倪中華, 徐建楠, 秦麗, 戴夢楠
(軍事科學(xué)院國防工程研究院, 北京 100036)
大型油浸式變壓器作為工礦企業(yè)、 電廠和重特大試驗廠房等能源動力系統(tǒng)關(guān)鍵部位, 發(fā)生火災(zāi)后會給生活、 生產(chǎn)和科研試驗造成極其嚴重的后果。雖然變壓器火災(zāi)事故率低, 但因運行維護不當(dāng)、 雷擊等不確定性因素引起變壓器火災(zāi)案例時有發(fā)生,因此對其滅火系統(tǒng)設(shè)計進行深入研究十分必要[1-2]。目前, 此類工程在設(shè)計過程中存在采用滅火措施標(biāo)準不統(tǒng)一; 有漏項、 甩項、 計算不嚴謹和相關(guān)專業(yè)配合不到位等情況; 一些設(shè)計圖紙往往只交待需由專業(yè)廠家深化, 或者套用廠家圖紙僅滿足招標(biāo)要求深度, 給工程質(zhì)量帶來較大隱患。 本文結(jié)合正在承擔(dān)的某試驗廠房設(shè)計任務(wù), 重點就規(guī)范依據(jù)、 系統(tǒng)計算、 自動報警及聯(lián)動控制, 以及施工圖審查時易提問題進行總結(jié), 以供同行參考。
GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范(2018 年版)》[3]規(guī)定, 單臺容量在40 MV·A 及以上的廠礦企業(yè)油浸變壓器, 單臺容量在90 MV·A 及以上的電廠油浸變壓器, 單臺容量在125 MV·A 及以上的獨立變電站油浸變壓器, 應(yīng)設(shè)置自動滅火系統(tǒng), 并宜采用水噴霧滅火系統(tǒng)。 設(shè)置在室內(nèi)的油浸變壓器可采用細水霧滅火系統(tǒng)。 條文說明中解釋對于缺水或嚴寒、 寒冷地區(qū)、 無法采用水噴霧滅火系統(tǒng)的電力變壓器和設(shè)置在室內(nèi)的電力變壓器, 可采用二氧化碳等氣體滅火系統(tǒng)和自動噴水-泡沫聯(lián)用系統(tǒng)、 細水霧滅火系統(tǒng)等。 GB 50229—2019《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火標(biāo)準》[4]規(guī)定: 220、 330、 500 kV 獨立變電所, 單臺容量為125 MW 及以上的主變壓器應(yīng)設(shè)水噴霧滅火系統(tǒng), 并應(yīng)具備試噴的條件。 當(dāng)采用水噴霧滅火系統(tǒng)有困難時, 可采用其他滅火設(shè)施。 電力行業(yè)標(biāo)準DL 5027—2015《電力設(shè)備典型消防規(guī)程》[5]規(guī)定: 變電站(換流站)單臺容量為125 MV·A 及以上、 火電廠包括燃機電廠單臺容量為90 MV·A 及以上、 水電廠室內(nèi)油浸式主變壓器和單臺容量12.5 MV·A 以上的廠用變壓器應(yīng)設(shè)置固定自動滅火系統(tǒng)。 固定自動滅火系統(tǒng)可采用水噴霧滅火系統(tǒng)、 排油注氮滅火裝置和泡沫噴霧滅火裝置。
水噴霧滅火系統(tǒng)是室外大型變壓器通常采用的一種消防設(shè)施, 技術(shù)較為成熟, 在國內(nèi)外均有較為廣泛的應(yīng)用。 智會強等[6]對國內(nèi)外油浸變壓器火災(zāi)案例歸納分析, 將變壓器火災(zāi)分為初期絕緣子根部爆裂火災(zāi)、 油箱局部爆裂火災(zāi)和油箱整體爆裂火災(zāi)3 類模式。 固定滅火系統(tǒng)能夠撲救的火災(zāi)為絕緣子根部爆裂火災(zāi)與變壓器油沿油箱外壁流向集油池的變壓器油箱局部爆裂火災(zāi), 油箱整體爆裂火災(zāi)是各種固定滅火系統(tǒng)無法保護的。 并通過試驗發(fā)現(xiàn)對于變壓器內(nèi)部和外部未形成良好通風(fēng)條件的初期火災(zāi), 水噴霧可以有效滅火, 而當(dāng)多處絕緣子同時爆裂, 內(nèi)、 外部易形成良好通風(fēng)條件時, 水噴霧系統(tǒng)可有效控火, 但難以滅火。 汪文超[7]介紹了排油注氮消防系統(tǒng)機理和工作原理, 并就水噴霧滅火系統(tǒng)和排油注氮系統(tǒng)優(yōu)缺點進行比較, 得出水噴霧方案更為安全、 可靠、 實用、 經(jīng)濟。 當(dāng)條件不允許, 在征得了消防監(jiān)督部門同意的前提下, 也可采用排油注氮消防系統(tǒng)。 孫海林[8]從節(jié)省投資和減少維護工作量出發(fā), 得出變電所主變壓器消防設(shè)計上應(yīng)積極考慮采用排油注氮滅火系統(tǒng)或“SP”合成型泡沫噴淋滅火系統(tǒng)。 豫電運維〔2019〕58 號要求, 到2020年底國網(wǎng)河南省電力公司在運變電站(換流站)火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、 變壓器固定自動滅火系統(tǒng)配置率達到100%, 并針對電網(wǎng)企業(yè)特點, 組織開展高壓細水霧在室外環(huán)境的應(yīng)用, 開創(chuàng)了細水霧滅火系統(tǒng)應(yīng)用于室外油浸式變壓器的先河。
根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和室外油浸式變壓器現(xiàn)有固定自動滅火系統(tǒng)對比分析, 結(jié)合正在承擔(dān)的某試驗廠房工程項目特點, 室外有多處超過40 MV·A 油浸式變壓器, 水消防系統(tǒng)按一處火災(zāi)采用區(qū)域消防泵站設(shè)計。 綜合安全穩(wěn)妥、 后期運維和工程造價等因素, 經(jīng)專家評審后, 本廠房室外油浸式變壓器采用水噴霧滅火系統(tǒng)。
某試驗廠房根據(jù)工藝要求, 室外設(shè)置4 臺75 MV·A 油浸式變壓器, 貼臨廠房南北兩側(cè)成對稱布置。 變壓器主要外形設(shè)備尺寸及室外下方油池布置如圖1 所示。
圖1 室外單臺油浸式變壓器尺寸Fig. 1 Dimension of single outside oil immersed transformer
根據(jù)GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[9]中規(guī)定的相關(guān)參數(shù), 采用《兆龍電力變壓器消防設(shè)計計算軟件GB》對此變壓器水霧噴頭進行布置設(shè)計(結(jié)果如圖2 所示), 確保水霧噴頭可以包絡(luò)變壓器任何部位。 變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)圖和計算簡圖如圖3 所示。
圖2 室外單臺油浸式變壓器噴頭包絡(luò)圖Fig. 2 Nozzle envelope of outside single oil immersed transformer
圖3 室外單臺油浸式變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)圖和計算簡圖Fig. 3 System and calculation diagram of water spray fire extinguishing system for outside single oil immersed transformer
主要設(shè)計參數(shù)取值見表1, 計算結(jié)果顯示編號77 的噴頭為系統(tǒng)最不利點, 最不利點設(shè)計計算壓力為350.26 kPa, 系統(tǒng)響應(yīng)時間為12.06 s, 集油坑采用流量系數(shù)為K16 的噴頭, 噴霧強度為10.2 L/(min·m2), 變壓器本體和油枕采用流量系數(shù)為K42.8 的噴頭, 設(shè)計噴霧強度分別為25.17 L/(min·m2)和27.22 L/(min·m2), 符合規(guī)范要求。
表1 油浸式變壓器設(shè)計參數(shù)Tab. 1 Design parameters of oil immersed transformer
水噴霧滅火系統(tǒng)應(yīng)采用自動控制、 手動控制和應(yīng)急操作3 種控制方式。 自動控制涉及到電氣專業(yè)火災(zāi)自動報警和聯(lián)動控制設(shè)計。 李亮[10]建議大型油浸式變壓器探測報警設(shè)備既要考慮雨、 雪、 煙霧、 溫度等氣候變化對探測效果的影響, 還要考慮變壓器運行時, 向空間輻射電磁干擾等因素, 可在變壓器周邊增設(shè)具有室外抗“日光盲”功能的火焰或視頻火災(zāi)探測器確認變壓器的初起火災(zāi)。 因新修訂的GB 50219—2014 增加了變壓器絕緣子升高座孔口設(shè)置噴頭要求, 為防止誤噴造成不利影響, 本工程采用2 個獨立探測器的冗余設(shè)置方案。 線型感溫火災(zāi)探測器采用正弦波方式、 分層次(變壓器的上、中、 下3 層)接觸式安裝于變壓器外表面, 視頻火災(zāi)探測器采用架空安裝方式安裝在油枕附近。
(1) 排油管管徑和事故油池容量需校核消防設(shè)計流量。 由于火災(zāi)情況存在泄油和水噴霧系統(tǒng)同時作用, 事故排油管除需保證排油要求外, 還要充分考慮消防排水量, 經(jīng)校核事故排油管選用管徑為DN 350 mm 的球墨鑄鐵管, 按5‰坡度坡向事故油池, 事故油池應(yīng)具備油水分離功能。 本工程事故油池做法如圖4 所示。
(2) 水噴霧滅火系統(tǒng)組件和管材選型。 油浸式變壓器火災(zāi)類型為液體火災(zāi)和電氣火災(zāi), 水霧噴頭應(yīng)選用離心霧化型; 雨淋報警閥前管道應(yīng)設(shè)置可沖洗的過濾器, 過濾器與雨淋報警閥之間及其后的管道應(yīng)采用內(nèi)外熱浸鍍鋅鋼管、 不銹鋼管或銅管, 考慮到室外防腐和管道連接安裝時對鍍鋅層的破壞,本工程采用316 L 不銹鋼管。 同時, 由于規(guī)范要求此類火災(zāi)的響應(yīng)時間不大于60 s, 雨淋閥室的位置到變壓器最不利噴頭距離不宜大于50 m。
圖 4 室外事故油池設(shè)計詳圖Fig. 4 Detailed drawing of outside emergency oil pool of the project
(1) 結(jié)合現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準、 規(guī)范, 室外油浸式變壓器火災(zāi)應(yīng)優(yōu)先采用水噴霧滅火系統(tǒng), 確有困難時經(jīng)當(dāng)?shù)叵辣O(jiān)督部門及建設(shè)主管部門認可的情況下, 可采用其他有效的自動滅火設(shè)施。
(2) 為提高初期火災(zāi)滅火效率, 水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計時變壓器絕緣子根部宜有專門的噴頭覆蓋。
(3) 由于變壓器不規(guī)則外形導(dǎo)致局部面積的布水重疊, 基于保護面積和噴水強度得出的流量再乘以一定的安全系數(shù)(往往是經(jīng)驗值, 隨意性較大)作為系統(tǒng)設(shè)計流量在方案與初步設(shè)計階段可行, 施工圖階段還應(yīng)采用專業(yè)消防計算軟件確定系統(tǒng)設(shè)計流量和壓力。
(4) 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和聯(lián)動控制要與電氣專業(yè)充分溝通, 結(jié)合項目所在地環(huán)境特點綜合考慮,確保系統(tǒng)設(shè)置科學(xué)有效。 為防止誤噴造成不利影響, 建議火災(zāi)自動報警系統(tǒng)采用2 個獨立探測器的冗余設(shè)置方案。
(5) 變壓器水噴霧管道安裝完畢后, 要做包絡(luò)試驗。