摘要：

水噴霧滅火系統(tǒng)以水為滅火介質(zhì)，利用水霧噴頭在壓力水流的作用下產(chǎn)生水霧進行控火、滅火，是變壓器常用的固定式滅火系統(tǒng)之一。本文結(jié)合電力工程的實際情況，參考自動噴水滅火系統(tǒng)的噴頭布置原則，在現(xiàn)行規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，對水霧噴頭與保護對象的距離進行討論，優(yōu)化噴頭和管網(wǎng)的布置形式，保證供水率及噴頭的水霧噴射效果，從而保證火災(zāi)發(fā)生時能更加有效地控火、滅火。

關(guān)鍵詞：水噴霧滅火；油浸變壓器；水霧噴頭布置；自力式爆管切斷閥

引言

電力變壓器是由鐵芯柱或鐵軛構(gòu)成的完整閉合磁路，是由絕緣銅線或鋁線制成線圈，從而形成變壓器的原、副邊圈。大多數(shù)變壓器都是采用油浸自然冷卻，絕緣油在線圈間起到絕緣和冷卻的作用。絕緣油的閃點約為135℃，受熱蒸發(fā)后容易與空氣混合，形成可引起爆炸的混合物。變壓器火災(zāi)形式多樣，包括噴射火、油池火和流淌火等。這些特點使得變壓器火災(zāi)的撲救和預(yù)防變得尤為重要。在滅火過程中，噴頭與保護對象之間的距離和水霧噴頭布置對滅火效果的影響十分顯著。《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》.[1].GB50219-2014（下文簡稱《水噴規(guī)》）中規(guī)定了水霧噴頭的基本布置原則。本文在相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，根據(jù)水噴霧的滅火機理，結(jié)合變壓器火災(zāi)的特點，對水噴霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計進行優(yōu)化，使水噴霧滅火系統(tǒng)能更加有效地?fù)錅缁馂?zāi)。

一、水霧噴頭與變壓器距離的影響因素

《消防設(shè)施通用規(guī)范》（GB55036-2022）和《水噴規(guī)》有條文直接涉及水噴霧噴頭與被保護對象之間的距離。水霧噴頭與保護對象之間的距離小于或等于水霧噴頭的有效射程。水霧錐底圓半徑應(yīng)按下式計算：

式中：R—水霧錐底圓半徑（m）；B—水霧噴頭的噴口與保護對象之間的距離（m）；θ—水霧噴頭的霧化角（°）。

由公式（1）變換得出：

根據(jù)公式（2）可知，對于一個霧化角一定的噴頭而言，水霧錐底圓半徑R越大，水霧噴頭的噴口與保護對象之間的距離B就越大，當(dāng)R取得最大值時，B也取得最大值。水霧噴頭的流量可根據(jù)下式計算：

式中：q—水霧噴頭的流量（L/min）；P—水霧噴頭的工作壓力（MPa）；K—水霧噴頭的流量系數(shù)，取值由噴頭制造商提供。單位面積的噴水強度Q可根據(jù)下式求出：

由公式（4）可知，單位面積上的噴水強度與水霧錐底圓半徑有關(guān)，半徑越大，供給強度越低。不同于直流水滅火系統(tǒng)，水噴霧滅火系統(tǒng)的機理為致密的水霧覆蓋整個保護對象。變壓器火災(zāi)發(fā)展迅速，火災(zāi)危險性較大；水霧的分布越均勻，供給強度越高，滅火效果越好，因此應(yīng)保證保護對象表面每個點的水霧強度均達(dá)到規(guī)范要求的供給強度，即根據(jù)保護對象的供給強度確定噴頭的有效保護半徑（《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》.[2].GB50084-2017第5.0.12條的條文說明中有噴頭有效保護半徑的計算舉例，可做參考），這個有效保護半徑就是噴頭水霧錐底圓半徑的最大值。將（2）（3）（4）式結(jié)合，得出下式：

由公式（5）可知，水霧噴頭距保護對象的距離B與噴頭流量系數(shù)K、噴頭工作壓力P、噴頭霧化角θ、單位面積的噴水強度Q有關(guān)。K、P越大，噴頭距保護對象的距離就越大。θ、Q越大，噴頭距保護對象的距離就越小。

取噴頭的流量系數(shù)K=16，工作壓力P=0.35MPa，霧化角θ=60°，由公式（3）計算得出噴頭的流量q≈30L/（min·m.2）?！端畤娨?guī)》3.1.2條規(guī)定了水噴霧滅火系統(tǒng)對于油浸式電力變壓器的供給強度為20L/（min·m.2）；根據(jù)公式（4），對于選定的噴頭而言，最大有效保護半徑.R.≈0.7m。.再由公式（2）求出水霧噴頭的噴口與保護對象之

間的距離B≈1.21m。計算求得B后，應(yīng)根據(jù)噴頭樣本查找噴頭的有效射程B1，噴頭距保護對象的最大距離應(yīng)取B與B1的較小值。

因此，在工程設(shè)計中，應(yīng)盡量按照噴頭距保護對象的最大距離來布置噴頭。

二、水噴霧系統(tǒng)的噴頭布置對系統(tǒng)供水量的影響

水噴霧噴頭的合理布置有利于提高滅火效果，《水噴規(guī)》3.2.4條規(guī)定：水霧噴頭的平面布置方式可為矩形或菱形。當(dāng)按矩形布置時，水霧噴頭之間的距離不應(yīng)大于1.4倍水霧噴頭的水霧錐底圓半徑；當(dāng)按菱形布置時，水霧噴頭之間的距離不應(yīng)大于1.7倍水霧噴頭的水霧錐底圓半徑。下面分別計算這兩種布置形式對系統(tǒng)供水量的需求。

（一）按矩形布置

按矩形布置的水霧噴頭見圖1。當(dāng)按矩形布置時，每個噴頭所保護的面積就是矩形四個頂點所圍成的面積（即圖中陰影部分面積）。按照噴頭的布置原則，圖中噴頭保護半徑R為有效保護半徑，根據(jù)公式（4），噴頭按矩形布置時的平均噴水強度為：

油浸式電力變壓器的供給強度Q=20L/（min·m.2），因此噴頭按矩形布置時，變壓器的平均噴水強度約為31.4L/（min·m.2）。

（二）按菱形布置

按菱形布置的水霧噴頭見圖2。

當(dāng)按菱形布置時，每個噴頭所保護的面積是菱形四個頂點所圍成的面積（即圖中陰影部分面積）。根據(jù)按矩形布置時的計算方法，噴頭按菱形布置的平均噴水強度為：

噴頭按菱形布置時，變壓器的平均噴水強度約為24.2L/（min·m.2）。

由理論計算結(jié)果可知，噴頭按菱形布置時所需的水量約為矩形布置的77.1%，因此水噴霧滅火系統(tǒng)的噴頭采用菱形布置時所需要的用水量較少。

三、水噴霧滅火系統(tǒng)的防爆設(shè)計

（一）水噴霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計壓力要求

《消防設(shè)施通用規(guī)范》（GB55036—2022）對水噴霧滅火系統(tǒng)的工作壓力做了如下要求：水霧噴頭的工作壓力，當(dāng)用于滅火時應(yīng)大于或等于0.35MPa，當(dāng)用于防護冷卻時應(yīng)大于或等于0.15MPa。

用于油浸式變壓器滅火時，應(yīng)滿足噴頭工作壓力不低于0.35MPa的要求。

（二）管網(wǎng)損壞對水噴霧滅火系統(tǒng)的影響

對于水噴霧滅火系統(tǒng)而言，維持最不利點噴頭0.35MPa的工作壓力是系統(tǒng)達(dá)到滅火效果的關(guān)鍵因素，壓力不足會導(dǎo)致水流霧化不完全，水霧噴頭射程不足，失去滅火效果。下面采用一個典型的水噴霧滅火系統(tǒng)來定量計算當(dāng)管網(wǎng)破損時水噴霧系統(tǒng)內(nèi)的壓力變化情況。如圖3所示，系統(tǒng)共十根立管，對稱布置，所有立管上噴頭的布置與立管1相同，圖中僅表示立管1、2，其余省略。

根據(jù)調(diào)研情況，主變爆炸最常發(fā)生的情況就是爆炸沖擊破壞某一根立管。本文主要討論的是管網(wǎng)中出現(xiàn)一處立管破損的情況。

1.管網(wǎng)未被破壞的情況

當(dāng)管網(wǎng)未被破壞時，系統(tǒng)中各點的壓力等情況如表1所示（忽略主變處水噴霧環(huán)狀管網(wǎng)內(nèi)的水頭損失）。取系統(tǒng)的設(shè)計流量為50L/s，AB管段長度為200m。

按表1數(shù)據(jù)，要求雨淋閥出口A點壓力不低于0.60MPa。

2.管網(wǎng)中一根立管被破壞的情況

當(dāng)管網(wǎng)破損時，破損點距水源越近，管網(wǎng)失壓情況越嚴(yán)重，因此選擇立管2為最不利立管，計算立管2在G點斷裂時管道內(nèi)的壓力。根據(jù)《水噴規(guī)》的要求，當(dāng)系統(tǒng)管道采用普通鋼管或鍍鋅鋼管時，其沿程水頭損失采用下列公式計算：

式中：V—管道內(nèi)水的平均流速（m/s）；i—管道的單位長度水頭損失（MPa/m）；dj—管道的計算內(nèi)徑（m）。為了便于計算，假定在管網(wǎng)破壞后，雨淋閥出口的壓力仍然為0.60MPa。對于A點及G點，由伯努利方程得：

hw采用（6）式計算，局部水頭損失按沿程水頭損失的20%計算，各點計算結(jié)果如表2所示。對比表1、表2可知，當(dāng)最不利立管被破壞時，水噴霧環(huán)狀管網(wǎng)入口處的壓力降為0.094MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常情況下的0.40MPa；各噴頭的工作壓力均遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的0.35MPa，在這種情況下，水噴霧滅火系統(tǒng)完全失去了滅火作用。

（三）避免管網(wǎng)因破損而失壓的措施

避免管道失壓的措施一般從以下兩個方面考慮：

一是加強管道的強度，降低管道被破壞的概率；二是在管網(wǎng)破損時將破損的管道關(guān)閉，保證其余管道的正常工作。本文考慮采用自力式爆管切斷閥自動關(guān)閉破損的立管，保持管網(wǎng)壓力，使未損壞的噴頭能發(fā)揮滅火作用。

自力式爆管切斷閥的作用是當(dāng)發(fā)生管道破損時，流速檢測機構(gòu)自動檢測管道破損時的異常流速，通過與閥體直接連接的重錘及時關(guān)閉閥門。流速檢測機構(gòu)及閥門關(guān)閉裝置均為純機械式，無須外部提供電能，維護和保養(yǎng)方便。自力式爆管切斷閥在壓力輸水管網(wǎng)中有較多應(yīng)用，可有效減少因爆管產(chǎn)生的各種二次事故。

具體實施方案如圖4所示。

在水噴霧系統(tǒng)中，每根立管根部設(shè)置自力式爆管切斷閥。爆管切斷閥位于變壓器油坑內(nèi)，低于變壓器基礎(chǔ)頂面，可以避免變壓器爆炸對閥門的破壞。當(dāng)變壓器爆炸破壞了立管時，立管內(nèi)的流速突然增大，爆管切斷閥感應(yīng)到這種變化，自動關(guān)閉閥門以隔離被破壞的管道。

結(jié)語

本文根據(jù)《水噴規(guī)》關(guān)于水霧噴頭的計算及布置要求，理論推導(dǎo)出水霧噴頭與保護對象距離的計算公式；公式中包含噴頭流量系數(shù)K、噴頭工作壓力P、噴頭霧化角θ、保護對象單位面積的噴水強度Q四個變量。在變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)的工程設(shè)計過程中，選定噴頭確定了K、P、θ、Q后，可計算出噴頭距變壓器的最大距離；在最大距離之內(nèi)布置噴頭可滿足規(guī)范對噴水強度的要求。選取典型的水噴霧滅火系統(tǒng)管網(wǎng)，通過理論計算得出當(dāng)水噴霧系統(tǒng)中某根立管被破壞時管網(wǎng)內(nèi)壓力的變化情況。當(dāng)立管發(fā)生破壞時，管網(wǎng)內(nèi)的額定壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于系統(tǒng)所需的工作壓力，管網(wǎng)失壓嚴(yán)重，整個系統(tǒng)失去滅火功能。根據(jù)計算結(jié)果，提出一種切實可行的措施來防止管道失壓：在立管根部安裝自力式爆管斷流閥，當(dāng)立管被破壞后，斷流閥自動關(guān)閉，將被破壞的管道隔離，以維持系統(tǒng)內(nèi)壓力，最大限度地保留系統(tǒng)的滅火能力。

參考文獻(xiàn)

[1]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范：GB50219-2014[S].中國計劃出版社，2015.

[2]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范：GB50084-2017[S].中國計劃出版社，2018.

作者簡介：

田浩宇（1981— ），男，漢族，遼寧沈陽人，本科，高級工程師、注冊結(jié)構(gòu)工程師、注冊建筑師，研究方向：各電壓等級變電站結(jié)構(gòu)、建筑專業(yè)設(shè)計；姚加興（1987— ），男，漢族，山東威海人，碩士研究生，高級工程師、注冊公用設(shè)備工程師，研究方向：各電壓等級變電站水工、消防專業(yè)設(shè)計。