環(huán)境風(fēng)作用下變壓器油池火燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究*

楊海銘,陳 軒,陳 鵬

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司,江蘇 南京 211100;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院,北京 100083)

0 引言

油浸式變壓器是換流變電站的重要設(shè)備。近年來,變壓器火災(zāi)事故常有發(fā)生,造成一定的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失,嚴(yán)重影響電網(wǎng)正常運(yùn)行[1-2]。變壓器火災(zāi)發(fā)生后,變壓器箱體內(nèi)部變壓器油溢出,會(huì)形成典型的油池火現(xiàn)象。變壓器油是1種常用于冷卻、滅弧和絕緣的介質(zhì)[3],其是具有高閃點(diǎn)、多組分的液體可燃物[4]。研究變壓器油燃燒特性對于控制變壓器火災(zāi)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

由于變壓器大多布置在室外開放空間,環(huán)境風(fēng)流是影響火災(zāi)發(fā)展的重要因素。現(xiàn)有變壓器火災(zāi)相關(guān)研究多在無風(fēng)環(huán)境下進(jìn)行,研究結(jié)果不完全適用于真實(shí)變壓器火災(zāi)場景[3-4]。在環(huán)境風(fēng)影響下,池火燃燒過程受自然對流和強(qiáng)制對流耦合作用,與無風(fēng)環(huán)境相比,燃燒特性更為復(fù)雜[5]。Welker等[6]開展環(huán)境風(fēng)作用下甲醇、丙酮、正己烷和苯的池火實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明除甲醇外,池火燃燒速率隨風(fēng)速升高而呈現(xiàn)下降趨勢。Woods等[7]開展甲醇池火實(shí)驗(yàn),研究結(jié)果與文獻(xiàn)[6]研究結(jié)果基本相同。鄺辰[8]研究環(huán)境風(fēng)對正庚烷池火燃燒速率的影響,發(fā)現(xiàn)不同直徑油池火質(zhì)量損失速率轉(zhuǎn)折點(diǎn)存在差異。Tang等[9]開展丙酮池火實(shí)驗(yàn),表明燃燒速率隨風(fēng)速增長呈現(xiàn)“增加-減小-增加”的變化趨勢。然而,液態(tài)燃料種類繁多,不同類別液態(tài)燃料的理化性質(zhì)相差較大,現(xiàn)有相關(guān)研究對象多為低閃點(diǎn)、易揮發(fā)的甲醇等單質(zhì)燃料和汽油等輕油,而變壓器油等高閃點(diǎn)、多組分的液體可燃物與單質(zhì)燃料和輕油相比,組成成分復(fù)雜,火災(zāi)發(fā)展規(guī)律存在差異。因此,環(huán)境風(fēng)作用下高閃點(diǎn)液體可燃物的燃燒特性仍需進(jìn)一步探討。

因此,本文研究環(huán)境風(fēng)對變壓器油燃燒特性的影響,研究結(jié)果可豐富和完善變壓器油燃燒基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對室外環(huán)境下變壓器火災(zāi)防控提供一定參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本文實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意如圖1所示。使用直徑為1 mm的鎧裝熱電偶采集火羽流溫度、油溫和壁面溫度,溫度測量范圍為0～1 100 ℃。油池內(nèi)布置10根油溫?zé)犭娕?距油池底部高度間隔為1 cm,其中,距油池底部1～5 cm處熱電偶為油溫?zé)犭娕?其余為池內(nèi)火焰熱電偶。貼壁熱電偶分別布置在上風(fēng)側(cè)、中側(cè)和下風(fēng)側(cè)外壁面,距油池底部3 cm。采用高精度電子天平實(shí)時(shí)記錄油品質(zhì)量變化,天平量程為0～60 kg,精度為0.01 g。利用攝像機(jī)采集火焰圖像,幀率為30 fps,放置于油池火實(shí)驗(yàn)臺(tái)正前方5 m處。2組熱流計(jì)分別布置在距離油池中心3倍直徑(3D)和5倍直徑(5D)處,垂直于環(huán)境風(fēng)方向。

實(shí)驗(yàn)選用內(nèi)徑為20,30,40 cm的鋼制圓形油池,側(cè)壁高10 cm,燃料為昆侖25號(KL25X)變壓器油。實(shí)驗(yàn)開始前,啟動(dòng)風(fēng)機(jī)并調(diào)節(jié)至實(shí)驗(yàn)風(fēng)速,檢查實(shí)驗(yàn)測量設(shè)備。待風(fēng)速穩(wěn)定后,向油池內(nèi)注入變壓器油,加入10 mL正庚烷作為引燃劑。靜置片刻后,使用電火花點(diǎn)火器引燃油池,開始實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰結(jié)構(gòu)

變壓器油池火受浮力與環(huán)境風(fēng)耦合作用,火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[10]。圖2所示為不同工況下典型火焰圖像。由圖2可知,變壓器油池火火焰結(jié)構(gòu)隨風(fēng)速改變發(fā)生變化,油池火焰前端在環(huán)境風(fēng)速較大時(shí)均出現(xiàn)火焰斷裂脫離現(xiàn)象,且小尺度油池更為明顯;對于直徑20 cm油池火,火焰傾斜角度與風(fēng)速呈正相關(guān),當(dāng)風(fēng)速達(dá)到3.5 m/s時(shí),火焰在強(qiáng)風(fēng)流干預(yù)下以破碎火焰向下風(fēng)側(cè)分散,且燃燒強(qiáng)度明顯減弱;對于直徑30 cm油池火,隨著環(huán)境風(fēng)速的增大,火焰傾斜角度逐漸加劇,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到3.5 m/s時(shí),出現(xiàn)火焰前端分離現(xiàn)象,但火焰強(qiáng)度有明顯增強(qiáng);對于直徑40 cm油池火,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到2.0 m/s時(shí),火焰強(qiáng)度在環(huán)境風(fēng)作用下出現(xiàn)減弱趨勢,隨后火焰強(qiáng)度明顯增強(qiáng),整個(gè)燃燒過程,火焰形態(tài)較為完整,未出現(xiàn)火焰破碎和明顯的火焰分離現(xiàn)象。

2.2 質(zhì)量損失速率

質(zhì)量損失速率是表征油池火燃燒速率的重要參數(shù)。圖3所示為直徑20,30,40 cm油池火質(zhì)量損失速率與環(huán)境風(fēng)速之間的關(guān)系。圖3表明,在環(huán)境風(fēng)作用下,池火質(zhì)量損失速率出現(xiàn)3類轉(zhuǎn)折點(diǎn)(A,B,C類):當(dāng)環(huán)境風(fēng)速相對較小時(shí),風(fēng)流會(huì)增加氧氣供應(yīng),在轉(zhuǎn)折點(diǎn)A之前質(zhì)量損失速率增加,隨著環(huán)境風(fēng)速增大,火焰偏移量增大,火焰向油池輻射的熱量減少,對流熱反饋逐漸占據(jù)主要地位,另外,王明武等[11]和Hu等[12]的研究表明質(zhì)量損失速率會(huì)因輻射熱反饋削弱而減小;轉(zhuǎn)折點(diǎn)B之后,油池火主控因素變?yōu)闊釋α?在一定風(fēng)速范圍內(nèi),對流換熱系數(shù)隨環(huán)境風(fēng)速增大而增大,熱對流增強(qiáng),在轉(zhuǎn)折點(diǎn)B與轉(zhuǎn)折點(diǎn)C之間池火質(zhì)量損失速率持續(xù)增加;然而,當(dāng)環(huán)境風(fēng)速增大至超過某臨界風(fēng)速時(shí)(轉(zhuǎn)折點(diǎn)C),出現(xiàn)火焰前端脫離現(xiàn)象,火焰脫離長度隨環(huán)境風(fēng)速的增加而增大,削弱了火焰對變壓器油的加熱作用,燃燒速率下降。

圖3 不同直徑油池火燃燒的風(fēng)速與質(zhì)量損失速率之間關(guān)系Fig.3 Relationship between wind speed and mass loss rate of oil pool fire combustion under different diameters

基于上述分析,3類轉(zhuǎn)折點(diǎn)的本質(zhì)是油池火浮力作用和環(huán)境風(fēng)強(qiáng)迫對流相互競爭的結(jié)果,兩者之間的競爭機(jī)制可由弗勞德數(shù)(Fr)進(jìn)行表征,如式(1)所示:

(1)

式中:Fr為弗勞德數(shù),無量綱;u表示燃料在空氣中的運(yùn)動(dòng)速度,m·s-1;g為重力加速度,m·s-2;D為油池直徑,m。

圖4所示為各類轉(zhuǎn)折點(diǎn)無量綱模型的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值對比情況,圖4中曲線斜率即為不同情況下的弗勞德數(shù)。表2所示為不同直徑變壓器油池火在上述3類轉(zhuǎn)折點(diǎn)處對應(yīng)的弗勞德數(shù)。由圖4可知,轉(zhuǎn)折點(diǎn)A和B對應(yīng)的臨界風(fēng)速與浮力誘導(dǎo)速度具有相關(guān)性,說明油池火浮力與環(huán)境風(fēng)動(dòng)量存在競爭機(jī)制。不同直徑油池火燃燒速率同類轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的弗勞德數(shù)大致相等。由于實(shí)驗(yàn)風(fēng)速的限制,直徑30,40 cm油池火并未出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)C,預(yù)測其轉(zhuǎn)折點(diǎn)C的風(fēng)速分別約為3.7,4.2 m/s。

表2 不同直徑變壓器油池火3類轉(zhuǎn)折點(diǎn)處對應(yīng)的弗勞德數(shù)Table 2 Froude number corresponding to three types of turning points

圖4 燃燒速率轉(zhuǎn)折點(diǎn)無量綱模型的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值對比情況Fig.4 Comparison between predicted value and experimental value of dimensionless model for turning points of combustion rate

2.3 燃料溫度

變壓器油池火燃料溫度與池火傳熱過程相關(guān)[13]。油池?zé)崃縼碓礊槿剂衔蛰椛涞臒崃?、對流的熱量和?cè)壁向燃料的傳導(dǎo)熱量[14]。圖5所示為直徑40 cm油池火燃油溫度隨時(shí)間的變化(風(fēng)速0)。由圖5可知,以距油池底部5 cm處油溫為例,在燃燒初期,熱電偶浸沒在燃料內(nèi),油池引燃后溫度迅速響應(yīng),溫度從30 ℃上升至330 ℃,達(dá)到變壓器油沸點(diǎn),燃油溫度在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定,約228 s后油溫再次上升,最后穩(wěn)定在約400 ℃,這表明在右面上方形成燃料蒸汽區(qū)。2 100 s后,溫度迅速上升至約800 ℃,此時(shí)燃料已經(jīng)耗盡,熱電偶處于火焰區(qū)域。隨著燃燒的進(jìn)行,燃料高度逐漸下降,距油池底部高度1～4 cm處溫度均先后呈現(xiàn)出5 cm處溫度的變化趨勢,依次經(jīng)歷溫度梯度層、沸騰層和蒸汽層,液態(tài)燃料燃盡時(shí),熱電偶進(jìn)入火焰區(qū)域,最后火焰熄滅。

圖6所示為直徑30 cm油池火在不同環(huán)境風(fēng)速下溫度變化曲線。在油池燃燒過程中,燃料接收到的熱量除用于燃料表面的液面蒸發(fā)外,一部分熱量通過對流傳熱效應(yīng)向油池深處傳遞,使油溫出現(xiàn)分層現(xiàn)象,呈現(xiàn)出自燃料表面向下依次降低的趨勢。油池內(nèi)燃料層根據(jù)溫度自上而下分為沸騰層和溫度梯度層。沸騰層位于油層表面,其溫度為變壓器油的沸點(diǎn),約330 ℃。根據(jù)圖6距油池底部4 cm處熱電偶溫度數(shù)值計(jì)算沸騰層厚度。取實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火后約900 s的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,統(tǒng)計(jì)不同環(huán)境風(fēng)速下各油池直徑的沸騰層厚度計(jì)算結(jié)果,如表3所示。由表3可知,對于相同直徑的變壓器油池火,在環(huán)境風(fēng)作用下,不同直徑油池火沸騰層厚度均有增,即沸騰層厚度與環(huán)境風(fēng)速相關(guān)性較為顯著;在油池直徑為20,30,40 cm時(shí),風(fēng)速3.5 m/s時(shí)沸騰層厚度相比于無風(fēng)(風(fēng)速0)時(shí)的增長率分別約為4.8%,7.1%,9.1%。這是由于沸騰層厚度主要和燃料接收到外界的熱量有關(guān),隨著風(fēng)速的變化,燃燒速率增大,燃料從外界吸收的熱量增加,進(jìn)而促進(jìn)沸騰層厚度增大。同時(shí),表3數(shù)據(jù)還表明,直徑20,30,40 cm池火沸騰層的平均厚度分別約為2.58,2.53,2.47 mm,這說明沸騰層厚度與油池直徑無明顯相關(guān)性,這是由環(huán)境風(fēng)和油池尺度共同作用引起的。文獻(xiàn)[15-16]表明沸騰層厚度變化會(huì)受壁面?zhèn)鳠崃康挠绊?但該影響會(huì)隨油池尺度的增加而減弱。本文實(shí)驗(yàn)所使用的油池尺度相對較大,并且環(huán)境風(fēng)會(huì)對壁面產(chǎn)生冷卻作用,油池直徑越小,冷卻效果越強(qiáng),在二者耦合作用下,沸騰層厚度與油池直徑相關(guān)性不顯著。

表3 距油池底部4 cm處,不同環(huán)境風(fēng)速下各油池直徑的沸騰層厚度Table 3 Boiling layer thickness of each oil pool diameter under different environmental wind speeds at 4 cm from oil pool bottom 單位:mm

圖6 油池直徑為30 cm時(shí)不同風(fēng)速下溫度變化曲線Fig.6 Change curves of temperature under different wind speeds with oil pool diameter of 30 cm

3 結(jié)論

1)變壓器油池火火焰結(jié)構(gòu)隨風(fēng)速改變發(fā)生變化。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速較大時(shí),火焰會(huì)出現(xiàn)斷裂脫離現(xiàn)象。

2)在環(huán)境風(fēng)作用下,油池火具有3類較為明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),并且臨界風(fēng)速與浮力誘導(dǎo)速度之間存在線性關(guān)系。

3)變壓器油池火燃料層自上而下分為沸騰層和溫度梯度層,沸騰層溫度約為330 ℃。沸騰層厚度與環(huán)境風(fēng)速相關(guān)性顯著,與油池直徑相關(guān)性不顯著。