嚴(yán)偉 劉金革 張輝亮 鄭登升 陳宇曦 韓焦

（1.常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

特高壓換流站和變電站中大型油類變壓器具有儲油量大，運行溫度高的特點，發(fā)生火災(zāi)容易引發(fā)套管和油箱爆炸，撲救難度大，其消防安全越來越受到重視。新型滅火技術(shù)及其應(yīng)用方案也在持續(xù)研究和探索中［1］。固定式壓縮空氣泡沫滅火技術(shù)作為一種新型的滅火技術(shù)，通過遠(yuǎn)離火場的壓縮空氣泡沫產(chǎn)生裝置生成滅火炮具有滅火速度快、環(huán)境污染小、可靠性高等優(yōu)點，可有效撲滅溢油火災(zāi)并防止發(fā)生復(fù)燃，被越來越多地應(yīng)用到換流站和變電站的變壓器火災(zāi)防護中［2］。相對于壓縮空氣泡沫消防炮系統(tǒng)，壓縮空氣泡沫噴淋系統(tǒng)在滅火過程中對防護區(qū)域形成全覆蓋滅火，無需調(diào)整噴射角度，與壓縮空氣泡沫炮系統(tǒng)相比，響應(yīng)速度更快，自動化程度和滅火效率更高［3］。變壓器火災(zāi)容易造成爆炸，為減少爆炸對噴淋系統(tǒng)的影響，較為有效的措施是將噴淋管布置在換流變兩側(cè)的防火墻上，又因為防火墻間距較大（特高壓換流變防火墻間距約11 m，特高壓交流變防火墻間距約22 m），所以噴淋管射程直接影響噴淋系統(tǒng)的全覆蓋效果，進而決定能否有效滅火，至今沒有發(fā)現(xiàn)對壓縮空氣泡沫噴淋管射程研究的報道。

壓縮空氣泡沫從噴淋管噴射現(xiàn)象可近似為自由紊動射流現(xiàn)象：射流以初速度u0自孔口出射后與周圍靜止流體間形成速度不連續(xù)的間端面，速度間斷面不穩(wěn)定，必定會產(chǎn)生波動，并發(fā)展成渦旋，從而把原來周圍處于靜止?fàn)顟B(tài)的流體卷吸到射流中。由于周圍靜止流體與射流的摻混，相應(yīng)產(chǎn)生了對射流的阻力，使射流邊緣部分速度降低，經(jīng)過一定距離發(fā)展到射流中心，自此以后射流的全斷面上都發(fā)展成紊流。壓縮空氣泡沫是消防水、泡沫液和壓縮空氣三者按一定比例混合的產(chǎn)物，與水射流相比，流態(tài)復(fù)雜多變，密度更小，受空氣阻力影響更大。為此，搭建試驗平臺，研究壓縮空氣泡沫噴淋管射程隨噴淋孔徑、噴射壓力、噴射角度和支管長度的變化規(guī)律，可用于指導(dǎo)壓縮空氣泡沫噴淋系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和工程應(yīng)用。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗平臺

壓縮空氣泡沫噴淋管射程試驗平臺包括固定式壓縮空氣泡沫產(chǎn)生裝置、噴淋管、連接管路、壓力表，原理如圖1 所示。壓縮空氣泡沫產(chǎn)生裝置通過輸送管道為噴淋管供給壓縮空氣泡沫，在噴淋管入口處設(shè)置壓力表測量不同工況下噴淋管的入口壓力作為壓縮空氣泡沫的噴射壓力。此外，輸送管道上設(shè)置調(diào)節(jié)閥門，當(dāng)系統(tǒng)流量較小致使壓縮空氣泡沫產(chǎn)生裝置出口壓力較低時，調(diào)小閥門開度確保氣液混合器之前的壓縮空氣流速在氣體流量計允許范圍內(nèi)。

圖1 試驗平臺原理

1.2 壓縮空氣泡沫產(chǎn)生裝置

試驗平臺所用的自主研發(fā)的壓縮空氣泡沫產(chǎn)生裝置，包括混合裝置、消防水泵、空氣壓縮機和外接的泡沫液箱和水箱。壓縮空氣泡沫產(chǎn)生裝置的標(biāo)稱流量為2 400 L/min，滿足在800~2 400 L/min 范圍可調(diào)，額定混合比為3%，滿足在1%~6%范圍內(nèi)比例可調(diào)，系統(tǒng)許用工作壓力為0.5~1 MPa，主要性能參數(shù)如表1 所示。外接泡沫液箱有效容積為2 m3，儲存的泡沫原液為3%型水成膜泡沫滅火劑，滿足額定工況下連續(xù)供液不小于25 min；外接消防水箱有效容積為50 m3，并具備持續(xù)補水功能。

表1 裝置主要性能參數(shù)

1.3 噴淋管

設(shè)計不同噴淋孔徑的噴淋管，噴淋管采用DN100 的304 不銹鋼管一段焊接5 mm 厚的封板和另一端焊接翻邊法蘭制作而成，總長度為6000mm，共開設(shè)50 個噴射孔，間距為110mm。根據(jù)試驗需求共制作5 個噴淋管，噴淋孔徑分別為8、12、16、20mm。

設(shè)計不同支管長度的噴淋管，噴淋管采用DN100 的304 不銹鋼管2 段各焊接1 個翻邊法蘭制作而成，總長度6 000 mm，一側(cè)均勻焊接50 個1/4’直通內(nèi)螺紋接頭，間距為110 mm；另一側(cè)均勻焊接50個1/2’直通內(nèi)螺栓接頭，間距也為110 mm。分別生產(chǎn)總長度為100 mm、200 mm 和300 mm 的噴淋支管各50 個，支管兩端各焊接1 個1/2’外螺紋接頭，用于安裝在噴淋管上，研究不同支管長度的噴淋射程。此外，分別準(zhǔn)備50 個1/4’和1/2’的螺紋堵頭，當(dāng)采用噴淋管上1/4’的螺紋孔作為壓縮空氣泡沫噴射孔時，則用1/2’的螺紋堵頭堵住噴淋管上的1/2’的螺紋孔；反之則用1/4’的螺紋堵頭堵住噴淋管上的1/4’的螺紋孔，也可以安裝部分螺紋堵頭測試極限射程。為保證試驗具有可比性，噴淋支管兩端外螺紋接頭的中心處開設(shè)1/4’的內(nèi)螺紋孔。

1.4 試驗方法

將噴淋管安裝到試驗平臺上，安裝高度約為1 m，測試現(xiàn)場風(fēng)速不大于2 m/s，啟動壓縮空氣泡沫產(chǎn)生裝置，設(shè)定裝置混合比為3%，氣液比為7∶1，調(diào)整系統(tǒng)流量和壓力，待系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄噴淋管入口壓力和射程。參照《消防車第6 部分：壓縮空氣泡沫消防車》（GB 7956.6—2015）消防炮射程測量方法：測定不少于10 s時間連續(xù)灑落泡沫的最遠(yuǎn)點為射程的最遠(yuǎn)點。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 噴射壓力隨流量的變化規(guī)律

將噴淋孔徑為8、12、16、20 mm的噴淋管依次安裝在試驗平臺上，調(diào)節(jié)壓縮空氣泡沫產(chǎn)生裝置流量分別為1 200、1 600、2 000、2 400 L/min，得到噴射壓力如圖2 所示。從圖2 中可以看出，噴淋孔徑和數(shù)量一定時，噴射壓力隨混合液流量增大而增大。這是由流體流動特性決定的，因此，可以通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量間接調(diào)節(jié)噴射壓力。

圖2 噴射壓力隨混合液流量的變化曲線

2.2 噴淋射程隨噴淋孔徑的變化規(guī)律

按照2.1 的試驗方法，調(diào)節(jié)噴射角度為0°，得到不同混合液流量下各個噴淋孔徑的噴淋射程如圖3所示。從圖3 中可以看出，當(dāng)混合液流量一定時，噴淋射程隨噴淋孔徑的增大整體呈減小趨勢；當(dāng)噴淋孔徑一定時，噴淋射程隨混合液流量的增大而增大。正如圖2 所示，噴淋孔徑和混合液流量共同決定了噴射壓力，進而影響噴淋射程。值得注意的是當(dāng)噴淋孔徑為8 mm，混合液流量從2 000 L/min 增大到2 400 L/min 時，噴淋射程基本沒有增加，這是因為混合液流量為2 000 L/min 時，已經(jīng)達到其極限射程。

圖3 噴淋射程隨噴淋孔徑的變化曲線

2.3 噴淋射程隨噴射壓力的變化規(guī)律

調(diào)整噴淋角度為0°，通過調(diào)節(jié)混合液流量和噴淋孔數(shù)量，得到噴淋射程隨噴射壓力的變化規(guī)律，如圖4 所示。從圖4 可以看出，在一定范圍內(nèi)，噴淋射程隨噴射壓力的增大而增大，到達一定的極限值時，噴淋射程不再增大；在同一噴射壓力下，噴淋孔徑越大，噴淋射程越大。

圖4 噴淋射程隨噴射壓力的變化曲線

2.4 噴淋射程隨噴射角度的變化規(guī)律

調(diào)節(jié)噴淋管角度分別為0°、10°、20°、30°、40°和50°，得到噴淋射程隨噴射角度的變化曲線，如圖5 所示。從圖5 可以看出，隨著噴射角度的增加，噴淋射程先增大后減小，在噴射角度為30°時，噴淋射程達到最大。噴射角度越大，受到空氣阻力和風(fēng)速的影響越大。在試驗中發(fā)現(xiàn)，噴射角度大于20°時，泡沫落下時水平速度很小。在實際滅火中，泡沫必須具備一定的動能才能很好地穿透火羽流，從而達到滅火的目的。因此，建議噴射角度不大于20°。

圖5 噴淋射程隨噴射角度的變化曲線

2.5 噴淋射程隨支管長度的變化規(guī)律

將不同長度的噴淋支管安裝到噴淋管上，調(diào)節(jié)噴射角度為0°，研究噴淋射程隨支管長度的變化規(guī)律，如圖6 所示。從圖6 可以看出，支管長度對噴淋射程的影響可以忽略。試驗中發(fā)現(xiàn)，在同樣工況下，噴淋支管長度的增加還會造成系統(tǒng)壓力增大，不利于壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。此外，增加噴淋支管還會造成噴淋管的抗爆性變差。因此建議不設(shè)置噴淋支管。

圖6 噴淋射程隨支管長度的變化曲線

3 結(jié)論

1）針對換流站和變電站的特殊工況，研發(fā)壓縮空氣泡沫產(chǎn)生裝置，設(shè)計噴淋管工裝，搭建試驗平臺，研究噴淋射程隨不同影響因素的變化規(guī)律，研究結(jié)果可用于指導(dǎo)壓縮空氣泡沫噴淋系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和工程應(yīng)用。

2）適當(dāng)調(diào)整噴淋孔徑、噴射壓力和噴射角度可以有效增大噴淋射程，而支管長度對噴淋射程的影響較小。

3）研究重點在噴淋射程隨單一影響因素的變化規(guī)律，沒有涉及多種方向孔相互影響和整體覆蓋效果的探討，在未來需要進行深入研究。