喷射泡沫-细水雾的热辐射阻隔效率结果时发现,测点高度为0.5 m时ε值仅比测点高度为0.6 m时略有降低。

2.3 雾场冷却特性

图9 冷却过程实验现象图Fig.9 Phenomenon of cooling process experiment

图10 冷却过程火焰温度Fig.10 Flame temperature during cooling

图11 冷却过程辐射热通量变化Fig.11 Radiation flux change during cooling

在施加泡沫液的瞬间发生了明显的火焰强化现象(图9(b)),导致辐射热通量迅速上升至410 W/m2～420 W/m2(图11),不同高度上的火焰轴心温度均迅速上升(图10)。造成火焰强化的可能原因：一方面是水煤气效应;另一方面是新鲜风的供氧作用。在变压器油稳定燃烧阶段,火焰温度保持在400 ℃～500 ℃(图10)。高温条件下,水可与一氧化碳反应生成氢气与二氧化碳。氢气燃烧瞬间发生火焰增强现象。此外,喷雾到达火焰区域时,将卷吸大量新鲜空气进入燃烧区域。新进入燃烧区域的氧气使得稳定燃烧状态下无法充分反应的可燃气体得到充分燃烧,进而强化火焰。火焰强化现象仅在喷雾初始喷射阶段发生。随着水雾的持续喷射,大量水雾的蒸发会使燃烧区域降温。水雾蒸发后能在火焰上部观察到大量白雾形成。此外,雾场的热辐射阻隔作用将减少火焰向油盘的热反馈,油盘表面可燃气体的蒸发速率逐渐降低。因此温度测试结果显示不同高度测点处的温度逐渐下降直至火焰熄灭。对比图10中不同高度处的温度变化曲线可发现,随着热电偶测点高度的下降,温度下降至室温所需的时间显著提升。主要有以下三方面原因：第一,雾滴产生的冲量能使位置较高的火焰发生偏斜,使热电偶所在位置的温度迅速下降;第二,火焰区域高度越高,稳定燃烧时温度越低,因此降温越快;第三,为避免泡沫或水雾直接射入油盘,喷头高度为0.75 m(图4),这使得喷雾强度随着高度下降而变小,所以靠近油面的火焰最后熄灭。

图10和图11所展示的测试结果均表明施加3 wt%快速型泡沫-细水雾时火焰熄灭时间明显短于施加纯水细水雾时的情况。主要有以下两方面原因：第一,泡沫溶液的表面张力约为18 mN/m,远低于水的72 mN/m。经过喷头喷出后,形成的泡沫雾滴平均粒径可能低于纯水雾的粒径。小粒径液滴蒸发速率更快,降温效果更好。第二,泡沫溶液中含有化学阻燃成分,加速了火焰熄灭。

为计算液滴的蒸发时间,可做以下合理假设：1)液滴在静止、无穷大的介质中蒸发;2)蒸发过程是准稳态的;3)液体成分是单一的,且气体溶解度为0;4)液滴内各处温度均匀一致,且假定该温度为水的沸点;5)假设二元扩散的Lewis数具有一致性;6)热传导系数、密度、比热容为常数。液滴完全蒸发的时间td为[16]：

(4)

其中D0为液滴初始直径,m;ρl为水的密度998 kg/m3;

cpg为水的定压比热容4.2×103J/(kg·℃);kg为导热系数0.59 W/(m·K);Bq为Spalding

在变压器油稳定燃烧时,在0.2 m高度处测得的火焰内部温度大约为500 ℃。在该温度下,不同粒径雾滴的蒸发时间计算结果如图12所示。水雾对火焰的冷却实验中,水雾的喷射距离为1.0 m(图4)。在该喷射距离处纯水细水雾和泡沫-细水雾的平均粒径D32分别为252 μm和175 μm。据图12中展示的计算结果曲线,粒径为252 μm纯水细水雾的蒸发时间为101.3 ms,而粒径为175 μm的泡沫-细水雾的蒸发时间为48.8 ms。因此,向水中添加快速型泡沫灭火剂后,相同喷射压力下,泡沫-细水雾的平均蒸发速度为纯水细水雾的近2倍。

图12 环境温度为500 ℃时雾滴直径与完全蒸发时间的关系Fig.12 Relationship between droplet diameter and complete evaporation time at 500 ℃

为定量对比不同种类泡沫-细水雾的冷却效果,基于温度测试数据计算平均温度下降速率γ：

(5)

其中T1为喷雾开启时的温度,℃;T2为室温,℃;t1为喷雾开启时的时间,s;t2为温度下降至室温的时间,s。

在分别施加纯水细水雾以及4种泡沫-细水雾时,温度下降速率的差异如图13所示。从整体上看,降温能力排序为AR>MT>快速型>LL-3>纯水。其中LL-3和快速型泡沫灭火剂溶液的表面张力最低,AR的表面张力比前两种略高,MT的表面张力明显高于其余三种泡沫灭火剂。然而,4种泡沫-细水雾的冷却能力排序并不符合表面张力大小顺序。此现象表明,泡沫灭火剂的作用不仅仅是从流体力学层面上改变雾场的物体特性,其化学成分的差异对燃烧化学反应的阻化效果也有明显影响。如图4所示,由于细水雾喷头所在的高度为0.75 m,热电偶高度为0.6 m和0.8 m的位置靠近雾场中心区域。在热电偶高度为基于方程(4)计算得出的快速型泡沫-细水雾的蒸发速率大约为纯水细水雾的2倍,因此可发现图13中热电偶高度为0.6 m和0.8 m的位置上,使用快速型泡沫-细水雾时的降温速率是使用纯水细水雾时降温速率的2倍。此结果表明方程(4)的计算结果具有较高的可靠性,并且快速型泡沫灭火剂中的阻燃成分在蒸发冷却基础上提升了冷却效果。添加了AR泡沫灭火剂的细水雾降温速率最快,表明该灭火剂中的阻燃成分在物理冷却的基础上通过化学作用大幅提升了冷却效果。