火源功率對室內變壓器火災燃燒特性影響研究*

陳 光，景 偉，王志剛，徐 亮，陳 鵬

(1.南瑞集團有限公司(國網電力科學研究院有限公司)，江蘇 南京 211000；2.中國礦業大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京 100086)

0 引言

近幾年，隨著城市居民對電力的需求不斷提高，室內變壓器經常處于超負荷、高溫運作狀態，存在一定安全隱患。室內變壓器的火災安全對于整個電力系統的安全穩定運行起著重要意義。變壓器油火災是一種高強度湍流燃燒現象，其孕育、發生和發展包含著湍流流動、相變、傳熱傳質和復雜化學反應等物理化學作用，整體上可分為初期增長階段、充分燃燒階段和減弱階段[1]。Suzuki等[2]利用錐形量熱儀對變壓器油的燃燒特性進行了實驗研究，得出不同變壓器油的點火時間與臨界輻射熱流密度的關系；Chatris[3]通過測量油池火燃燒速率分析整個火災過程起始和結束的瞬態階段，并確定了穩態火災期間的平均燃燒速率；Novozhilov和Koseki[4]建立了油池火災過程中液體蒸發的氣液兩相動力學模型，研究了中小型油池火災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，發現添加納米粒子可以提高變壓器油的閃點和燃點，有效降低變壓器油的可燃性。油池火燃燒一般是指當可燃液體燃料受限于一定空間內，燃料表面的燃燒所形成的浮力擴散火焰[6]。McCaffrey[7]經典羽流模型將自然擴散火焰自下至上分為連續火焰區、間歇火焰區和浮力羽流區，在浮力羽流區，速度和溫度隨著高度的增加而遞減；焦艷[8]通過研究多油池火源的燃燒特性，揭示了多油池火源的流動、熱反饋與燃燒耦合機制，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，較好地驗證了經典的McCaffrey曲線；張孝春[9]針對不同火源形狀條件下的火羽流及頂棚射流特征參數演化行為進行了較為系統的研究，揭示了火焰高度、中心線溫度及其誘導的頂棚射流相關規律；Vytenis[10]研究了不同油池尺寸的油池火燃燒速率，在大量實驗數據的基礎上，總結得出大直徑油池火的燃燒速率公式；Gritzo等[11]通過對大尺度油池火災實驗研究，得到了關于大尺度油池火災輻射特性、溫度、煙塵和相關時間尺度的特征關系。

在實際的變壓器火災過程中，油池火的燃燒會受到多種環境因素的影響，包括變壓器散熱器、防火墻和變壓器油儲存方式等。CIGRE的《變壓器防火規范指南》[12]規定了變壓器防火墻的設計標準，變壓器之間設置防火墻可以使燃燒產生的大部分熱量垂直上升到防火墻上方的空氣中，有效保護墻外設施。黨曉貝[13]通過分析燃燒速率、火焰高度、輻射特性等特征參數，研究了倒壁影響下火焰的羽流特性，為分析設置防火墻的變壓器火災燃燒特性提供理論依據；Atsushi Nakakuki[14]研究了不同液面高度油池火災的傳熱機理，利用有限差分程序計算了不同材料容器和壁厚容器在固定液深時容器壁的縱向溫度分布和液體燃燒速率，結果表明，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容器壁對流傳遞給液體燃料的熱量占主導地位。

現有關于室外火災發展過程和小尺度油池火的研究較為廣泛和全面，而鮮有關于實尺度室內火災燃燒特性和火災動力學的研究，開展實尺度換流變火災燃燒特性和火災動力學試驗和數值模擬研究，通過分析變壓器火災煙氣蔓延特性、熱羽流分布和溫度場，可為變壓器火災提供一定的理論基礎和可靠的試驗數據。本文首先分析了隱蔽、立體、多尺度的變壓器火災數值模擬的有效性，通過改變火源功率，揭示變壓器火災參數隨空間、時間的變化規律。

1 數值模擬理論與模型

1.1 FDS基礎理論

模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)是1款應用于火災研究領域的場模擬軟件。以計算流體力學(CFD)為基礎，重點關注火災所產生的煙氣和熱量轉移過程，采用數值求解的方法求解Navier-Stokes方程，并將計算結果進行可視化處理[15-16]。其計算求解過程主要包括連續性方程、能量守恒方程、動量守恒方程及組分守恒方程等，具體如下：

連續性方程：

(1)

動量守恒方程：

(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為導熱系數，W/(m2·k)；Yi為組分質量分數；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為組分擴散系數，m2/s；i為第i種組分。

1.2 模型建立

變壓器火災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。變壓器火災也是一類特殊的燃燒現象，遵循燃燒過程的基本規律。變壓器火災模型主要由換流變燃料組分(變壓器油和變壓器油熱解生成的可燃氣體)、油盤的空間布置以及點燃方式等要素組成。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，長寬高為4 m×4 m×5 m，表面設置為STEEL邊界類型。火源功率分別為5，10，15，18 MW，在變壓器前方地面，沿變壓器底邊設置矩形油池，模擬變壓器集油坑火災燃燒，依據火源功率，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，在其頂部設置方形油池，根據火源功率，油池面積分別為0.5，1，1.5，1.8 m2；在變壓器正面設置火源模擬流淌火。廠房壁面與頂棚均設置為CONCRETE邊界類型，環境溫度為20 ℃，總模擬時間為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 模型正確性驗證

1)網格獨立性驗證

在FDS中，網格尺寸的選取是決定模擬結果精確程度和穩定程度的關鍵因素[17]。在實際應用中，通常采用火源特征直徑D*與計算網格尺寸δx的比值作為網格劃分的依據。當模擬計算的網格大小取0.1D*時，模擬計算的火羽流溫度和速度跟實際火災實驗的結果比較接近。其中火源的特征直徑由式(5)進行計算：

(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為環境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

為了評估網格獨立性，選取對網格精度敏感的區域進行檢驗。本文設置了3個尺度的網格來模擬同一個火災場景的火災參量。當網格精度Δ=0.25，0.33，0.50 m時，火源正上方頂棚處瞬態溫度如圖2所示。

圖2 網格精度對特征溫度的影響Fig.2 Influence of grid precision on characteristic temperature

由于燃燒產生的熱煙氣隨時間不斷積聚，因此該點處瞬態溫度隨時間呈上升趨勢。在0～25 s階段，不同網格精度對瞬時溫度變化幾乎沒有影響；在25～300 s階段內，當網格尺寸為0.5和0.33 m時，溫度的分布曲線波動較大；當網格尺寸為0.25 m時，溫度曲線變化平穩。0.5 m網格精度求解得到的瞬態溫度與0.25，0.33 m網格求解結果產生明顯差異。另外，由于火源功率為5，10，15，18 MW，利用式(5)計算得到的火源特征直徑D*，同時考慮到模擬時間和計算機性能最終將網格尺寸設置為0.25 m×0.25 m×0.25 m。

2)模型正確性驗證

變壓器火災具有隱蔽、立體、多尺度性3個典型特征。隱蔽性指的是變壓器下方的集油坑火災的發展受到變壓器換熱器的影響，可以看成火焰發展的障礙物；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小尺度的油枕火源和流淌火。實際尺度變電站變壓器油燃燒如圖3所示，實驗與數值模擬火災過程中的溫度變化如圖4所示。

圖3 實際尺度變壓器火災燃燒過程Fig.3 Combustion process of transformer fire with practical scale

圖4 實驗與數值模擬火災過程中的溫度變化Fig.4 Temperature change of fire process by experiments and numerical simulation

由圖4可以看出，數值模擬得到的變電站火災的初期增長、充分發展以及施加細水霧后火焰的衰減熄滅過程中的瞬時溫度變化等參數，與實驗結果較為一致，可認為數值模擬能再現變電站火災發展過程。

2 結果與討論

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的煙氣羽流受頂棚限制，可劃分為連續火焰區、間歇火焰區、浮力羽流區和頂棚射流區等。在燃燒發展過程中，10 MW火源功率變壓器室內火焰與煙氣隨時間發展如圖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圍未燃氣體；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。隨著火災的持續發展，大量低密度、熱煙氣在實驗室內部上空集聚，隨著氧氣含量逐漸降低，火焰趨于穩定。

圖5 10 MW火焰與煙氣隨時間發展過程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的煙氣產生量更大，充滿室內空間的速度更快，在18 MW的情況下，120 s內煙氣幾乎充滿整個空間，120 s時各功率火源煙氣分布情況如圖6所示。

2.2 流場分布分析

煙氣發展與流場分布密切相關。流場形態影響火和煙氣蔓延行為的傳熱、傳質過程以及化學反應，火源功率為5，10，15，18 MW的變壓器室在120 s時的流場分布圖如圖7所示。在火災初期，火焰上部是浮力作用區域，在頂棚處形成射流，之后燃燒區域內可燃物燃燒放出的熱量和煙氣形成高溫環境與周圍環境空氣之間的溫差造成浮力驅動，從而火焰區域上方形成羽流熱煙氣層豎直運動，羽流中心線處的速度最大，遠離中心風速變小，這是因為火羽流卷吸和浮力的耦合作用，火源上方不斷補充風流，加快了縱向風流流動。隨著燃燒發展，縱向風速減小梯度增大；之后煙氣區充滿整個頂棚，并開始沿著墻壁下降。

2.3 溫度分布分析

室內變壓器火災發生后，煙氣攜帶大量熱量向上運動聚集。因此有必要研究不同火源功率下火災發展過程中變壓器室內空間溫度分布規律，確定火災對建筑結構的影響。在變壓器室內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38個熱電偶檢測火災時期變壓器室內溫度分布。圖8為不同火源功率下室內變壓器火災發生300 s時頂棚溫度輪廓分布；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正相關。在4種火源功率下，變壓器室內空間溫度分布曲線趨勢一致，都是自火源正上方向頂棚兩側衰減，溫度最高點出現在火源正上方；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 ℃。當火源功率為5 MW時，變壓器油燃燒時間在52 s內，產生的熱均不會使變壓器大空間內壁面和頂棚處的煙氣溫度超過300 ℃，沒有達到混凝土的耐火極限；當火源功率為10 MW時，變壓器油燃燒時間在39 s內，產生的熱均不會使變壓器大空間內壁面和頂棚處的煙氣溫度超過300 ℃，沒有達到混凝土的耐火極限；當火源功率為15 MW時，變壓器油燃燒時間在37 s內，產生的熱均不會使變壓器大空間內壁面和頂棚處的煙氣溫度超過300 ℃，沒有達到混凝土的耐火極限；當火源功率為18 MW時，變壓器油燃燒時間在31 s內，產生的熱均不會使變壓器大空間內壁面和頂棚處的煙氣溫度超過300 ℃，沒有達到混凝土的耐火極限[18]。

圖6 120 s時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時的流場分布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 結論

1)具有隱蔽、立體和多尺度燃燒特性的變壓器火災的煙氣羽流受頂棚限制，可劃分為連續火焰區、間歇火焰區、浮力羽流區和頂棚射流區等。在自然對流的條件下，變壓器油燃燒產生的煙氣充滿室內變電站的時間隨火源功率增加而減少。

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

3)當火源功率在5～18 MW范圍內，變壓器油燃燒時間在30 s內，產生的熱均不會使變壓器大空間內壁面和頂棚處的煙氣溫度超過300 ℃，沒有達到混凝土的耐火極限。