火源功率對(duì)室內(nèi)變壓器火災(zāi)燃燒特性影響研究*

陳 光，景 偉，王志剛，徐 亮，陳 鵬

(1.南瑞集團(tuán)有限公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司)，江蘇 南京 211000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100086)

0 引言

近幾年，隨著城市居民對(duì)電力的需求不斷提高，室內(nèi)變壓器經(jīng)常處于超負(fù)荷、高溫運(yùn)作狀態(tài)，存在一定安全隱患。室內(nèi)變壓器的火災(zāi)安全對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著重要意義。變壓器油火災(zāi)是一種高強(qiáng)度湍流燃燒現(xiàn)象，其孕育、發(fā)生和發(fā)展包含著湍流流動(dòng)、相變、傳熱傳質(zhì)和復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)等物理化學(xué)作用，整體上可分為初期增長(zhǎng)階段、充分燃燒階段和減弱階段[1]。Suzuki等[2]利用錐形量熱儀對(duì)變壓器油的燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出不同變壓器油的點(diǎn)火時(shí)間與臨界輻射熱流密度的關(guān)系；Chatris[3]通過(guò)測(cè)量油池火燃燒速率分析整個(gè)火災(zāi)過(guò)程起始和結(jié)束的瞬態(tài)階段，并確定了穩(wěn)態(tài)火災(zāi)期間的平均燃燒速率；Novozhilov和Koseki[4]建立了油池火災(zāi)過(guò)程中液體蒸發(fā)的氣液兩相動(dòng)力學(xué)模型，研究了中小型油池火災(zāi)的燃燒速率和熱輻射反饋；Karthik等[5]將變壓器絕緣油與不同體積濃度的納米粒子混合，發(fā)現(xiàn)添加納米粒子可以提高變壓器油的閃點(diǎn)和燃點(diǎn)，有效降低變壓器油的可燃性。油池火燃燒一般是指當(dāng)可燃液體燃料受限于一定空間內(nèi)，燃料表面的燃燒所形成的浮力擴(kuò)散火焰[6]。McCaffrey[7]經(jīng)典羽流模型將自然擴(kuò)散火焰自下至上分為連續(xù)火焰區(qū)、間歇火焰區(qū)和浮力羽流區(qū)，在浮力羽流區(qū)，速度和溫度隨著高度的增加而遞減；焦艷[8]通過(guò)研究多油池火源的燃燒特性，揭示了多油池火源的流動(dòng)、熱反饋與燃燒耦合機(jī)制，建立了多油池火源的燃燒速率模型，并采用修正的總熱釋放速率擬合多油池火源的軸向溫度及速度，較好地驗(yàn)證了經(jīng)典的McCaffrey曲線(xiàn)；張孝春[9]針對(duì)不同火源形狀條件下的火羽流及頂棚射流特征參數(shù)演化行為進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，揭示了火焰高度、中心線(xiàn)溫度及其誘導(dǎo)的頂棚射流相關(guān)規(guī)律；Vytenis[10]研究了不同油池尺寸的油池火燃燒速率，在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)得出大直徑油池火的燃燒速率公式；Gritzo等[11]通過(guò)對(duì)大尺度油池火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究，得到了關(guān)于大尺度油池火災(zāi)輻射特性、溫度、煙塵和相關(guān)時(shí)間尺度的特征關(guān)系。

在實(shí)際的變壓器火災(zāi)過(guò)程中，油池火的燃燒會(huì)受到多種環(huán)境因素的影響，包括變壓器散熱器、防火墻和變壓器油儲(chǔ)存方式等。CIGRE的《變壓器防火規(guī)范指南》[12]規(guī)定了變壓器防火墻的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，變壓器之間設(shè)置防火墻可以使燃燒產(chǎn)生的大部分熱量垂直上升到防火墻上方的空氣中，有效保護(hù)墻外設(shè)施。黨曉貝[13]通過(guò)分析燃燒速率、火焰高度、輻射特性等特征參數(shù)，研究了倒壁影響下火焰的羽流特性，為分析設(shè)置防火墻的變壓器火災(zāi)燃燒特性提供理論依據(jù)；Atsushi Nakakuki[14]研究了不同液面高度油池火災(zāi)的傳熱機(jī)理，利用有限差分程序計(jì)算了不同材料容器和壁厚容器在固定液深時(shí)容器壁的縱向溫度分布和液體燃燒速率，結(jié)果表明，與火焰向液體傳遞的直流熱和輻射熱相比，火焰向容器頂部傳遞并通過(guò)容器壁對(duì)流傳遞給液體燃料的熱量占主導(dǎo)地位。

現(xiàn)有關(guān)于室外火災(zāi)發(fā)展過(guò)程和小尺度油池火的研究較為廣泛和全面，而鮮有關(guān)于實(shí)尺度室內(nèi)火災(zāi)燃燒特性和火災(zāi)動(dòng)力學(xué)的研究，開(kāi)展實(shí)尺度換流變火災(zāi)燃燒特性和火災(zāi)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，通過(guò)分析變壓器火災(zāi)煙氣蔓延特性、熱羽流分布和溫度場(chǎng)，可為變壓器火災(zāi)提供一定的理論基礎(chǔ)和可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文首先分析了隱蔽、立體、多尺度的變壓器火災(zāi)數(shù)值模擬的有效性，通過(guò)改變火源功率，揭示變壓器火災(zāi)參數(shù)隨空間、時(shí)間的變化規(guī)律。

1 數(shù)值模擬理論與模型

1.1 FDS基礎(chǔ)理論

模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)是1款應(yīng)用于火災(zāi)研究領(lǐng)域的場(chǎng)模擬軟件。以計(jì)算流體力學(xué)(CFD)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)關(guān)注火災(zāi)所產(chǎn)生的煙氣和熱量轉(zhuǎn)移過(guò)程，采用數(shù)值求解的方法求解Navier-Stokes方程，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理[15-16]。其計(jì)算求解過(guò)程主要包括連續(xù)性方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程及組分守恒方程等，具體如下：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

組分方程：

(4)

式中：ρ為密度，kg/m3；u為速度矢量，m/s；為哈密頓算子；fb為作用于流體上的外力矢量，kg/(s2·m)；t為時(shí)間，s；h為比焓，KJ；τ為粘性力張量，kg/(s2·m)；p為壓力，Pa；w為渦度，s-1；g為重力加速度，為熱輻射通量，KW/m2；T為溫度，K；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·k)；Yi為組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為組分生成速率；為單位體積的熱生成速率，為輻射熱流密度，W/m2；Di為組分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；i為第i種組分。

1.2 模型建立

變壓器火災(zāi)主要是由于初期絕緣子根部爆裂、油箱局部爆裂和油箱整體爆裂引起的。變壓器火災(zāi)也是一類(lèi)特殊的燃燒現(xiàn)象，遵循燃燒過(guò)程的基本規(guī)律。變壓器火災(zāi)模型主要由換流變?nèi)剂辖M分(變壓器油和變壓器油熱解生成的可燃?xì)怏w)、油盤(pán)的空間布置以及點(diǎn)燃方式等要素組成。參考35 kV油浸式變壓器外形尺寸，變壓器置于廠房底部X-Y平面中心位置，長(zhǎng)寬高為4 m×4 m×5 m，表面設(shè)置為STEEL邊界類(lèi)型?；鹪垂β史謩e為5，10，15，18 MW，在變壓器前方地面，沿變壓器底邊設(shè)置矩形油池，模擬變壓器集油坑火災(zāi)燃燒，依據(jù)火源功率，油池面積分別為1，2，3，3.6 m2；為研究變壓器頂部燃燒特性，在其頂部設(shè)置方形油池，根據(jù)火源功率，油池面積分別為0.5，1，1.5，1.8 m2；在變壓器正面設(shè)置火源模擬流淌火。廠房壁面與頂棚均設(shè)置為CONCRETE邊界類(lèi)型，環(huán)境溫度為20 ℃，總模擬時(shí)間為300 s，變壓器及熱電偶布置示意如圖1所示。

圖1 變壓器及熱電偶布置示意Fig.1 Schematic diagram of transformer and layout of thermocouples

1.3 模型正確性驗(yàn)證

1)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

在FDS中，網(wǎng)格尺寸的選取是決定模擬結(jié)果精確程度和穩(wěn)定程度的關(guān)鍵因素[17]。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用火源特征直徑D*與計(jì)算網(wǎng)格尺寸δx的比值作為網(wǎng)格劃分的依據(jù)。當(dāng)模擬計(jì)算的網(wǎng)格大小取0.1D*時(shí)，模擬計(jì)算的火羽流溫度和速度跟實(shí)際火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較接近。其中火源的特征直徑由式(5)進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中：D*為特征尺寸，m；Q為熱釋放速率，W；ρ0為空氣密度，kg/m3；c0為空氣比熱，J/(kg·℃)；T0為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

為了評(píng)估網(wǎng)格獨(dú)立性，選取對(duì)網(wǎng)格精度敏感的區(qū)域進(jìn)行檢驗(yàn)。本文設(shè)置了3個(gè)尺度的網(wǎng)格來(lái)模擬同一個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景的火災(zāi)參量。當(dāng)網(wǎng)格精度Δ=0.25，0.33，0.50 m時(shí)，火源正上方頂棚處瞬態(tài)溫度如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格精度對(duì)特征溫度的影響Fig.2 Influence of grid precision on characteristic temperature

由于燃燒產(chǎn)生的熱煙氣隨時(shí)間不斷積聚，因此該點(diǎn)處瞬態(tài)溫度隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)。在0～25 s階段，不同網(wǎng)格精度對(duì)瞬時(shí)溫度變化幾乎沒(méi)有影響；在25～300 s階段內(nèi)，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.5和0.33 m時(shí)，溫度的分布曲線(xiàn)波動(dòng)較大；當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.25 m時(shí)，溫度曲線(xiàn)變化平穩(wěn)。0.5 m網(wǎng)格精度求解得到的瞬態(tài)溫度與0.25，0.33 m網(wǎng)格求解結(jié)果產(chǎn)生明顯差異。另外，由于火源功率為5，10，15，18 MW，利用式(5)計(jì)算得到的火源特征直徑D*，同時(shí)考慮到模擬時(shí)間和計(jì)算機(jī)性能最終將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.25 m×0.25 m×0.25 m。

2)模型正確性驗(yàn)證

變壓器火災(zāi)具有隱蔽、立體、多尺度性3個(gè)典型特征。隱蔽性指的是變壓器下方的集油坑火災(zāi)的發(fā)展受到變壓器換熱器的影響，可以看成火焰發(fā)展的障礙物；立體性指的是變壓器火源由變壓器上部油枕、變壓器下部的集油坑和流淌火共同構(gòu)成變壓器立體布置的火源；多尺度性是指變壓器火源既包括大尺度的變壓器下部集油坑，又包括變壓器上部相對(duì)小尺度的油枕火源和流淌火。實(shí)際尺度變電站變壓器油燃燒如圖3所示，實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬火災(zāi)過(guò)程中的溫度變化如圖4所示。

圖3 實(shí)際尺度變壓器火災(zāi)燃燒過(guò)程Fig.3 Combustion process of transformer fire with practical scale

圖4 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬火災(zāi)過(guò)程中的溫度變化Fig.4 Temperature change of fire process by experiments and numerical simulation

由圖4可以看出，數(shù)值模擬得到的變電站火災(zāi)的初期增長(zhǎng)、充分發(fā)展以及施加細(xì)水霧后火焰的衰減熄滅過(guò)程中的瞬時(shí)溫度變化等參數(shù)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致，可認(rèn)為數(shù)值模擬能再現(xiàn)變電站火災(zāi)發(fā)展過(guò)程。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙氣蔓延分析

具有隱蔽、立體和多尺度燃燒特性的變壓器火災(zāi)的煙氣羽流受頂棚限制，可劃分為連續(xù)火焰區(qū)、間歇火焰區(qū)、浮力羽流區(qū)和頂棚射流區(qū)等。在燃燒發(fā)展過(guò)程中，10 MW火源功率變壓器室內(nèi)火焰與煙氣隨時(shí)間發(fā)展如圖5所示。由圖5可知，在t=10 s之前，火焰及煙氣沿豎直方向迅速上升，并且在豎直方向上不斷卷吸周?chē)慈細(xì)怏w；20 s之后，由于受到頂棚限制，煙氣接觸到頂棚后形成頂棚射流并向四周蔓延。隨著火災(zāi)的持續(xù)發(fā)展，大量低密度、熱煙氣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部上空集聚，隨著氧氣含量逐漸降低，火焰趨于穩(wěn)定。

圖5 10 MW火焰與煙氣隨時(shí)間發(fā)展過(guò)程Fig.5 Development process of flame and smoke with time in 10 MW fire

隨著火源功率的增加，18 MW的煙氣產(chǎn)生量更大，充滿(mǎn)室內(nèi)空間的速度更快，在18 MW的情況下，120 s內(nèi)煙氣幾乎充滿(mǎn)整個(gè)空間，120 s時(shí)各功率火源煙氣分布情況如圖6所示。

2.2 流場(chǎng)分布分析

煙氣發(fā)展與流場(chǎng)分布密切相關(guān)。流場(chǎng)形態(tài)影響火和煙氣蔓延行為的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程以及化學(xué)反應(yīng)，火源功率為5，10，15，18 MW的變壓器室在120 s時(shí)的流場(chǎng)分布圖如圖7所示。在火災(zāi)初期，火焰上部是浮力作用區(qū)域，在頂棚處形成射流，之后燃燒區(qū)域內(nèi)可燃物燃燒放出的熱量和煙氣形成高溫環(huán)境與周?chē)h(huán)境空氣之間的溫差造成浮力驅(qū)動(dòng)，從而火焰區(qū)域上方形成羽流熱煙氣層豎直運(yùn)動(dòng)，羽流中心線(xiàn)處的速度最大，遠(yuǎn)離中心風(fēng)速變小，這是因?yàn)榛鹩鹆骶砦透×Φ鸟詈献饔?，火源上方不斷補(bǔ)充風(fēng)流，加快了縱向風(fēng)流流動(dòng)。隨著燃燒發(fā)展，縱向風(fēng)速減小梯度增大；之后煙氣區(qū)充滿(mǎn)整個(gè)頂棚，并開(kāi)始沿著墻壁下降。

2.3 溫度分布分析

室內(nèi)變壓器火災(zāi)發(fā)生后，煙氣攜帶大量熱量向上運(yùn)動(dòng)聚集。因此有必要研究不同火源功率下火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中變壓器室內(nèi)空間溫度分布規(guī)律，確定火災(zāi)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響。在變壓器室內(nèi)Z=5，7.5，10 m處沿X方向間隔1 m布置熱電偶，沿Y方向間隔1 m布置熱電偶，共計(jì)38個(gè)熱電偶檢測(cè)火災(zāi)時(shí)期變壓器室內(nèi)溫度分布。圖8為不同火源功率下室內(nèi)變壓器火災(zāi)發(fā)生300 s時(shí)頂棚溫度輪廓分布；圖9為不同功率下Z=5 m，Z=7.5 m和Z=10 m處沿X方向溫度峰值。

由圖8～9可知，對(duì)比分析不同功率下火源正上方頂棚溫度分布，5，18 MW火源功率下最高溫度分別為515，1 000 ℃，火源功率與頂棚溫度呈現(xiàn)正相關(guān)。在4種火源功率下，變壓器室內(nèi)空間溫度分布曲線(xiàn)趨勢(shì)一致，都是自火源正上方向頂棚兩側(cè)衰減，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在火源正上方；相同火源功率下，頂棚溫度隨著與火源距離的增大大幅下降，與火源距離大于2 m降溫趨勢(shì)變慢；5 MW火源功率下頂棚平均溫度為450 ℃；10，15，18 MW火源功率下頂棚平均溫度為650，750，950 ℃。當(dāng)火源功率為5 MW時(shí)，變壓器油燃燒時(shí)間在52 s內(nèi)，產(chǎn)生的熱均不會(huì)使變壓器大空間內(nèi)壁面和頂棚處的煙氣溫度超過(guò)300 ℃，沒(méi)有達(dá)到混凝土的耐火極限；當(dāng)火源功率為10 MW時(shí)，變壓器油燃燒時(shí)間在39 s內(nèi)，產(chǎn)生的熱均不會(huì)使變壓器大空間內(nèi)壁面和頂棚處的煙氣溫度超過(guò)300 ℃，沒(méi)有達(dá)到混凝土的耐火極限；當(dāng)火源功率為15 MW時(shí)，變壓器油燃燒時(shí)間在37 s內(nèi)，產(chǎn)生的熱均不會(huì)使變壓器大空間內(nèi)壁面和頂棚處的煙氣溫度超過(guò)300 ℃，沒(méi)有達(dá)到混凝土的耐火極限；當(dāng)火源功率為18 MW時(shí)，變壓器油燃燒時(shí)間在31 s內(nèi)，產(chǎn)生的熱均不會(huì)使變壓器大空間內(nèi)壁面和頂棚處的煙氣溫度超過(guò)300 ℃，沒(méi)有達(dá)到混凝土的耐火極限[18]。

圖6 120 s時(shí)不同火源功率下煙氣分布Fig.6 Distribution of smoke at 120 s under different fire source power

圖7 變壓器室在120 s時(shí)的流場(chǎng)分布Fig.7 Distribution of flow field in transformer room at 120 s

圖8 頂棚溫度輪廓分布Fig.8 Distribution of temperature contour at roof

圖9 不同功率下Z=5 m，Z=7.5 m和Z=10 m處沿X方向溫度峰值Fig.9 Temperature peaks along the X direction at Z=5 m, Z=7.5 m and Z=10 m at different powers

3 結(jié)論

1)具有隱蔽、立體和多尺度燃燒特性的變壓器火災(zāi)的煙氣羽流受頂棚限制，可劃分為連續(xù)火焰區(qū)、間歇火焰區(qū)、浮力羽流區(qū)和頂棚射流區(qū)等。在自然對(duì)流的條件下，變壓器油燃燒產(chǎn)生的煙氣充滿(mǎn)室內(nèi)變電站的時(shí)間隨火源功率增加而減少。

2)不同火源功率變壓器火災(zāi)燃燒的室內(nèi)溫度分布相似，即頂棚處最高溫度在火源正上方，變壓器室內(nèi)高溫區(qū)隨著與火源中心的距離增大而降低。

3)當(dāng)火源功率在5～18 MW范圍內(nèi)，變壓器油燃燒時(shí)間在30 s內(nèi)，產(chǎn)生的熱均不會(huì)使變壓器大空間內(nèi)壁面和頂棚處的煙氣溫度超過(guò)300 ℃，沒(méi)有達(dá)到混凝土的耐火極限。