主變壓器水噴霧系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)

張 磊 姜洋彬 徐 志 林 磊

（1. 山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?2. 北京筑信達(dá)工程咨詢有限公司）

0 引言

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[1]及國(guó)網(wǎng)消防安全[2]的相關(guān)通知要求，水噴霧已廣泛應(yīng)用于220kV 及以上的變電站中。變電站主變壓器水噴霧設(shè)計(jì)要求水霧噴頭的布置在滿足噴射強(qiáng)度的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)主變壓器的全覆蓋。由于主變壓器的形狀不規(guī)則，帶電點(diǎn)與管道、噴頭之間有嚴(yán)格的安裝距離要求，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)中，噴頭的布置往往耗費(fèi)設(shè)計(jì)人員的很大精力，工作量大，且噴頭的實(shí)際噴射情況無(wú)法在設(shè)計(jì)階段得到有效驗(yàn)證。在施工過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)管道或支架與主變本體碰撞，影響控制箱正常開(kāi)啟等問(wèn)題，造成返工量大。

因此，亟需開(kāi)發(fā)主變壓器水噴霧三維設(shè)計(jì)軟件，在可視化的三維場(chǎng)景中進(jìn)行管道、噴頭、支架的布置，實(shí)現(xiàn)水噴霧系統(tǒng)的三維正向設(shè)計(jì)。避免傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)帶來(lái)的噴射覆蓋范圍疏漏，管道碰撞等問(wèn)題。

主變壓器水噴霧三維設(shè)計(jì)軟件MT-Spray 針對(duì)傳統(tǒng)二維噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員最頭痛的“盲布”問(wèn)題，通過(guò)三維可視化的真實(shí)場(chǎng)景全面、直觀地展示管道、噴頭及支架的走向、布置情況，同時(shí)，強(qiáng)大的空間分析功能突破了二維平面中的空間束縛，可以更加準(zhǔn)確地判斷水噴霧管道與主變的相對(duì)位置和碰撞情況，模擬水霧噴射的實(shí)際情況，保證噴頭設(shè)計(jì)的合理性，消除了施工階段的安全隱患，大大提高設(shè)計(jì)人員的工作效率，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，杜絕返工現(xiàn)象，三維正向設(shè)計(jì)是主變壓器水噴霧設(shè)計(jì)極佳的解決方案。

1 實(shí)現(xiàn)三維仿真場(chǎng)景的軟件技術(shù)

1.1 三維場(chǎng)景建模

MT-Spray 軟件采用Visual. NET 平臺(tái)，C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，采用WPF 三維渲染技術(shù)建立主變壓器噴霧系統(tǒng)的真實(shí)三維場(chǎng)景。

軟件采用面向?qū)ο缶幊谭椒?，三維模型對(duì)象包括水霧噴頭（Sprayer 類）、鋼管（Pipe 類）、管線（PileLine 類）、彎頭（Link 類）、支架（Support類）、基礎(chǔ)（Foot 類）等。所有創(chuàng)建的對(duì)象都有對(duì)應(yīng)的三維渲染實(shí)體3dModel，并在三維場(chǎng)景中顯示，設(shè)計(jì)軟件可以在三維場(chǎng)景中捕捉這些對(duì)象進(jìn)行移動(dòng)、修改、刪除等操作。

1.2 變壓器模型在MT-Spray 軟件中的展示

MT-Spray 引用了Assimp 資源導(dǎo)入變壓器的Revit 模型。Assimp 全稱為Open Asset Import Library，這是一個(gè)模型加載庫(kù)，可以導(dǎo)入幾十種不同格式的模型文件（同樣也可以導(dǎo)出部分模型格式）。只要Assimp 加載完了模型文件，就可以從Assimp 上獲取所有需要的模型數(shù)據(jù)。Assimp 把不同的模型文件都轉(zhuǎn)換為一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所有無(wú)論導(dǎo)入何種格式的模型文件，都可以用同一個(gè)方式去訪問(wèn)需要的模型數(shù)據(jù)。

首先在Revit 軟件中，將主變壓器模型導(dǎo)出為Autodesk 三維渲染格式fbx 文件。運(yùn)行MT-Spray 軟件時(shí)通過(guò)“導(dǎo)入”按鈕讀取這個(gè)fbx 文件并創(chuàng)建WPF三維模型在MT-Spray 軟件中展示。

1.3 噴頭水流動(dòng)畫模擬

主變壓器噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的是噴頭的布置及型號(hào)選擇，既要滿足噴出的水流覆蓋整個(gè)被保護(hù)面，還要考慮噴頭及管線與帶電設(shè)備的安全距離，因此真實(shí)地模擬噴頭的水流狀態(tài)非常關(guān)鍵。

（1）確定噴頭水流輪廓線

根據(jù)噴頭參數(shù)霧化角θ得到拋物線初始仰角A=θ/2，噴頭水平噴射距離D得到拋物線方程：

同時(shí)拋物線方程和寫為：

根據(jù)式（1）、式（2）可以得到噴頭水流的初始速度：

得到水流初始速度v后，即可得到一個(gè)噴頭各個(gè)方向延霧化角的水流曲線。

（2）水流曲線的動(dòng)畫模擬

MT-Spray 軟件計(jì)算出一周圈的水流曲線后，采用實(shí)時(shí)動(dòng)畫（算法動(dòng)畫）技術(shù)展示真實(shí)的噴霧狀態(tài)（見(jiàn)圖1），讓設(shè)計(jì)人員在真實(shí)的三維場(chǎng)景中調(diào)整噴嘴的位置、方向，設(shè)置噴嘴的型號(hào)。

圖1 主變壓器水噴霧系統(tǒng)三維仿真

2 主要參數(shù)設(shè)置

2.1 保護(hù)對(duì)象主變體、油枕、油坑確定

首先導(dǎo)入主變壓器的模型文件（見(jiàn)圖2），選擇主變壓器實(shí)體，然后通過(guò)人機(jī)交互調(diào)整，主變體、油枕的面與變壓器實(shí)體表面貼合（見(jiàn)圖3）。

圖2 導(dǎo)入主變壓器模型

圖3 確定主變體、油枕、油坑參數(shù)

2.2 流量需求計(jì)算

對(duì)變壓器的防護(hù)需要考慮變壓器整個(gè)外表面，包括變壓器和附屬設(shè)備的外殼、貯油箱和散熱器等，對(duì)設(shè)備整體立體防護(hù)，具體包括：

1）變壓器及散熱器本體保護(hù)面積按照其所形成的最小規(guī)則形體計(jì)算；

2）集油坑面積（扣除主變本體底面積）；

3）油枕表面積。

變壓器保護(hù)面積的確定方法如圖4 所示。

圖4 變壓器保護(hù)對(duì)象參數(shù)

2.3 供給強(qiáng)度確定

根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范，變壓器本體、散熱器、油枕的噴霧強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為20L/min·m2，油坑的噴霧強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為6L/min·m2。則水噴霧滅火系統(tǒng)的總流量要求Q=S（主變本體+散熱器）×20+S（油坑）×6+S（油枕）×20。

2.4 噴嘴參數(shù)、噴射范圍的確定

水霧噴頭的選擇應(yīng)能滿足規(guī)范3.2.3 要求“水霧噴頭與保護(hù)對(duì)象之間的距離不得大于水霧噴頭的有效射程”，并能夠覆蓋整個(gè)變壓器被保護(hù)的表面。主變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)采用ZSTWB 型高速水霧噴頭，可根據(jù)需要進(jìn)行水平方向安裝，也可下垂方向安裝。

常見(jiàn)其有效射程均在1.7~3.2m 范圍之間，最遠(yuǎn)噴射距離約6m。

3 自動(dòng)布置水霧噴頭及管線

3.1 水霧噴頭的布置

水霧噴頭的布置數(shù)量按保護(hù)對(duì)象的保護(hù)面積、設(shè)計(jì)供給強(qiáng)度量和噴頭的流量特性經(jīng)計(jì)算確定，水霧噴頭的位置根據(jù)噴頭的霧化角、有效射程，按滿足噴霧直接噴射并完全覆蓋保護(hù)對(duì)象表面布置。當(dāng)計(jì)算確定的布置數(shù)量不能滿足上述要求時(shí)，應(yīng)當(dāng)增設(shè)噴頭，直至噴霧能夠滿足直接噴射并完全覆蓋被保護(hù)對(duì)象表面的要求。

水霧在主變體表面覆蓋的半徑為[1]：

式中，B為噴嘴到主變體表面的距離；θ為水霧噴射霧化角。噴頭按照矩形布置方案，噴嘴間距小于1.4R。

自動(dòng)布置噴頭時(shí)，噴頭距主變體表面的距離定為0.8m，選取擴(kuò)散角為120°的噴頭，得噴射半徑R為1.38m。

常見(jiàn)的噴頭布置形式如圖5 所示。

圖5 常用水霧噴頭布置形式

3.2 管線的布置

確定水霧噴頭的布置方案后，根據(jù)水霧噴頭的層數(shù)設(shè)置主變體周邊管線的層數(shù)。自動(dòng)布置時(shí)，主管線距主變體表面1.5m。第一層管線下面布置向下的噴頭，負(fù)責(zé)覆蓋油坑表面；第一層管線上面布置一排噴頭負(fù)責(zé)主變體側(cè)面噴淋，最上面一層管線的頂部布置一排噴頭負(fù)責(zé)噴淋主變體的頂面；油枕的管線需要根據(jù)油枕的位置確定布置方案，油枕管線的布置方式可以為L(zhǎng) 形、T 形或者門形。

3.3 支架布置

支架是支撐消防管線的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，支架為單根鋼管柱，柱下設(shè)置獨(dú)立基礎(chǔ)。支架默認(rèn)選用截面為Φ150×6 的單根鋼管柱，用C8 的槽鋼固定噴淋管線。

支架布置在兩個(gè)長(zhǎng)邊的兩端靠近管線轉(zhuǎn)角處，支架最大間距為6m，豎向主管線兩側(cè)及油枕豎向管線處分別設(shè)置兩個(gè)支架。

支架的受力分析、強(qiáng)度及穩(wěn)定驗(yàn)算通過(guò)SAP2000有限元分析程序完成。MT-Spray 軟件自動(dòng)生成支架及管線的整體SAP2000 有限元分析模型，完成分析計(jì)算并提取SAP2000 有限元分析結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定校核。

4 人工交互調(diào)整管線及噴頭

MT-Spray 軟件根據(jù)導(dǎo)入的主變壓器模型自動(dòng)布置噴頭、管線及管線支架，搭接一個(gè)完整的噴淋消防三維仿真場(chǎng)景，讓設(shè)計(jì)人員清楚地觀察整個(gè)噴頭及管線布置方案是否合理，流量大小，以及噴淋覆蓋情況。

MT-Spray 軟件提供了豐富的人工交互功能，設(shè)計(jì)人員可以在三維可視化的場(chǎng)景中完成管線、噴頭及支架的編輯調(diào)整。

4.1 管線調(diào)整

當(dāng)觀察到管線與主變體周邊絕緣子、避雷器、中性點(diǎn)設(shè)備、智能控制柜等設(shè)施距離過(guò)近或發(fā)生碰撞時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)管線移動(dòng)或者管線彎折功能調(diào)整管線的布置方案。

4.1.1 管線移動(dòng)

設(shè)計(jì)人員可以在三維仿真場(chǎng)景中直接用鼠標(biāo)雙擊需要移動(dòng)的管線段，選中管線段后按鼠標(biāo)右鍵，選中右鍵菜單中的“移動(dòng)”功能，被選中的管線段在可移動(dòng)的方向會(huì)出現(xiàn)箭頭（見(jiàn)圖6），用鼠標(biāo)拖動(dòng)箭頭即可移動(dòng)管線段。移動(dòng)管線段時(shí)，管線上的噴頭會(huì)隨之移動(dòng)。

圖6 管線移動(dòng)功能

4.1.2 管線彎折

選中管線段后按鼠標(biāo)右鍵，選中右鍵菜單中的“彎折”功能，彈出管線彎折對(duì)話框。設(shè)計(jì)人員輸入彎折的起始點(diǎn)距離，彎折深度，彎折長(zhǎng)度后即可實(shí)現(xiàn)管道彎折（見(jiàn)圖7）。

圖7 管線彎折

4.2 噴頭調(diào)整

MT-Spray 軟件提供了噴頭水流顯示、噴霧覆蓋范圍顯示功能，設(shè)計(jì)人員可以觀察噴頭與周邊設(shè)施是否有碰撞，被保護(hù)體表面是否全覆蓋等狀況。軟件提供了交互布置噴頭、噴頭移動(dòng)、噴頭復(fù)制、刪除等功能，實(shí)現(xiàn)最佳的噴頭布置方案。

4.3 支架調(diào)整

MT-Spray 軟件提供了支架移動(dòng)的功能，設(shè)計(jì)人員通過(guò)雙擊鼠標(biāo)左鍵選擇需要移動(dòng)的支架，在右鍵菜單中選擇移動(dòng)功能，然后拖動(dòng)箭頭即可移動(dòng)選擇的支架。

5 碰撞檢查

M-Spray 軟件可以檢測(cè)噴頭、管線與帶電設(shè)施的距離是否滿足安全距離要求。結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，噴頭、管線與高壓電器設(shè)備帶電（裸露）部分的最小安全凈距帶電安全距離根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《高壓配電裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》DL/T5352[3]的有關(guān)規(guī)定設(shè)置了最小距離，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)人員在圖形中選擇帶電的電氣設(shè)備，然后通過(guò)點(diǎn)擊“碰撞檢查”按鈕自動(dòng)進(jìn)行安全距離檢查。

6 自動(dòng)繪制二維施工圖

M-Spray 軟件讓設(shè)計(jì)人員在三維仿真環(huán)境中完成主變壓器噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成輸水管道、噴頭、管道支架的布置方案。根據(jù)三維布置方案，軟件自動(dòng)生成主變壓器水噴霧系統(tǒng)的二維施工圖，包括水噴霧系統(tǒng)的軸側(cè)圖、平面布置圖、立面圖、支架布置圖、支架詳圖及支架基礎(chǔ)布置圖等。

所有管道型號(hào)、噴頭型號(hào)數(shù)量、支架材料等信息M-Spray 軟件都會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)并生成材料匯總表。

7 結(jié)束語(yǔ)

主變壓器水噴霧三維設(shè)計(jì)軟件針對(duì)傳統(tǒng)二維噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員最頭痛的“盲布”問(wèn)題，通過(guò)三維可視化的真實(shí)場(chǎng)景全面、直觀地展示管道、噴頭及支架的走向、布置情況，同時(shí)，強(qiáng)大的空間分析功能突破了二維平面中的空間束縛，可以更加準(zhǔn)確地判斷水噴霧管道與主變的相對(duì)位置和碰撞情況，模擬水霧噴射的實(shí)際情況，保證噴頭設(shè)計(jì)的合理性，消除了施工階段的安全隱患，大大提高設(shè)計(jì)人員的工作效率，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，杜絕返工現(xiàn)象，三維設(shè)計(jì)是主變壓器水噴霧設(shè)計(jì)極佳的解決方案。