摘要：高壓細(xì)水霧作為目前最高效和清潔的滅火系統(tǒng)，得到了廣泛應(yīng)用。其兼顧氣體和液體雙重滅火特性，具有優(yōu)良的滅火效果。本文采用數(shù)值模擬方法，分析不同外界風(fēng)速度，得到變壓器在滅火過程中溫度、CO濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律。在變壓器背風(fēng)側(cè)，風(fēng)速5m/s時(shí)的各測(cè)點(diǎn)溫度最高，火焰偏移最為明顯；風(fēng)速9m/s為變壓器背風(fēng)側(cè)溫度的臨界風(fēng)速；隨著探測(cè)點(diǎn)距離的增加，溫度逐漸降低。

關(guān)鍵詞：高壓細(xì)水霧；油浸式變壓器；數(shù)值模擬；外界風(fēng)速

引言

大型油浸式變壓器常用于火電廠、大型工礦企業(yè)和各級(jí)變電站等場(chǎng)所。變壓器工作環(huán)境的特點(diǎn)（如高溫、室外、帶電火花），在長時(shí)間運(yùn)行中，發(fā)生故障的可能性逐漸增加，可能導(dǎo)致變壓器短路，產(chǎn)生帶電火花，持續(xù)燃燒，很可能造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[1-2]。查閱大量國內(nèi)外資料[3-5]發(fā)現(xiàn)，大型油浸式變壓器火災(zāi)大部分是由變壓器內(nèi)部出現(xiàn)過載、短路，使外部絕緣材料和內(nèi)部絕緣油受到破壞而失去保護(hù)作用導(dǎo)致的。變壓器使用的絕緣油（一臺(tái)750kV、700MVA的變壓器油量達(dá)100噸以上）閃點(diǎn)在140℃—160℃，在高溫或爆炸條件下，產(chǎn)生可燃性氣體（如甲烷、乙烷、氫），與空氣混合形成預(yù)混可燃?xì)怏w，在適當(dāng)條件下易發(fā)生燃燒爆炸事故，造成火勢(shì)蔓延。目前，國內(nèi)外主要是針對(duì)高壓細(xì)水霧系統(tǒng)在不同應(yīng)用場(chǎng)景等宏觀方面的研究，在變壓器領(lǐng)域，缺少具體不同工況條件下對(duì)高壓細(xì)水霧滅火效果的影響研究[6]，對(duì)滅火過程中溫度、CO濃度變化規(guī)律的研究較少。本文將研究變壓器使用高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)時(shí)，在不同外界風(fēng)速條件下，滅火過程中溫度、CO濃度分布隨時(shí)間變化的規(guī)律。

一、Pyro Sim介紹

Pyro Sim是一款火災(zāi)模擬軟件，內(nèi)嵌了FDS（火災(zāi)動(dòng)力模擬軟件），在火災(zāi)模擬領(lǐng)域具有很高的權(quán)威性和知名度?；馂?zāi)模擬模型使用較為流行的大渦模擬法（LES），將整體的湍流流動(dòng)分為小渦旋流動(dòng)和大渦旋流動(dòng)，通過近似有限差分法來計(jì)算質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒和組分守恒的偏微分方程以求解。流體力學(xué)模型使用Navier-Stokes（N-S方程），研究低馬赫數(shù)下的湍流流動(dòng)，低馬赫數(shù)方程在求解時(shí)被認(rèn)為是矩形單元格，單元格的氣體速度、溫度等假定是統(tǒng)一的。在FDS中，常常將這兩種研究方法結(jié)合到同一個(gè)數(shù)值模擬中，使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，縮短模擬時(shí)間[7]。

二、數(shù)值模型建立

（一）火源設(shè)置

變壓器火災(zāi)常在變壓器上方、油枕側(cè)壁中部、絕緣套管根部發(fā)生，本次數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)將模擬變壓器上方位置發(fā)生火災(zāi)。

（二）邊界條件

采用Heskestad方法預(yù)估火羽流高度，由公式（1）算出變壓器燃燒火焰高度為21.5m。

式中，Hf為變壓器的火焰高度，Q為變壓器的熱釋放速率，D為絕緣油的水平直徑。

油浸式變壓器外形尺寸約為60m×40m×40m，油枕直徑約08m，長約20m，四周為開放區(qū)域?？紤]變壓器燃燒時(shí)最不利位置情況，設(shè)置在變壓器頂部40m處位置，高度H=40+215=255m，網(wǎng)格區(qū)域Z軸取值為27m，X軸取值17m，Y軸取值11m，如圖1所示。

（三）網(wǎng)格尺寸無關(guān)性驗(yàn)證

（四）模擬時(shí)間

為了更好地監(jiān)測(cè)變壓器溫度及CO濃度變化，模擬實(shí)驗(yàn)在變壓器迎風(fēng)側(cè)05m處以水平間距1m布置探測(cè)器4個(gè)，在背風(fēng)側(cè)05m處以水平間距1m布置探測(cè)器7個(gè)，在南側(cè)05m處以垂直間距1m布置探測(cè)器7個(gè)。

三、模擬結(jié)果分析

（一）溫度分布變化

1.探測(cè)點(diǎn)溫度變化

圖3為不同外界風(fēng)速條件下變壓器背風(fēng)側(cè)各探測(cè)點(diǎn)溫度分布?？梢钥闯?，各探測(cè)點(diǎn)溫度隨探測(cè)點(diǎn)距離火源距離的增大而降低，外界風(fēng)速5m/s時(shí)，各探測(cè)點(diǎn)的溫度最高，外界風(fēng)速在T-02位置前后有著不一樣的溫度變化規(guī)律。取時(shí)間700s—800s的平均溫度為穩(wěn)定溫度，T-01位置風(fēng)速0m/s、3m/s、5m/s、7m/s、9m/s對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定溫度分別為2335℃、2433℃、3576℃、1896℃、1792℃，呈現(xiàn)風(fēng)速5m/s＞3m/s＞0m/s＞7m/s＞9m/s的溫度分布規(guī)律；T-02位置呈現(xiàn)風(fēng)速5m/s＞3m/s＞7m/s＞0m/s＞9m/s的溫度分布規(guī)律；T-03至T-06呈現(xiàn)風(fēng)速5m/s＞3m/s≈7m/s＞0m/s≈9m/s的溫度分布規(guī)律，也就是說風(fēng)速3m/s和7m/s對(duì)溫度變化有著相同的影響，風(fēng)速0m/s和9m/s對(duì)溫度變化有著相同的影響。

由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，在120s左右時(shí)，各風(fēng)速對(duì)應(yīng)的溫度均出現(xiàn)下降。主要是因?yàn)楦邏杭?xì)水霧滅火系統(tǒng)被激活，阻礙火災(zāi)進(jìn)一步發(fā)展，并在隨后的200s內(nèi)，探測(cè)點(diǎn)的溫度沒有超過100℃，這說明高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)能很好地降低火場(chǎng)溫度。隨后由于熱釋放速率逐漸增大，探測(cè)點(diǎn)溫度逐漸上升。

2.監(jiān)測(cè)切片溫度變化

溫度切片可以更加直觀地觀察溫度在平面的分布情況。對(duì)于溫度切片A的溫度分布情況，工況時(shí)間在800s時(shí)，風(fēng)速0m/s時(shí)形成了火源中心處溫度高、兩側(cè)溫度低的拋物線形的溫度分布規(guī)律。隨著外界風(fēng)速的增大，溫度分布區(qū)域“被迫”改變，大致上呈現(xiàn)風(fēng)速增大，區(qū)域越向水平方向傾斜的分布規(guī)律，溫度分布區(qū)域的面積逐漸變小，如風(fēng)速7m/s和9m/s時(shí)，溫度分布集中在變壓器右上方，呈現(xiàn)細(xì)帶狀形。此時(shí)，在變壓器背風(fēng)側(cè)低于變壓器高度的區(qū)域，溫度集中在100℃以下，這與圖3所呈現(xiàn)的結(jié)果相同。

由監(jiān)測(cè)切片A溫度變化可以看出，變壓器迎風(fēng)側(cè)溫度低于背風(fēng)側(cè)，而背風(fēng)側(cè)溫度低于上方區(qū)域。在變壓器上方2m處區(qū)域，溫度不低于650℃，而兩側(cè)2m處區(qū)域溫度集中在450℃以下。此外，外界風(fēng)是否存在影響變壓器周圍的最高溫度。無風(fēng)時(shí)，變壓器周圍最高溫度為800℃；有外界風(fēng)時(shí)，最高溫度為950℃。這表明外界風(fēng)的存在，使變壓器上方區(qū)域溫度升高，起到助燃作用。

（二）CO濃度分布變化

1.探測(cè)點(diǎn)CO濃度變化

由圖4可知，通過對(duì)不同風(fēng)速下的CO濃度曲線進(jìn)行對(duì)比可知，5條曲線的走勢(shì)有相似之處。然而，明顯看出，風(fēng)速5m/s的CO濃度最高，濃度曲線與其他風(fēng)速具有較大差別。CO濃度數(shù)值在火災(zāi)初期上漲很慢，大約在400s后，CO濃度進(jìn)入較快增長階段，產(chǎn)生較大波動(dòng)。前期熱釋放速率較小，400s時(shí)熱釋放速率約為25MW，空氣中的含氧率較高，可燃物燃燒生成較多CO2、較少CO。熱釋放速率增大，空氣中留存氧氣較少，燃燒不充分，生成較多的CO。另外，更多的物質(zhì)參與反應(yīng)，生成更多地CO，使CO濃度快速升高。

2.監(jiān)測(cè)切片CO濃度變化

由監(jiān)測(cè)切片A和BCO濃度變化可知，無風(fēng)時(shí)，CO較均勻地分布在火源中心處兩側(cè)；外界風(fēng)存在時(shí)，CO將順著外界風(fēng)的方向，發(fā)生偏移；外界風(fēng)增大時(shí)，區(qū)域范圍經(jīng)歷了增加、減小、再增加的變化規(guī)律；風(fēng)速0m/s、3m/s、5m/s、7m/s、9m/s對(duì)應(yīng)的最高CO濃度分別為00055mol/mol、0006mol/mol、0006mol/mol、0007mol/mol、0007mol/mol。由此可見，風(fēng)速增大，最高CO濃度增大；在任意風(fēng)速時(shí)，變壓器背風(fēng)側(cè)CO濃度均高于迎風(fēng)側(cè)，風(fēng)速7m/s和9m/s時(shí)，變壓器迎風(fēng)側(cè)的CO濃度幾乎為0。在這兩種風(fēng)速條件下，最高濃度區(qū)域有“前移”現(xiàn)象，即最高濃度區(qū)域由中心處向迎風(fēng)面進(jìn)行偏移。

風(fēng)速0m/s的高CO濃度區(qū)域分布在變壓器側(cè)面，風(fēng)速3m/s、5m/s、7m/s、9m/s對(duì)應(yīng)的高CO濃度區(qū)域均保持在變壓器右上方區(qū)域，因此外界風(fēng)的存在會(huì)改變高濃度CO的區(qū)域位置。風(fēng)速≤5m/s時(shí)，CO的最高濃度均隨著風(fēng)速的增大而增大。各風(fēng)速CO最高濃度分別為0.0022mol/mol、0.0036mol/mol、0.0045mol/mol、0.0026mol/mol、0003mol/mol。風(fēng)速5m/s到7m/s時(shí)，CO最高濃度出現(xiàn)較大程度遞減，下降幅度達(dá)到00019 mol/mol。風(fēng)速7m/s到9m/s時(shí)，CO最高濃度略有上升。

結(jié)語

本文以外界風(fēng)對(duì)高壓細(xì)水霧滅火效果的影響為研究背景，探討在外界風(fēng)作用下高壓細(xì)水霧在滅火過程中溫度、CO濃度分布等各參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，為高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)提供了一定指導(dǎo)。

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