抽水蓄能电站变压器水喷雾消防优化设计研究_张杨.pdf

69张杨等：抽水蓄能电站变压器水喷雾消防优化设计研究0引言油浸式电力变压器在水电站中应用比较多，运行过程中由于接地短路、铁芯起火、遭受雷击、外力破坏等原因可能会引起喷油事故，造成大量的绝缘油喷泄到油箱外，引发火灾1。对此，目前主要采取排油注氮、高压细水雾、泡沫喷雾、水喷雾等消防措施，其中水喷雾消防在设计中最常采用2。水喷雾消防是利用水雾的冷却、冲击和水雾挥发水蒸气的窒息作用来进行灭火34。长期以来，在我国的水电工程设计中，采用水喷雾消防的油浸式电力变压器，除集油坑水喷雾供给强度采用 6L/（minm2）外，其余部位水喷雾供给强度取值均为 20L/（minm2）56。自 2021年 3 月起，国网新源控股有限公司出台了相关规定7，新建抽水蓄能电站集油坑水喷雾强度不低于 10L/（minm2），变压器本体水喷雾强度不低于 30L/（minm2），极大提高了抽水蓄能电站油浸式电力变压器的水喷雾供给强度。本文根据这一新的设计要求，结合国内某在建抽水蓄能电站SFC（变频启动装置）输入变压器的实际需要，基于油浸式电力变压器在火灾中呈现出的特点和相关规范要求，进行水喷雾消防优化设计研究，并提出了优化改进建议。1保护面积和所需水喷雾流量的计算该抽水蓄能电站 SFC 输入变压器布置在主变压器洞851.00m 层，地下厂房消防给水系统用水引自全厂自流供水总管，水源为下库水。为保证主变压器洞层消火栓水压及变压器水雾喷淋压力，在主变压器洞层设置两台消防水泵。变压器设置上、下两层水平消防环管，下层环管上布置水雾喷头用于保护集油坑和变压器本体四周侧面下半部，上层环管上布置水雾喷头用于保护变压器本体顶面和四周侧面上半部及油冷却器，从上层环管上伸出支管，装设水雾喷头，用于保护油枕。根据 水 喷 雾 灭 火 系 统 技 术 规 范 （GB 502192014）的规定，当设置水喷雾灭火系统时，变压器的保护面积除应按扣除底面面积外的变压器油箱外表面面积确定外，尚应包括散热器的外表面面积和油枕及集油坑的投影面积。根据 抽水蓄能电站典型消防配置导则（试行）的规定，新建抽蓄电站变压器本体水喷雾强度不低于 30L/（minm2），集油坑水喷雾强度不低于 10L/（minm2），变压器事故油池的容积，按至少满足 0.4h水喷雾的水量以及单台变压器本体全部油量的容纳要求。对此，本电站变压器各保护部位保护面积及所需流量计算见表 1。抽水蓄能电站变压器水喷雾消防优化设计研究张杨1，高云达2（1中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西省西安市710065；2黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南省郑州市450003）摘要：为检验变压器水喷雾消防设计过程中水雾喷头对保护对象的覆盖情况和提升灭火效果，本文以国内某在建抽水蓄能电站为例，详细介绍了变压器水喷雾消防系统的设计过程以及水喷雾包络线计算原理。根据变压器火灾的特点以及水喷雾消防系统动作原理，本文提出了变压器绝缘子根部专门设置喷头进行保护的方法，以及水喷雾灭火系统联动时，打开雨淋阀前先开启主泵，用主泵运行后的反馈信号来开启雨淋阀的优化建议。关键词：变压器；水喷雾；包络线；雨淋阀；喷头中图分类号：TV734文献标识码：A学科代码：570.30DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.02.011基金项目：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司科技项目（XBY-2014-01）。70水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023表 1 变压器各保护部位保护面积及所需流量计算表Table1 Calculationofprotectionareaandrequiredflowoftransformerprotectionparts保护部位长/m 宽/m 高/m保护面积/m2喷雾强度/（Lmin-1m-2）按照保护面积计算所需流量/（Lmin-1）变压器本体4.42.14.3565.79301973.70油枕2.20.951.310.2830308.40冷却器2.971.12.8126.1430784.20集油坑74.723.6610236.60 2水雾喷头的选型与布置扑灭电气火灾时，喷头型式采用离心式水雾喷头8，该类型的水雾喷头喷射出的雾状水滴雾化程度高、不连续，具有良好的绝缘性能。当用于灭火时，水雾喷头的工作压力不应小于 0.35MPa，正常工作压力范围一般在0.350.80MPa。结合本电站给水系统的设计情况，变压器水雾喷头的工作压力初选 0.35MPa。根据试算结果，采 用 离 心 式 水 雾 喷 头 ZSTWB-67-90、ZSTWB-85-90、ZSTWB-34-120。其中 ZSTWB-67-90 型水雾喷头用于变压器本体及冷却器的喷淋；ZSTWB-85-90 型水雾喷头用于油枕的喷淋；ZSTWB-34-120 型水雾喷头用于集油坑的喷淋。3 种型号的离心式水雾喷头参数见表 2。表 2离心式水雾喷头参数表Table2 Parametersofcentrifugalspraynozzle喷头型号喷头水压/MPa有效射程/m雾化角/（）流量系数 K0.35MPa 下喷射水量/（Lmin-1）ZSTWB-67-900.35 2.09067125ZSTWB-85-900.35 2.09085159ZSTWB-34-1200.35 2.01203463喷头的数量应按照被保护对象所要求的喷雾强度和保护面积以及所选用喷头的流量通过计算确定9。水雾喷头的流量与其出口压力有关，如式（1）所示10，水雾喷头的数量选取如式（2）所示。10qKP=（1）S WNq=（2）式中：q水雾喷头的流量，L/min；K水雾喷头的流量系数；P水雾喷头的工作压力，MPa；N保护对象所需水雾喷头的计算数量，个；S保护对象的保护面积，m2；W保护对象的设计供给强度，L/（minm2）。水雾喷头的位置根据喷头的雾化角、有效射程、按满足喷雾直接喷射并完全覆盖保护对象表面布置。特别需要注意的是，水雾喷头应布置在变压器周围，供水管不得跨越变压器顶部，水雾喷头之间的水平距离和垂直距离应满足水雾锥相交的要求。当计算确定的布置数量不能满足上述要求时，应适当增设喷头直至喷雾能够满足直接喷射并完全覆盖保护对象表面。由于变压器底部与集油坑表面距离过小，无法布置喷头，需将保护变压器侧面与集油坑表面的水雾锥立体交叉，使得变压器底部空间全被包络，以隔绝空气窒息灭火。虽然水雾喷头喷射的雾状水滴是不连续的间断水滴，具有良好的电气绝缘性能，但水雾喷头、管道与高压电气设备带电（裸露）部分的最小安全净距仍不可忽略。水雾喷头、管道与电气设备带电（裸露）部分的安全净距宜符合现行行业标准高压配电装置设计技术规程（DL/T 5352）的规定。SFC 输入变压器高压侧电压为 18kV，水雾喷头、管道与变压器抽头之间的安全净距不小于 180mm。根据式（1）和式（2），结合变压器的布置情况，喷头的数量选取见表 3，喷头布置如图 1 所示。3管路口径的选取及水力计算3.1管路口径的选取SFC 输入变压器消防用水从 851.00m 层消火栓给水立管上表 3变压器各保护部位喷头数量的选取Table3Selectionofnozzlesineachprotectionpartoftransformer被保护部位设计喷雾强度/（Lmin-1m-2）喷头规格选用喷头的流量（0.35MPa下）/（Lmin-1）所需喷头的计算数量/个实际选取喷头数量/个变压器本体30ZSTWB-67-9012515.7918油枕30ZSTWB-85-901591.942冷却器30ZSTWB-67-901256.278集油坑10ZSTWB-34-120633.76871张杨等：抽水蓄能电站变压器水喷雾消防优化设计研究引取，经供水总管上的球阀、管道过滤器、雨淋阀、球阀，再通过上下两层环管供水至变压器。管路口径计算如式（3）所示：1.13jjQdV=（3）式中：d管路内径，m；Qj计算流量，m3/s；Vj计算流速，m/s，取值不宜大于 5m/s。供水总管中计算流量为所有喷头 0.35MPa 下流量之和，Qj=Nq=4072（L/min）=0.06787m3/s，计算流速取 2m/s，则：1.13jjQdV=0.208(m)=208mm故初选供水总管规格为 DN200（2195），供水总管上过滤器、雨淋阀、球阀规格均为 DN200，压力等级取 2.5MPa。同样方法，选取供水环管规格为 DN150（1594.5），与各喷头相连的支管规格为 DN40（484）。3.2水力计算本电站变压器水喷雾灭火系统管路采用不锈钢管，管道水力计算采用海澄威廉公式，如下：1.854.871.85105hjgiCdq=（4）式中：i管道的单位长度水头损失，MPa/m；Ch海澄-威廉系数，不锈钢管取 130；dj管道的计算内径，m；qg管道内水的流量，m3/s。管道的局部水头损失采用当量长度法进行计算，从851.00m 层消火栓给水立管取水点至压力最不利点的水雾喷头管路水力损失计算见表 4。消防供水管路球阀球阀过滤器雨淋阀组图 1变压器水喷雾灭火系统喷头布置示意图Figure 1Schematic diagram of sprinkler layout of transformer water spray extinguishing system表 4水力损失计算表Table4Calculationofhydraulicloss管路名称及规格长度/m弯头、三通、过滤器等当量长度/m总长度/m流量 q/（m3s-1）单位长度水头损失 i/（MPam-1）各管段水头损失P/MPa供水总管 219520.050.16220.2120.067870.18210-30.004环管1594.510.90.10611.0060.016970.0710-30.001支管（连接油枕喷头）4842.70.0122.7120.002651.41710-30.004变压器油枕喷头管路最高点高程为 856.7m，雨淋阀布置在 851.0m 层。给排水专业提供水压（851.0m 层）为 0.6MPa，根 据 GB 502192014 水 喷 雾 灭 火 系 统技术规范7.2.3 的规定，雨淋报警阀的水头损失按照0.08MPa 进行计算。故压力最不利点的水雾喷头出口的实际压力为：P=0.6-0.004-0.001-0.004-0.08-(856.7-851)/100 =0.454MPa 0.35MPa从计算结果看出，雨淋阀等消防设备的公称直径以及各管路的规格选择满足要求。4水雾喷头包络线的计算在包络线的计算过程中把不规则的水雾喷体简化为圆锥形喷体，倾斜喷射的圆锥形喷体近似按水平喷射时的水雾喷体计算。水雾喷头与竖直方向呈角喷洒时包络线计算原理如图 2 所示，包络线计算公式如式（5）式（7）所示。sinxyLL=（5）72水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023 max2 tan2DL=（6）max2arctan2xyxyDL=|（7）式中：L水雾喷头的有效射程，m；水雾喷头轴线与垂直方向的夹角，（）；Lxy水雾喷头的有效射程在水平面的投影长度，m；水雾喷头的雾化角，（）；xy水雾喷头的包络线在水平面上的投影夹角，（）；Dmax水雾喷头的最大包络直径，m。ZLOYXDmaxLxyxy图 2水雾喷头与垂直方向呈角喷洒包络线 计算原理示意图Figure 2Schematic diagram of calculating principle of Angle spray envelope between water mist nozzle and vertica