小型變壓器油燃燒試驗及射流火形成發(fā)展研究

小型變壓器油燃燒試驗及射流火形成發(fā)展研究

0換流變火災(zāi)機理大型旁通站是中國特高壓供電的核心組成部分。它是能源輸送的重要支撐，對防火活動有嚴(yán)格的要求。換流變作為換流站的主體結(jié)構(gòu)，高電壓、高電流、高負(fù)荷的工作環(huán)境使其易發(fā)生火災(zāi)，而換流變內(nèi)部存在的大量絕緣可燃材料和變壓器油等可燃物，加劇了換流站火災(zāi)嚴(yán)重程度，不僅給附近區(qū)域的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來極大沖擊，而且嚴(yán)重影響電網(wǎng)的正常運行。受換流變內(nèi)部金屬材料材質(zhì)、分布、數(shù)量影響，其火災(zāi)呈復(fù)雜性、多樣性換流變中的變壓器油火災(zāi)作為一種高強度湍流燃燒現(xiàn)象，常伴隨出現(xiàn)沸騰液體蒸發(fā)蒸氣爆炸(BoiledLiquidEvaporateVaporExplosion,BLEVE)、射流火等復(fù)雜現(xiàn)象。19世紀(jì)70年代，REID現(xiàn)有文獻主要依靠國外研究數(shù)據(jù)和經(jīng)驗進行模擬分析，缺乏系統(tǒng)研究，且研究方向均在天然氣等可燃?xì)庑孤┑腂LEVE現(xiàn)象及機制方面，而射流火方面的研究則集中在穩(wěn)定流量的可燃?xì)庑孤┗馂?zāi)上，針對電力系統(tǒng)中換流變發(fā)生液體火災(zāi)時，外部火包裹罐體出現(xiàn)射流火的特殊形式以及罐內(nèi)金屬材料的體積對射流火火災(zāi)發(fā)展的影響研究較少。鑒于此，筆者擬自行搭建圓柱形罐體的變壓器油燃燒試驗平臺，研究換流變內(nèi)變壓器油的量、鐵芯及繞組等所占體積對射流火形成和發(fā)展的影響，以期揭示持續(xù)熱源作用下射流火產(chǎn)生、發(fā)展、猛烈熄滅等各階段的火焰形式，為防控?fù)Q流變(變壓器)火災(zāi)提供理論基礎(chǔ)和試驗數(shù)據(jù)。1換流變充放電試驗試驗系統(tǒng)裝置包括儲油系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)與圖像采集系統(tǒng)5大系統(tǒng)，如圖1所示。其中儲油系統(tǒng)為直徑220mm的圓柱形罐體，壁厚10mm，高300mm，并于底部安裝高100mm的支撐三角架。罐體頂部距圓心處40mm位置開設(shè)直徑15mm的孔，模擬換流變頂部套管破裂后情景。供熱系統(tǒng)采用直徑400mm的油池持續(xù)供熱，模擬火災(zāi)發(fā)生后內(nèi)部變壓器油受熱膨脹溢出，在換流變周圍形成油池火情景，試驗通過燃燒80mL正庚烷引燃。試驗中用采集儀采集罐內(nèi)熱電偶所測量的油溫數(shù)據(jù)，并用采集頻率為60幀/s的高速攝像儀記錄各階段火焰發(fā)展?fàn)顩r。2罐體垂直垂直度試驗系統(tǒng)在氣壓0.1MPa、20℃、風(fēng)速0m/s下，將9L的圓柱形罐體垂直放置于油池中部，組裝試驗系統(tǒng)并調(diào)試點火、圖像采集與溫度采集系統(tǒng)。試驗中罐體、油池內(nèi)燃燒物規(guī)格為25號昆侖牌變壓器油，閃點(閉口)約為145℃，密度為883kg/m3試驗結(jié)果與分析3.1罐內(nèi)溫度變化對火焰滅燃劑系統(tǒng)的影響隨著燃燒的持續(xù)進行，罐內(nèi)壓力逐漸降低，射流火動量控制作用不斷衰減，控制因素從射流火形成初期的動量-浮力變?yōu)橐愿×ψ饔脼橹鳌Ｒ虼耍?1min30s時火焰噴射高度降低，燃燒達(dá)到穩(wěn)定階段?；鹧嫦珉A段中，隨著罐底油池火源功率的逐漸降低，從孔口向外涌出的油蒸氣逐漸減少，直至油蒸氣的涌出速率與火焰?zhèn)鞑ニ俾适Ш?，造成維持火焰穩(wěn)定燃燒因素被打破，火焰熄滅。對罐內(nèi)油溫數(shù)據(jù)處理得罐內(nèi)油溫隨時間變化的關(guān)系如圖3所示。對比分析圖2和圖3,19m8s時罐內(nèi)油溫升至138℃，恰與25號變壓器油閃點相同。隨著油池燃燒的不斷進行，罐內(nèi)油溫上升速率不斷降低并在320℃(沸點)左右趨于平緩。變壓器油蒸發(fā)后，熱電偶所測得蒸氣溫度380℃，變壓器油蒸氣溫度明顯大于變壓器油溫度，因此，所測油溫變化斜率又緩慢上升。3.2穩(wěn)定階段火焰的發(fā)生時間底部油池穩(wěn)定加熱，罐體射流火形成、發(fā)展過程如圖3和圖4所示。罐內(nèi)含油量分別為6.75、4.5L，罐底油池直徑40cm、厚3cm，將罐底油池火引燃時間定義為t=0s。對比分析圖2—圖4射流火火焰發(fā)展過程，受罐體變壓器油充裝量減少影響，射流火出現(xiàn)時間從19min2s延至19min28s、19min47s，達(dá)到最大噴射高度所需時刻也從20min15s后延至20min45s、21min39s，其余各階段火焰出現(xiàn)時間也有一定延后。與圖2射流火穩(wěn)定噴射時間相對比，圖3所示射流火穩(wěn)定時間縮短。隨著罐內(nèi)油量的繼續(xù)減少，圖4射流火穩(wěn)定時間僅從19min47s～24min50s，持續(xù)了5min3s，持續(xù)時間大大縮短，噴射火高度也有所降低。主要原因在于罐內(nèi)變壓器油的減少降低了罐內(nèi)整體能量，導(dǎo)致氣-液兩相流層沸騰時間以及介質(zhì)泄放時間縮短，射流火噴射穩(wěn)定時間也就縮短。不僅如此，在氣-液兩相流層沸騰時間以及介質(zhì)泄放時間降低影響下，罐口處噴出氣體的初始動量有所降低，動量-浮力混合控制減弱，與圖2相比，穩(wěn)定階段下射流火噴射高度有所降低。圖4所示射流火發(fā)展最為劇烈即21min39s，并未呈現(xiàn)圖2、圖3所示的沸騰變壓器油從孔口處向外溢出現(xiàn)象。原因在于罐體體積恒定，隨著腔體內(nèi)液相變壓器油量的減少，氣相空氣物質(zhì)的量相應(yīng)的增加，氣相從罐頂開孔口向外涌出時引發(fā)的稀疏波傳播到罐體液相所需時間就越長，對液體的過熱程度和容器內(nèi)的壓力響應(yīng)產(chǎn)生影響，液體沸騰減弱。而且稀疏波向下傳遞時間的增加，使從罐體孔口處涌出氣相的降壓率減小，而降壓速率的降低也會導(dǎo)致液體過熱沸騰現(xiàn)象趨于穩(wěn)定，因此不會出現(xiàn)沸騰變壓器油伴隨著射流火從孔口處向外涌出。3.3罐內(nèi)變壓器油-鋼珠帶將點燃底部油池火的時間定義為t=0s，在含4.5L變壓器油的罐體中分別總體積為1.2、2.4dm與圖2所示射流火發(fā)展過程相對比，向含4.5L變壓器油的罐體中分別加入1.2、2.4dm1)由于罐體內(nèi)變壓器油升溫所需熱量均來自于罐底、罐壁的傳熱，鋼珠加入罐內(nèi)后，受密度影響鋼珠不斷向罐體底部墜落，最終大量鋼珠沉積于罐體底部，占據(jù)罐體底部液相空間，形成了厚厚的一層“油-鋼珠帶”，即罐底壁厚增大，熱阻增大，傳熱量減少。而在直徑40cm、厚3cm的底部油池持續(xù)、穩(wěn)定供熱下，罐體側(cè)壁的傳熱量相同。因此，罐內(nèi)變壓器油要達(dá)到形成射流火能量的時間也就越長。2)由于鋼球表面不平整，加入油罐后這些突起或凹陷就會在沸騰過程中成為氣化核心，并在較小的過熱度下，罐內(nèi)變壓器油產(chǎn)生氣泡，這些氣泡作為沸騰過程中傳質(zhì)、傳熱的主要載體之一，不斷地將液相變壓器油的能量搬運至罐體上方的空氣中，強化傳熱效果，變壓器油積聚升溫所需能量的速率減緩，進而出現(xiàn)罐體射流火時間大幅后移的現(xiàn)象，根據(jù)能量守恒定律，計算如下:式中:Q由式(1)可知:當(dāng)射流火焰處于穩(wěn)定期，在吸熱量一定條件下，氣泡增多，散熱增加，罐內(nèi)變壓器油所積攢的能量降低，單位時間內(nèi)從油罐內(nèi)蒸發(fā)的變壓器油減少，罐內(nèi)壓力降低，單位時間內(nèi)從孔口涌出的油蒸氣流量減小，燃燒的量降低，進而出現(xiàn)與圖4中火焰高度相比，加入鋼珠后火焰高度大幅降低的現(xiàn)象(圖6)。4罐內(nèi)整體能量降低1)射流火作為換流變火災(zāi)形式之一，BLEVE現(xiàn)象是噴射高度達(dá)到最高的關(guān)鍵點，底部油池持續(xù)供熱，罐內(nèi)射流火不斷噴出。失去供熱源后，射流火火焰高度快速衰減，因此，控制換流變火災(zāi)重點在于切斷供熱源。2)在罐內(nèi)變壓器油量從9L減少至6.75、4.5L過程中，罐內(nèi)整體能量降低，氣-液兩相流層沸騰時間、介質(zhì)泄放時間縮短，射流火出現(xiàn)時間從19min2s延至19min28s、19min47s，受可燃蒸氣從罐口涌出的初始動量降低影響，火焰噴射高度降低。3)向含4.5L變壓器油的罐體中分別加入1.2、2.4dm3.1.1射流火的形成、發(fā)展底部油池穩(wěn)定加熱下，罐外射流火形成、發(fā)展過程如圖2所示。試驗初始條件為:罐底油池直徑40cm、厚3cm，罐內(nèi)含油9L，罐底油池火引燃時間定義為t=0s。由圖2可知:按罐體射流火火焰高度變化程度，可將射流火形成、發(fā)展過程大致分為起火階段、穩(wěn)定燃燒階段以及火焰熄滅階段。在起火階段中，燃燒釋放的能量通過罐壁以熱傳導(dǎo)形式向