泡沫-細水霧對變壓器油池火的冷卻及熱輻射阻隔特性研究

吳劉鎖,胡 健,張建成,羅劍飛,石長江,張美琪,景 偉,朱小龍*

(1.國網電力科學研究院有限公司,南京,210003;2.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室,合肥,230026)

0 引言

近年來,隨著我國電力工程的發展,特高壓電網系統中的換流變壓器數量不斷增加。然而,其內部的絕緣油、絕緣襯墊和支架等材料加大了變壓器火災的可能性及危險性,導致換流變壓器的火災事故率更高[1]。變壓器中的絕緣油具有絕緣、冷卻和消弧等作用,其使用量較大,雖然閃點較高(一般大于130 ℃),一旦被引燃,變壓器內部壓力會迅速上升,最終可能導致爆炸,而噴射的燃油會加劇事故的危險性,影響電力系統的正常運行,造成嚴重的人員傷亡、環境污染和經濟損失[2-4]。近年來,在全尺寸變壓器火災滅火實驗中,泡沫-細水霧技術和水成膜泡沫滅火技術均展現出良好的滅火效果[5]。細水霧由于粒徑小、比熱容大、蒸發潛熱高、彌漫性能好,主要依靠冷卻、阻隔熱輻射[6-8]、稀釋氧氣的機理實現滅火。而水成膜泡沫滅火劑溶液因含有表面活性劑和阻燃劑等成分[9],主要通過在油類表面形成隔絕層窒息油類火[10,11]。從滅火機理上看,泡沫-細水霧可同時發揮細水霧和水成膜泡沫的優良特性,從而產生協同滅火作用,進一步提升滅火效果。然而,現有研究尚未從熱輻射阻隔特性和冷卻特性兩方面揭示泡沫-細水霧相對于純水細水霧的差異,導致在工程實踐中關于變壓器滅火系統選擇、泡沫-細水霧系統工況參數優化等方面缺乏理論指導。為此,筆者針對泡沫-細水霧開展了冷卻特性和阻隔熱輻射特性的實驗研究。在不同泡沫滅火劑種類和噴射工況條件下,研究了泡沫-細水霧的粒徑、發泡倍率等特性的變化對冷卻特性和阻隔熱輻射特性的影響。

1 實驗設置

為使研究結果更加貼合工程實際,選用的細水霧噴頭為FT10e泡沫-細水霧渦扇炮中采用的噴頭。水霧噴頭k系數1.23,霧錐角60°。選用的泡沫滅火劑樣品均為針對變壓器火災的商用產品,具體信息如表1 所示。

表1 泡沫劑樣品基本信息Table 1 Basic information of foam agent sample

1.1 霧場特性測試方法

1.1.1 霧滴粒徑

如圖1所示,利用Lavision激光粒度分析儀通過陰影法對霧滴粒徑分布進行測量,4個測點設置于霧場中軸線上,分別距離噴頭出口0.4 m、0.5 m和1.0 m。噴霧壓力分別設置為0.5 MPa、1.0 MPa和1.5 MPa。

圖1 霧滴粒徑測量示意圖 Fig.1 Schematic diagram of droplet size measurement

1.1.2 噴霧強度

如圖2所示,利用水霧收集器對霧場強度進行測量。水霧收集器由若干試管組成的收集矩陣構成。測試時,令霧化噴頭豎直向下噴射,水霧收集器中心正對噴頭中軸線,噴頭出口與水霧收集器的距離分別設置為0.4 m、0.5 m和1.0 m。噴霧持續時間為30 s,噴霧結束后逐一測量試管內收集的液體質量,通過方程(1)計算可得測試平面上各個位置的噴霧強度大?。?/p>

圖2 噴霧強度測試示意圖Fig.2 Schematic diagram of spray intensity test

(1)

其中w為噴霧強度,L/(min·m2);m為所收集的液體質量,kg;ρ為液體密度,kg/L;S為試管的管口面積,m2;t為時間,min。

1.1.3 發泡倍數

由于泡沫滅火劑溶液的表面張力明顯低于純水,其通過霧化噴頭噴出時被霧場卷吸的空氣會使液滴產生一定的發泡效果,因此依據標準GB 50281-2006中的具體步驟對泡沫-細水霧的發泡倍數進行測量[2]。所測試的泡沫滅火劑樣品為表1中的快速型泡沫滅火劑。

1.2 熱輻射阻隔特性測試方法

1.2.1 實驗系統布置

為觀測霧場對熱輻射的阻隔特性,自行搭建的實驗系統如圖3所示。利用電熱絲加熱器作為輻射源,功率設置為120 kW。為避免霧場對恒定輻射熱源產生影響,水霧不直接與輻射熱源發生接觸。輻射源與輻射計之間的距離為3 m,相向布置。噴頭距離地面高度1 m,霧化噴頭位于輻射源與輻射計連線的中心,且輻射源與輻射計的連線與霧場的中軸線相互垂直。為對比不同霧場厚度對熱輻射阻隔效果的影響,施加泡沫-細水霧時的測試高度分別設置為0.5 m、0.6 m。由于霧錐角為60°,測試高度為0.5 m時對應的水霧噴射距離為0.5 m,霧場厚度為0.816 m;測試高度為0.6 m時對應的水霧噴射距離為0.4 m,霧場厚度為0.703 m。為對比噴霧壓力對熱輻射阻隔效果的影響,將工作壓力分別設置為0.5 MPa、1.0 MPa和1.5 MPa。為分析純水細水霧與泡沫-細水霧的熱輻射阻隔效果差異,將測試高度0.6 m處測量施加純水時的熱輻射值與相同測試高度的泡沫-細水霧進行對比,通過對比施加噴霧前后輻射熱流計所測得的輻射熱通量實時變化值,可以定量分析不同工況下霧場的熱輻射阻隔特性變化規律。

圖3 熱輻射阻隔特性實驗裝置圖Fig.3 Experimental setup diagram of thermal radiation barrier characteristics

1.2.2 實驗步驟

在施加純水細水霧時,具體實驗步驟如下：

(1)搭建實驗系統,向水箱中注滿水,將噴頭處的噴霧壓力調節為設定值;

(2)開啟輻射源和數據采集系統,記錄輻射計的實時變化數據;

(3)當輻射計之間的實時輻射值偏差穩定且低于5%時開啟噴頭;

(4)霧流場穩定時連續記錄熱輻射值至少1 min;

(5)同一工況,重復步驟(2)、(3)三次。

在施加泡沫-細水霧時,將水箱中的水更換為表1中濃度為3 wt%的快速型泡沫滅火劑溶液,其余步驟與上述步驟一致。

1.3 火焰冷卻特性測試方法

1.3.1 實驗系統設置

圖4 冷卻特性實驗布置示意圖Fig.4 Layout of cooling characteristic experiment

1.3.2 實驗步驟

在施加純水細水霧時,具體實驗步驟如下：

(1)搭建實驗平臺,向水箱中注滿水,將噴霧壓力調節為1 MPa;

(2)通過輻射加熱器將油盤內的變壓器油加熱到180 ℃后點燃,并將油盤移至測試點;

(3)開啟數據采集設備,持續燃燒1 min,待火焰溫度達到穩定值后開啟水霧;

(4)連續采集實驗數據,直至油盤內火焰被撲滅。

在施加泡沫-細水霧時,將水箱中的水逐一更換為表1中的4種泡沫滅火劑溶液,濃度設置為3 wt%,其余步驟與上述步驟一致。

2 實驗結果與分析

2.1 不同工況下霧場特性測量結果

2.1.1 霧滴粒徑

本研究測量了純水和3 wt%快速型泡沫液分別在0.5 MPa,1.0 MPa和1.5 MPa壓力下的水霧粒徑分布。在測點高度為0.6 m處,不同工作壓力下液體的霧滴粒徑分布測量結果如圖5所示。圖6展示了三個測點高度處,不同壓力下的霧滴粒徑D32和DV90。噴霧壓力上升時會使液體通過噴頭的速度上升,進而導致液體噴出后的旋轉離心力和氣/液兩相間剪切力增大,因此,可在圖6中觀察到霧滴粒徑與霧化壓力呈負相關關系。

圖5 噴射距離0.4 m處不同工作壓力下樣品液及純水細水霧霧滴粒徑分布Fig.5 Droplet diameter distribution of sample liquid and pure water mist under different working pressures at the spraying distance of 0.4 m

圖6 不同工作壓力下樣品液及純水細水霧霧滴粒徑Fig.6 Particle size of sample solution and pure water mist under different working pressures

液滴從霧化噴頭噴出后,一方面在離心力和剪切力的作用下發生破碎,另一方面,液滴之間接觸后將發生并聚。從測試結果看,當噴射距離從0.4 m增加到0.5 m時,霧滴粒徑稍有下降,表明在此距離范圍內液滴破碎發生的概率高于并聚發生的概率。當噴射距離從0.5 m增加到1 m時,霧滴粒徑明顯上升。表明噴射距離較遠時,液滴并聚發生的概率逐漸超過破碎發生的概率。

3 wt%快速型泡沫液霧化后整體的粒徑分布相較于純水更小,原因主要是添加劑使得表面張力由純水的72 mN/m下降至18 mN/m,這使得液滴破碎所需要克服的能量損失顯著下降,因此泡沫溶液在剪切力和離心力作用下更容易破碎為粒徑更小的霧滴[12]。此外,添加泡沫液后,霧滴粒徑隨著工作壓力和噴射距離的變化趨勢與純水霧場的變化趨勢一致。

2.1.2 噴霧強度

不同噴射工況及噴射距離處平均噴霧強度的測試結果如表2所示,是否添加泡沫溶液對噴頭流量計噴霧強度無明顯影響。隨著工作壓力上升,噴頭流量增大,噴霧強度隨之增大。隨著噴射距離增大,霧場覆蓋面積增大,因而噴霧強度下降。

表2 不同壓力下的噴頭流量計平均噴霧強度Table 2 Average spray intensity of nozzle flowmeter under different pressures

2.1.3 發泡倍數

泡沫-細水霧的發泡倍數測量結果如表3和圖7所示。發泡倍數隨工作壓力增大略有上升。但是霧滴粒徑測量結果表明,工作壓力越大,泡沫-細水霧的粒徑越小,如圖6所示。此外,泡沫-細水霧的霧滴粒徑測量結果小于純水細水霧,另一方面,收集到的泡沫發泡倍數達到3.7倍～5.1倍。從這兩種相反的變化趨勢可推斷出發泡過程主要發生在霧滴撞擊收集罐時,而非霧滴在空氣中運移過程中。泡沫是由若干小氣泡構成,形成小氣泡要求空氣被包裹在液膜中。這種包裹形成過程難以在霧滴噴出時發生,但極易在霧滴撞擊收集罐時發生。因此,在阻隔熱輻射及冷卻火焰的分析中,可將霧場中的泡沫-細水霧視為小液滴而非小氣泡。

(誤差線表示4次重復測量中測得的標準差)圖7 泡沫-細水霧發泡倍數測試結果Fig.7 Foam water mist foaming multiple test results

表3 不同壓力下泡沫-細水霧的發泡倍數Table 3 Foaming multiple of foam water mist under different pressures

2.2 熱輻射阻隔特性

熱輻射阻隔率ε的計算方法為：

(2)

其中φ1為噴霧未啟動時輻射計測得的來自輻射源的輻射熱流流量,單位為kW/m2;φ2為噴霧開啟時輻射計測得的輻射熱流量,單位為kW/m2。

細水霧主要通過散射和吸收兩種方式阻隔熱輻射,杜永成等[13]基于Mie氏理論[14]推導出了理想條件下的細水霧消光能力計算方程：

(3)

其中變量K表示相同量水產生的初始粒徑為D32,0的所有霧滴的消光截面之和,Nd為單位體積內的霧滴數;D32為索特平均直徑;Qext為消光效率因子,包括光散射和熱吸收兩種消光方式。

表4和圖8展示了純水細水霧和泡沫-細水霧對熱輻射的阻隔效率測試結果。在測點高度為0.6 m時,霧場的噴射距離為0.4 m,霧場厚度為0.704 m。在該測點處泡沫-細水霧與純水細水霧均進行了熱輻射阻隔實驗?？梢杂^察到噴霧強度隨著壓力增大而增大時,ε的取值隨之增長。這是因為方程(3)中Nd的取值與噴霧強度的變化趨勢一致,Nd的取值越大則熱輻射阻隔效果越好。

(誤差線表示三次測量結果的標準差)圖8 不同壓力下熱輻射阻隔效率 Fig.8 Thermal radiation barrier efficiency under different pressures

表4 熱輻射阻隔效率測試數據Table 4 Thermal radiation barrier efficiency test data

純水細水霧在工作壓力從0.5 MPa上升到1.0 MPa時,ε從32.9%緩慢上升至33.04%。當壓力進一步從1.0 MPa上升至1.5 MPa時,ε的上升梯度明顯增大,最終達到44.58%。ε的上升梯度變化趨勢與噴霧強度的上升梯度變化趨勢存在明顯的差異。這是因為壓力變化不僅引起了噴霧強度的上升,而且使得整體霧滴粒徑下降。方程(3)中Qext的取值受到霧滴粒徑和輻射光波長范圍的影響。由于熱輻射主要依靠紅外光(波長1 μm～40 μm[13])進行傳播,理論計算得出霧滴粒徑為10 μm時K值最大,隨著霧滴粒徑從10 μm往上增大,熱輻射阻隔效率逐漸下降[13]。隨著工作壓力的上升,純水細水霧的霧滴粒徑范圍逐漸向10 μm靠近,因此泡沫-細水霧的熱輻射阻隔能力更強。此外,Nd的取值由霧滴粒徑分布和噴頭水流量兩個因素共同決定。在水流量不變時,整體霧滴粒徑越小則Nd的取值越大,進而導致霧場的熱輻射阻隔效率越高?；谕瑯拥脑?由于在相同壓力下,泡沫-細水霧的霧滴粒徑相較純水細水霧更小,粒徑范圍更靠近10 μm,所以泡沫-細水霧的熱輻射阻隔效率高于純水細水霧[15]。

由于兩個測點處橫截面的霧流量十分相近,雖然測點高度為0.6 m處的Nd值大于0.5 m處,但測點高度為0.5 m處的霧場厚度大于0.6 m處。并且,如圖1所示,在兩個測點處,整體霧滴粒徑大小也十分接近。因此,對比測點高度為0.5 m與測點高度為0.6 m時噴射泡沫-細水霧的熱輻射阻隔效率結果時發現,測點高度為0.5 m時ε值僅比測點高度為0.6 m時略有降低。

2.3 霧場冷卻特性

圖9 冷卻過程實驗現象圖Fig.9 Phenomenon of cooling process experiment

圖10 冷卻過程火焰溫度Fig.10 Flame temperature during cooling

圖11 冷卻過程輻射熱通量變化Fig.11 Radiation flux change during cooling

在施加泡沫液的瞬間發生了明顯的火焰強化現象(圖9(b)),導致輻射熱通量迅速上升至410 W/m2～420 W/m2(圖11),不同高度上的火焰軸心溫度均迅速上升(圖10)。造成火焰強化的可能原因：一方面是水煤氣效應;另一方面是新鮮風的供氧作用。在變壓器油穩定燃燒階段,火焰溫度保持在400 ℃～500 ℃(圖10)。高溫條件下,水可與一氧化碳反應生成氫氣與二氧化碳。氫氣燃燒瞬間發生火焰增強現象。此外,噴霧到達火焰區域時,將卷吸大量新鮮空氣進入燃燒區域。新進入燃燒區域的氧氣使得穩定燃燒狀態下無法充分反應的可燃氣體得到充分燃燒,進而強化火焰?；鹧鎻娀F象僅在噴霧初始噴射階段發生。隨著水霧的持續噴射,大量水霧的蒸發會使燃燒區域降溫。水霧蒸發后能在火焰上部觀察到大量白霧形成。此外,霧場的熱輻射阻隔作用將減少火焰向油盤的熱反饋,油盤表面可燃氣體的蒸發速率逐漸降低。因此溫度測試結果顯示不同高度測點處的溫度逐漸下降直至火焰熄滅。對比圖10中不同高度處的溫度變化曲線可發現,隨著熱電偶測點高度的下降,溫度下降至室溫所需的時間顯著提升。主要有以下三方面原因：第一,霧滴產生的沖量能使位置較高的火焰發生偏斜,使熱電偶所在位置的溫度迅速下降;第二,火焰區域高度越高,穩定燃燒時溫度越低,因此降溫越快;第三,為避免泡沫或水霧直接射入油盤,噴頭高度為0.75 m(圖4),這使得噴霧強度隨著高度下降而變小,所以靠近油面的火焰最后熄滅。

圖10和圖11所展示的測試結果均表明施加3 wt%快速型泡沫-細水霧時火焰熄滅時間明顯短于施加純水細水霧時的情況。主要有以下兩方面原因：第一,泡沫溶液的表面張力約為18 mN/m,遠低于水的72 mN/m。經過噴頭噴出后,形成的泡沫霧滴平均粒徑可能低于純水霧的粒徑。小粒徑液滴蒸發速率更快,降溫效果更好。第二,泡沫溶液中含有化學阻燃成分,加速了火焰熄滅。

為計算液滴的蒸發時間,可做以下合理假設：1)液滴在靜止、無窮大的介質中蒸發;2)蒸發過程是準穩態的;3)液體成分是單一的,且氣體溶解度為0;4)液滴內各處溫度均勻一致,且假定該溫度為水的沸點;5)假設二元擴散的Lewis數具有一致性;6)熱傳導系數、密度、比熱容為常數。液滴完全蒸發的時間td為[16]：

(4)

其中D0為液滴初始直徑,m;ρl為水的密度998 kg/m3;

cpg為水的定壓比熱容4.2×103J/(kg·℃);kg為導熱系數0.59 W/(m·K);Bq為Spalding

在變壓器油穩定燃燒時,在0.2 m高度處測得的火焰內部溫度大約為500 ℃。在該溫度下,不同粒徑霧滴的蒸發時間計算結果如圖12所示。水霧對火焰的冷卻實驗中,水霧的噴射距離為1.0 m(圖4)。在該噴射距離處純水細水霧和泡沫-細水霧的平均粒徑D32分別為252 μm和175 μm。據圖12中展示的計算結果曲線,粒徑為252 μm純水細水霧的蒸發時間為101.3 ms,而粒徑為175 μm的泡沫-細水霧的蒸發時間為48.8 ms。因此,向水中添加快速型泡沫滅火劑后,相同噴射壓力下,泡沫-細水霧的平均蒸發速度為純水細水霧的近2倍。

圖12 環境溫度為500 ℃時霧滴直徑與完全蒸發時間的關系Fig.12 Relationship between droplet diameter and complete evaporation time at 500 ℃

為定量對比不同種類泡沫-細水霧的冷卻效果,基于溫度測試數據計算平均溫度下降速率γ：

(5)

其中T1為噴霧開啟時的溫度,℃;T2為室溫,℃;t1為噴霧開啟時的時間,s;t2為溫度下降至室溫的時間,s。

在分別施加純水細水霧以及4種泡沫-細水霧時,溫度下降速率的差異如圖13所示。從整體上看,降溫能力排序為AR>MT>快速型>LL-3>純水。其中LL-3和快速型泡沫滅火劑溶液的表面張力最低,AR的表面張力比前兩種略高,MT的表面張力明顯高于其余三種泡沫滅火劑。然而,4種泡沫-細水霧的冷卻能力排序并不符合表面張力大小順序。此現象表明,泡沫滅火劑的作用不僅僅是從流體力學層面上改變霧場的物體特性,其化學成分的差異對燃燒化學反應的阻化效果也有明顯影響。如圖4所示,由于細水霧噴頭所在的高度為0.75 m,熱電偶高度為0.6 m和0.8 m的位置靠近霧場中心區域。在熱電偶高度為基于方程(4)計算得出的快速型泡沫-細水霧的蒸發速率大約為純水細水霧的2倍,因此可發現圖13中熱電偶高度為0.6 m和0.8 m的位置上,使用快速型泡沫-細水霧時的降溫速率是使用純水細水霧時降溫速率的2倍。此結果表明方程(4)的計算結果具有較高的可靠性,并且快速型泡沫滅火劑中的阻燃成分在蒸發冷卻基礎上提升了冷卻效果。添加了AR泡沫滅火劑的細水霧降溫速率最快,表明該滅火劑中的阻燃成分在物理冷卻的基礎上通過化學作用大幅提升了冷卻效果。

圖13 不同樣品溶液降溫速率對比Fig.13 Comparison of cooling rates of different sample solutions

3 結論

1.由于泡沫滅火劑能大幅降低溶液的表面張力,使得液滴破碎所需的能量損失下降,所以相同工作壓力下泡沫-細水霧的霧滴粒徑比純水細水霧顯著降低。泡沫-細水霧的發泡過程主要發生在液滴撞擊收集器的過程中,溶液從霧化噴頭噴出的過程中幾乎不發生發泡過程。

2.霧場對熱輻射的阻隔率主要受霧密度、霧滴粒徑、霧場厚度的影響。由于泡沫滅火劑的添加能顯著降低霧滴粒徑,泡沫-細水霧比純水細水霧具有更優異的熱輻射阻隔效果。

3.細水霧作用于變壓器油火焰初期會發生火焰增強現象,此現象主要由水煤氣效應和氧氣供應增強引起。在水中添加泡沫滅火劑具有冷卻與阻燃協同滅火效果。一方面泡沫滅火劑的添加能改變霧滴粒徑分布,提升霧場的蒸發速率和冷卻速率。另一方面,泡沫滅火劑中的阻燃成分能阻化火焰中的化學反應,進一步提升撲滅火焰的效率。

綜上所述,對于變壓器油火災,泡沫-細水霧在阻隔熱輻射和冷卻火焰兩方面的性能均優于純水細水霧。