環境風作用下變壓器油池火燃燒特性實驗研究*

楊海銘,陳 軒,陳 鵬

(1.國網江蘇省電力有限公司超高壓分公司,江蘇 南京 211100;2.中國礦業大學(北京) 應急管理與安全工程學院,北京 100083)

0 引言

油浸式變壓器是換流變電站的重要設備。近年來,變壓器火災事故常有發生,造成一定的人員傷亡和經濟損失,嚴重影響電網正常運行[1-2]。變壓器火災發生后,變壓器箱體內部變壓器油溢出,會形成典型的油池火現象。變壓器油是1種常用于冷卻、滅弧和絕緣的介質[3],其是具有高閃點、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具有重要的現實意義。

由于變壓器大多布置在室外開放空間,環境風流是影響火災發展的重要因素。現有變壓器火災相關研究多在無風環境下進行,研究結果不完全適用于真實變壓器火災場景[3-4]。在環境風影響下,池火燃燒過程受自然對流和強制對流耦合作用,與無風環境相比,燃燒特性更為復雜[5]。Welker等[6]開展環境風作用下甲醇、丙酮、正己烷和苯的池火實驗研究,結果表明除甲醇外,池火燃燒速率隨風速升高而呈現下降趨勢。Woods等[7]開展甲醇池火實驗,研究結果與文獻[6]研究結果基本相同。鄺辰[8]研究環境風對正庚烷池火燃燒速率的影響,發現不同直徑油池火質量損失速率轉折點存在差異。Tang等[9]開展丙酮池火實驗,表明燃燒速率隨風速增長呈現“增加-減小-增加”的變化趨勢。然而,液態燃料種類繁多,不同類別液態燃料的理化性質相差較大,現有相關研究對象多為低閃點、易揮發的甲醇等單質燃料和汽油等輕油,而變壓器油等高閃點、多組分的液體可燃物與單質燃料和輕油相比,組成成分復雜,火災發展規律存在差異。因此,環境風作用下高閃點液體可燃物的燃燒特性仍需進一步探討。

因此,本文研究環境風對變壓器油燃燒特性的影響,研究結果可豐富和完善變壓器油燃燒基礎數據,對室外環境下變壓器火災防控提供一定參考。

1 實驗方法

本文實驗裝置系統示意如圖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 ℃。油池內布置10根油溫熱電偶,距油池底部高度間隔為1 cm,其中,距油池底部1～5 cm處熱電偶為油溫熱電偶,其余為池內火焰熱電偶。貼壁熱電偶分別布置在上風側、中側和下風側外壁面,距油池底部3 cm。采用高精度電子天平實時記錄油品質量變化,天平量程為0～60 kg,精度為0.01 g。利用攝像機采集火焰圖像,幀率為30 fps,放置于油池火實驗臺正前方5 m處。2組熱流計分別布置在距離油池中心3倍直徑(3D)和5倍直徑(5D)處,垂直于環境風方向。

實驗選用內徑為20,30,40 cm的鋼制圓形油池,側壁高10 cm,燃料為昆侖25號(KL25X)變壓器油。實驗開始前,啟動風機并調節至實驗風速,檢查實驗測量設備。待風速穩定后,向油池內注入變壓器油,加入10 mL正庚烷作為引燃劑。靜置片刻后,使用電火花點火器引燃油池,開始實驗并記錄實驗數據。實驗工況如表1所示。

表1 實驗工況Table 1 Experimental conditions

2 結果與討論

2.1 火焰結構

變壓器油池火受浮力與環境風耦合作用,火焰結構發生改變[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構隨風速改變發生變化,油池火焰前端在環境風速較大時均出現火焰斷裂脫離現象,且小尺度油池更為明顯;對于直徑20 cm油池火,火焰傾斜角度與風速呈正相關,當風速達到3.5 m/s時,火焰在強風流干預下以破碎火焰向下風側分散,且燃燒強度明顯減弱;對于直徑30 cm油池火,隨著環境風速的增大,火焰傾斜角度逐漸加劇,當風速達到3.5 m/s時,出現火焰前端分離現象,但火焰強度有明顯增強;對于直徑40 cm油池火,當風速達到2.0 m/s時,火焰強度在環境風作用下出現減弱趨勢,隨后火焰強度明顯增強,整個燃燒過程,火焰形態較為完整,未出現火焰破碎和明顯的火焰分離現象。

2.2 質量損失速率

質量損失速率是表征油池火燃燒速率的重要參數。圖3所示為直徑20,30,40 cm油池火質量損失速率與環境風速之間的關系。圖3表明,在環境風作用下,池火質量損失速率出現3類轉折點(A,B,C類):當環境風速相對較小時,風流會增加氧氣供應,在轉折點A之前質量損失速率增加,隨著環境風速增大,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主要地位,另外,王明武等[11]和Hu等[12]的研究表明質量損失速率會因輻射熱反饋削弱而減小;轉折點B之后,油池火主控因素變為熱對流,在一定風速范圍內,對流換熱系數隨環境風速增大而增大,熱對流增強,在轉折點B與轉折點C之間池火質量損失速率持續增加;然而,當環境風速增大至超過某臨界風速時(轉折點C),出現火焰前端脫離現象,火焰脫離長度隨環境風速的增加而增大,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速與質量損失速率之間關系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類轉折點的本質是油池火浮力作用和環境風強迫對流相互競爭的結果,兩者之間的競爭機制可由弗勞德數(Fr)進行表征,如式(1)所示:

(1)

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

圖4所示為各類轉折點無量綱模型的預測值與實驗值對比情況,圖4中曲線斜率即為不同情況下的弗勞德數。表2所示為不同直徑變壓器油池火在上述3類轉折點處對應的弗勞德數。由圖4可知,轉折點A和B對應的臨界風速與浮力誘導速度具有相關性,說明油池火浮力與環境風動量存在競爭機制。不同直徑油池火燃燒速率同類轉折點對應的弗勞德數大致相等。由于實驗風速的限制,直徑30,40 cm油池火并未出現轉折點C,預測其轉折點C的風速分別約為3.7,4.2 m/s。

表2 不同直徑變壓器油池火3類轉折點處對應的弗勞德數Table 2 Froude number corresponding to three types of turning points

圖4 燃燒速率轉折點無量綱模型的預測值與實驗值對比情況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[13]。油池熱量來源為燃料吸收輻射的熱量、對流的熱量和側壁向燃料的傳導熱量[14]。圖5所示為直徑40 cm油池火燃油溫度隨時間的變化(風速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,油池引燃后溫度迅速響應,溫度從30 ℃上升至330 ℃,達到變壓器油沸點,燃油溫度在一段時間內保持穩定,約228 s后油溫再次上升,最后穩定在約400 ℃,這表明在右面上方形成燃料蒸汽區。2 100 s后,溫度迅速上升至約800 ℃,此時燃料已經耗盡,熱電偶處于火焰區域。隨著燃燒的進行,燃料高度逐漸下降,距油池底部高度1～4 cm處溫度均先后呈現出5 cm處溫度的變化趨勢,依次經歷溫度梯度層、沸騰層和蒸汽層,液態燃料燃盡時,熱電偶進入火焰區域,最后火焰熄滅。

圖6所示為直徑30 cm油池火在不同環境風速下溫度變化曲線。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外,一部分熱量通過對流傳熱效應向油池深處傳遞,使油溫出現分層現象,呈現出自燃料表面向下依次降低的趨勢。油池內燃料層根據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,約330 ℃。根據圖6距油池底部4 cm處熱電偶溫度數值計算沸騰層厚度。取實驗點火后約900 s的實驗數據進行分析,統計不同環境風速下各油池直徑的沸騰層厚度計算結果,如表3所示。由表3可知,對于相同直徑的變壓器油池火,在環境風作用下,不同直徑油池火沸騰層厚度均有增,即沸騰層厚度與環境風速相關性較為顯著;在油池直徑為20,30,40 cm時,風速3.5 m/s時沸騰層厚度相比于無風(風速0)時的增長率分別約為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,隨著風速的變化,燃燒速率增大,燃料從外界吸收的熱量增加,進而促進沸騰層厚度增大。同時,表3數據還表明,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性,這是由環境風和油池尺度共同作用引起的。文獻[15-16]表明沸騰層厚度變化會受壁面傳熱量的影響,但該影響會隨油池尺度的增加而減弱。本文實驗所使用的油池尺度相對較大,并且環境風會對壁面產生冷卻作用,油池直徑越小,冷卻效果越強,在二者耦合作用下,沸騰層厚度與油池直徑相關性不顯著。

表3 距油池底部4 cm處,不同環境風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時不同風速下溫度變化曲線Fig.6 Change curves of temperature under different wind speeds with oil pool diameter of 30 cm

3 結論

1)變壓器油池火火焰結構隨風速改變發生變化。當環境風速較大時,火焰會出現斷裂脫離現象。

2)在環境風作用下,油池火具有3類較為明顯的轉折點,并且臨界風速與浮力誘導速度之間存在線性關系。

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 ℃。沸騰層厚度與環境風速相關性顯著,與油池直徑相關性不顯著。