適用于變壓器油火的泡沫滅火劑評價指標體系與方法

孫緒坤，柯 巍，韓騰奔，王正陽，馬偉偉，韓亞軍

(1.中國礦業(yè)大學(北京)應(yīng)急管理與安全工程學院，北京 100083；2.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430081；3.九江中船化學科技有限公司，江西 九江 332000)

近年來，隨著國內(nèi)電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，大型電力變壓器的數(shù)量也在逐漸增加。據(jù)資料統(tǒng)計，截至2017年，國家電網(wǎng)公司運行的高壓變電站有2 000余座，其中110 kV以上變壓器近40 000臺。根據(jù)散熱方式的不同變壓器可分為干式變壓器和油浸式變壓器。其中，干式變壓器內(nèi)部不含變壓器油，在防火方面優(yōu)勢較大；油浸式變壓器與干式變壓器相比，具有散熱效果好、維護方便、易于回收等優(yōu)點，因此其得到了廣泛的應(yīng)用。變壓器油的工作溫度通常為80～90℃，閃點為136℃。正常狀態(tài)下，變壓器的工作溫度低于閃點，不會發(fā)生火災(zāi)。但根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，雖然不同地區(qū)變壓器的故障率差別較大，但在工作年限內(nèi)變壓器發(fā)生嚴重故障的概率通常為0.5%～2.5%。變壓器一旦發(fā)生故障，其內(nèi)部溫度會明顯上升，進而引燃變壓器油。而水成膜泡沫滅火劑作為油類火災(zāi)的專用滅火劑，是保障變電站消防安全的有力手段。

現(xiàn)階段存在多種泡沫滅火劑，由于其適用條件不同，在應(yīng)對特定火場時滅火性能的差別較大。針對該問題國內(nèi)外已有大量的相關(guān)研究。如徐志勝等通過改變泡沫滅火劑的氣液比、壓力和體積流量等參數(shù)，提出了一種用于評價泡沫滅火劑的柴油火抑制性能的新方法；Xiao等將表面張力和擴散系數(shù)作為評價指標，對無氟泡沫滅火劑的滅火性能進行了評價，發(fā)現(xiàn)表面活性劑是影響其滅火性能的重要因素；康青春等針對泡沫滅火劑的優(yōu)選問題，建立了一套通用評價體系，其可為泡沫滅火劑的綜合優(yōu)選提供參考。

綜上研究可知，針對泡沫滅火劑滅火性能的評價已有大量的研究，但由于缺少針對性評價指標，對特殊環(huán)境下泡沫滅火劑的優(yōu)選效果有限。考慮到變壓器油工作環(huán)境的復雜性，仍需建立一種適用于變壓器油火的泡沫滅火劑滅火性能優(yōu)選評價指標體系。因此，本文在綜合考慮變壓器油燃燒特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種針對性較強的適用于變壓器油火的泡沫滅火劑滅火性能評價指標體系，采用模糊熵權(quán)法對10種泡沫滅火劑的滅火性能進行了評價，并優(yōu)選其中5種泡沫滅火劑進行了變壓器油火抑制試驗驗證，以為適用于變壓器油火的泡沫滅火劑優(yōu)選提供理論依據(jù)。

1 適用于變壓器油火的泡沫滅火劑滅火性能評價指標體系建立

適用于變壓器油火的泡沫滅火劑滅火性能評價指標體系分為一級評價指標和二級評價指標，其中一級評價指標符合通用評價準則，包括性能準則和穩(wěn)定性準則；基于變壓器油特性和工作環(huán)境制定針對性指標，并依據(jù)《泡沫滅火劑》(GB 15308—2006)標準和相關(guān)文獻對評價指標取值方法進行確定。各評價指標的滿分均為1.0分，對未加說明的，各分值間取分參照下式：

分值間取分=

1.1 性能準則

性能準則包括滅火時間、90%控火時間、油面鋪展速度、抗復燃時間和油面黏附能力。

(1) 滅火時間：參照泡沫滅火劑滅火性能等級表，Ⅰ級取1.0分，Ⅱ級取0.8分，Ⅲ級取0.6分，各等級之間分A、B、C、D，分值間隔根據(jù)A、B、C、D等分取值。

(2) 90%控火時間：對于內(nèi)徑為2.4 m的變壓器油盤，從施加泡沫滅火劑到火焰撲滅90%所花費的時間為30 s取1.0分，時間為90 s取0.8分，時間為150 s取0.6分。

(3) 油面鋪展速度：針對直徑2.5 m的燃燒變壓器油液面，泡沫鋪滿液面的時間為2 min取1.0分，時間為7 min取0.8分，時間為13 min取0.6分，時間為18 min取0分。

(4) 抗復燃時間：將內(nèi)徑0.3 m和0.4 m的變壓器油盤疊放，在內(nèi)、外油盤中均加入變壓器油，其中外油盤油面覆蓋泡沫滅火劑，點燃外油盤記錄內(nèi)油盤油面的引燃時間，時間為15 min取1.0分，時間為10 min取0.8分，時間為5 min取0.6分，時間為2 min取0分。

(5) 油面黏附能力：室溫條件下，針對0.2 m高的垂直變壓器油面，泡沫下降至底端的時間為20 s取1.0分，時間為15 s取0.8分，時間為10 s取0.6分，時間為5 s取0分。

1.2 穩(wěn)定性準則

穩(wěn)定性準則包括熱油面泡沫存在時間、抗變壓器油污染能力和泡沫液耐久性。

(1) 熱油面泡沫存在時間：將泡沫置于溫度為88℃、直徑為4 cm的變壓器油面，記錄泡沫完全消失所需的時間，泡沫存在時間為250 min取1.0分，時間為180 min取0.8分，時間為90 min取0.6分，時間為30 min取0分。

(2) 抗變壓器油污染能力：令泡沫穿過0.5 m厚的變壓器油層，根據(jù)試驗前后泡沫重量的變化計算含油率，含油率為5%取1.0分，含油率為8%取0.8分，含油率為12%取0.6分，含油率為15%取0分。

(3) 泡沫液耐久性：對密封后的泡沫滅火劑進行720 h高低溫老化試驗，根據(jù)《泡沫滅火劑》(GB 15308—2006)標準對其發(fā)泡倍數(shù)進行測定，泡沫滅火劑發(fā)泡倍數(shù)下降程度為2%取1.0分，下降程度為10%取0.8分，下降程度為15%取0.6分，下降程度為20%取0分。

2 模糊熵權(quán)法理論基礎(chǔ)

2.1 熵權(quán)法原理

(1)

其中，

m

和

n

分別為評價指標和樣本的數(shù)量。

由于評價指標體系中各指標值的量綱不同，不同指標數(shù)量級間存在差異，為了消除不同量綱產(chǎn)生的不可公度性，需要對評價指標進行標準化處理，具體處理方法如下：

對于收益型評價指標，有：

(2)

對于成本型評價指標，有：

(3)

然后，計算第

i

項評價指標下第

j

個對象指標值的比重

P

：

(4)

通過對數(shù)得到第

i

個評價指標的熵值

S

為

(5)

式中：常數(shù)

k

與樣本數(shù)

n

有關(guān)，定義

k

=1

/

ln

n

，且0 ≤

S

≤ 1，并規(guī)定當

P

=0時，

P

·ln

P

=0。

最后，按下式計算各評價指標的權(quán)重：

(6)

2. 2 模糊綜合評價法原理

模糊綜合評價法屬于模糊數(shù)學的一種方法，該方法能根據(jù)樣本隸屬度對復雜定性問題進行整體評價，具體步驟如下：

(1) 建立模糊評價矩陣：因素集

U

={

U

,

U

,…,

U

,…,

U

}為評價樣本的集合，評價集

V

={

V

,

V

,…,

V

}為對應(yīng)于各樣本指標的評價結(jié)果。設(shè)有

n

個評價樣本，各評價樣本有

m

個評價指標，則可建立模糊評價矩陣如下：

(7)

(2) 確定評價指標權(quán)重向量：各評價指標對應(yīng)的權(quán)重向量為=(

w

,

w

,…,

w

)，用來表征不同評價指標的重要程度，常用的確定方法有專家調(diào)查法和層次分析法等。(3) 評價結(jié)果的求解：利用合成模糊評價矩陣和評價指標權(quán)重向量，可得到評價結(jié)果向量，常用的合成方法為最大隸屬度原則，但當誤差較大時，也可采用平均加權(quán)隸屬度原則。具體計算公式如下：=·

(8)

2.3 模糊熵權(quán)法的特點

模糊熵權(quán)法是基于模糊綜合評價與熵權(quán)法原理的綜合應(yīng)用，其在原模型的基礎(chǔ)上充分考慮了兩者的評價優(yōu)勢。由于模糊綜合評價中權(quán)重向量的確定受主觀因素的影響較大，其最終得到的評價結(jié)果與實際情況存在偏差；而熵權(quán)法確定權(quán)重則是基于評價指標數(shù)據(jù)的量化取值，通過計算不同評價指標的離散程度對客觀權(quán)重進行求解，其不受個人因素的影響。因此，模糊綜合評價與熵權(quán)法的有機結(jié)合在一定程度上能夠克服傳統(tǒng)評價過程中的主觀定性缺點，使評價結(jié)果更加可靠。

3 實例驗證

3.1 泡沫滅火劑滅火性能評價

通過調(diào)研常用泡沫滅火劑的應(yīng)用環(huán)境和油類火災(zāi)特征，從中選取10種比較有代表性的泡沫滅火劑作為評價樣本，分別編號為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J。設(shè)評價指標集

C

={

C

,

C

,…,

C

}種對應(yīng)的評價指標見表1，本文利用德爾菲法并參照本文的取值標準對各種泡沫滅火劑的評價指標進行打分，得到10種泡沫滅火劑各評價指標的原始數(shù)據(jù)見表2，其對應(yīng)的原始決策矩陣如下：

表1 適用于變壓器油火的泡沫滅火劑評價指標代號和名稱Table 1 Evaluation indicators and codes of foam fire extinguishing agent suitable for transformer oil fire

表2 10種泡沫滅火劑各評價指標的原始數(shù)據(jù)Table 2 Original data of the evaluation indexes for 10 kinds of foam fire extinguishing agents

根據(jù)公式(2)對原始決策矩陣進行歸一化處理，得到標準決策矩陣為

根據(jù)公式(4)～(6),可得到各評價指標的權(quán)重，見表3。

表3 10種泡沫滅火劑各評價指標的權(quán)重Table 3 Evaluation index weight for 10 kinds of foam fire extinguishing agents

各評價指標對應(yīng)的權(quán)重向量為

=(0

.

089 5,0

.

183 1,0

.

117 3,0

.

174 1,0

.

107 1,0

.

147 7,0

.

098 3,0

.

082 9)根據(jù)公式(8)對模糊評價矩陣(即標準決策矩陣)和評價指標權(quán)重向量求解，可得到10種泡沫滅火劑對變壓器油火的滅火性能評價得分為=·=(0

.

693 4,0

.

703 8,0

.

697 6,0

.

699 4,0

.

718 7,0

.

728 0,0

.

738 6,0

.

735 2,0

.

716 1,0

.

727 4)

由評價得分可知，10種泡沫滅火劑對變壓器油火的滅火性能從高到低為G>H>F>J>E>I>B>D>C>A，即G為最適合抑制變壓器油火的泡沫滅火劑。

3.2 變壓器油火抑制試驗驗證

基于《泡沫滅火劑》(GB 15308—2006)，開展了泡沫滅火器對變壓器油火的抑制試驗，具體試驗步驟如下：

(1) 試驗準備。依據(jù)標準配置規(guī)格為120 L的泡沫儲罐和工作壓力為0.75 MPa的空壓機，將其連接作為泡沫滅火劑的動力系統(tǒng)。參照最佳配比(水∶原液=97∶3)得到泡沫滅火劑溶液。

(2) 參數(shù)校正。令動力系統(tǒng)的輸出壓力恒為0.75 MPa，通過測量單位時間噴出的泡沫液體積標定噴槍流量為11.4 L/min。為了保護油盤結(jié)構(gòu)，使油盤下部為水，上部覆蓋有3 cm厚的昆侖25號變壓器油，油層厚度由同一位置的液面差測得。

(3) 變壓器油火抑制。各組試驗均由等量汽油引燃，為了使變壓器油充分燃燒，控制其引燃時間為30 s，然后施加泡沫滅火劑并記錄抑制時間與試驗現(xiàn)象。

優(yōu)選滅火性能評價中評價得分分值波動特征明顯且指標代表性較強的5種泡沫滅火劑(G、H、F、J、E)為研究對象，使其在同等條件下進行變壓器油火抑制試驗，其試驗結(jié)果見圖1。

圖1 5種泡沫滅火劑對變壓器油火滅火性能驗證Fig.1 Fire extinguishing performance of five kinds of foam extinguishing agents suitable for transformer oil fire

由圖1可見，泡沫滅火劑G對變壓器油火的滅火性能較好，泡沫滅火劑E的滅火性能一般。

通過分析試驗現(xiàn)象可知，變壓器油火的控制過程主要包括初期火焰抑制和中、后期殘火覆蓋兩個階段。其中，初期火焰抑制階段的抑制效率取決于泡沫滅火劑的性能準則；中、后期殘火覆蓋階段的抑制效率則與泡沫滅火劑的穩(wěn)定性準則有關(guān)。在油火撲滅初期，滅火劑的泡沫生成量較少，油面覆蓋面積不足，對火勢的控制主要依靠泡沫滅火劑的降溫作用與化學反應(yīng)；在油火中、后期，隨著泡沫的油面覆蓋率逐漸增加，余火在泡沫的隔氧、降溫作用下熄滅。由圖1可見，泡沫滅火劑G、H、F、J均能在其接觸火焰的40 s內(nèi)抑制火勢發(fā)展，導致其性能差異的原因為殘火覆蓋階段所花費的時間。根據(jù)現(xiàn)場的熱電偶測溫數(shù)據(jù)可知，殘火覆蓋階段的變壓器油溫度可超過600℃，此時泡沫滅火劑熱穩(wěn)定性、抗污染能力等指標成為決定該階段抑制效率的重要因素。泡沫滅火劑E在殘火覆蓋階段的抑制效率與其他泡沫滅火劑相差不大，說明其穩(wěn)定性準則能夠滿足變壓器油火的抑制要求，但該泡沫滅火劑在火焰抑制階段的抑制效率一般，有必要對其性能準則指標做進一步改進。

5種泡沫滅火劑對變壓器油火的適用性評價結(jié)果與變壓器油火抑制試驗結(jié)果的對比，見圖2。

圖2 利用評價指標體系對變壓器油火滅火性能評價 結(jié)果與變壓器油火抑制試驗結(jié)果的對比Fig.2 Comparison between the evaluation results of transformer oil fire extingwishing performance and transformer oil fire suppression test result evaluation index system

由圖2可見，評價指標體系對變壓器油火滅火性能的評價結(jié)果與變壓器油火抑制試驗結(jié)果的一致性較高，參照各種泡沫滅火劑的滅火性能評價結(jié)果能有效篩選出對變壓器油火滅火性能較好的泡沫滅火劑為G，且根據(jù)評價得分分值差可知泡沫滅火劑E的滅火性能相對一般。

4 結(jié) 論

(1) 考慮到現(xiàn)有的適用于變壓器油火的泡沫滅火劑滅火性能評價指標體系的不足，本文建立了一種適用于變壓器油火的泡沫滅火劑滅火性能評價指標體系。該評價體系主要包括2個方面、8個指標，滿足抑制變壓器油火火災(zāi)的各項要求，且大部分評價指標的量化是基于現(xiàn)有文獻和試驗數(shù)據(jù)，可靠性較高。

(2) 以該評價指標體系為基礎(chǔ)，采用模糊熵權(quán)法對10種泡沫滅火劑的變壓器油火滅火性能進行評價，并從中優(yōu)選出滅火性能較好的5種泡沫滅火劑進行了變壓器油火抑制試驗驗證。結(jié)果表明：該評價指標體系的評價結(jié)果與變壓器油火抑制試驗結(jié)果的一致性較高，故根據(jù)各種泡沫滅火性能的評價結(jié)果可篩選出對變壓器油火滅火性能較好的泡沫滅火劑，說明該評價指標體系對泡沫滅火劑的篩選具有一定的參考價值。