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高壓細水霧系統(tǒng)在電力工程中的應(yīng)用探究工學論文
摘 要：簡述了細水霧系統(tǒng)的發(fā)展歷程及其對水噴淋系統(tǒng)的技術(shù)突破點，以我國(天消所及南京消防器材廠等)研制的氣水銅管高壓、中壓兩相流預(yù)安裝細水霧系統(tǒng)實體滅火實驗為依據(jù)，闡述了該系統(tǒng)的成霧原理、滅火機理、滅火效能、工程應(yīng)用范圍及其與氣體滅火系統(tǒng)和水噴霧滅火系統(tǒng)的工程造價比，確定了該系統(tǒng)替代鹵代烷和二氧化碳系統(tǒng)的可能性，展示了該系統(tǒng)遠大的工程應(yīng)用前景。同時,根據(jù)該系統(tǒng)在我國國內(nèi)發(fā)展的現(xiàn)狀,提出現(xiàn)階段及今后的應(yīng)用構(gòu)想。
關(guān)鍵詞：細水霧；變壓器；滅火系統(tǒng)
1 水霧霧徑的分級標準、細水霧系統(tǒng)的分類和細水霧成霧原理
1.1 水霧霧徑的分級標準
①Ⅰ級水霧(國內(nèi)稱為超細水霧)，DV0.1=100微米, DV0.9=200微米,這是最細的水霧,適用于撲滅B類易燃液體及電氣等火災(zāi)。②Ⅱ級細水霧(國內(nèi)稱為細水霧)，DV0.1=200微米, DV0.9=400微米,由于霧滴尺寸稍大,霧流動能大,較易到達燃燒面,因此,適用于撲滅B類易燃液體火災(zāi)、A類固體可燃物及電氣等火災(zāi)。③Ⅲ級細水霧(國內(nèi)稱為普通水霧,即一般的水噴霧)，DV0.1＞400微米, DV0.9≤1000微米,霧滴大,因此,適用于撲滅A類固體可燃物、電氣及B類易燃液體等火災(zāi)。
研究證明,霧滴尺寸并不能評判水霧的滅火能力。火災(zāi)能否撲滅,取決于燃料的性質(zhì),封閉空間效應(yīng),水霧強度及水霧速度(動能)等多種因素.對給定的保護對象而言,水霧霧滴尺寸不是評判水霧滅火能力和適用性的唯一依據(jù),還與水霧相對于火羽流的噴射方向,水霧強度和噴射速度有關(guān)。撲滅B類易燃液體火災(zāi)的有效霧滴尺寸應(yīng)＜400微米,而較大尺寸的霧滴則更適用于撲滅A類固體可燃物。
1.2 細水霧系統(tǒng)的分類
細水霧系統(tǒng)經(jīng)過了從船用到陸用的變化，加之目前國際上尚無統(tǒng)一的產(chǎn)品標準可依，因此該系統(tǒng)種類繁多,一般可按系統(tǒng)工作壓力、流相、應(yīng)用方式、工作方式、安裝方式和動力來源大致劃分為六大類十六種系統(tǒng)。
細水霧系統(tǒng)按工作壓力分為低壓（﹤1.21Mpa）、中壓（1.21～3。45Mpa）、高壓（﹥3。45Mpa）系統(tǒng)；按系統(tǒng)的流相分為水單相流系統(tǒng)和氣水雙相流系統(tǒng)；按系統(tǒng)的應(yīng)用方式可分為全淹沒系統(tǒng)和局部應(yīng)用系統(tǒng)；按系統(tǒng)的工作方式可分為雨淋系統(tǒng)、濕式系統(tǒng)、預(yù)作用系統(tǒng)和干式系統(tǒng)；按系統(tǒng)安裝方式可分為單元獨立系統(tǒng)和組合分配系統(tǒng)；另外，根據(jù)動力來源又可分為氣動式和泵式系統(tǒng)…現(xiàn)在國內(nèi)企業(yè)開發(fā)的主要是氣水同管高、中、低壓兩相流預(yù)作用細水霧系統(tǒng)，本文以下均指此類系統(tǒng)。
1.3 細水霧成霧原理
噴嘴是將水流進行霧化并實施噴霧滅火的重要部件，是整個細水霧系統(tǒng)唯一的高技術(shù)產(chǎn)品，也是細水霧系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。國內(nèi)各廠家的噴嘴外形各不相同，但成霧原理卻大同小異，現(xiàn)以天消所1MC6MB-1.4型高壓噴嘴為例，說明噴嘴的構(gòu)成：一般來講，噴嘴大致由進氣口、進水口、噴頭體、濾網(wǎng)、氣水混合室、彈簧、噴嘴芯和噴嘴孔等八個零件構(gòu)成。一定壓力的水——氮氣兩相流通過濾網(wǎng)進入噴嘴后，在壓力的作用下沿彈簧、噴嘴和噴嘴芯圍成的螺旋空間高速旋轉(zhuǎn)運動，氣水兩相流達到噴嘴小孔后水被完全擊碎，沿噴嘴出口錐面射出，形成極微小的霧滴。
2 細水霧系統(tǒng)的構(gòu)成和細水霧系統(tǒng)滅火機理
以氣水同管高壓兩相流預(yù)作用細水霧系統(tǒng)為例（中、低壓系統(tǒng)與其類似），系統(tǒng)由氮氣瓶、儲水瓶組、控制閥、瓶架、管道、噴嘴、報警控制器和探測器構(gòu)成，各部件功能及主要參數(shù)見表1。
2 細水霧系統(tǒng)滅火機理
（1）高效吸熱。
由于細水霧的粒徑在40～200μm范圍內(nèi)，比表面積較一般水滴大1700倍，在火場中能完全蒸發(fā)。按100℃水的蒸發(fā)潛熱為2257kJ/kg計，每只噴嘴噴出的水霧吸熱功率約為300kW，可見其吸熱效率之高、冷卻效果之強。
�。�2）窒息。
細水霧噴入火場后，迅速蒸發(fā)形成蒸汽，體積急劇膨脹，排除空氣，在燃燒物周圍的形成一道屏障阻擋新鮮空氣的吸入。當燃燒物周圍的氧氣濃度降低到一定水平時，火焰將被窒息、熄滅。
�。�3）阻隔輻射熱。
細水霧噴入火場后，蒸發(fā)形成的蒸汽迅速將燃燒物、火焰和煙羽籠罩，對火焰的輻射熱具有極佳的阻隔能力，能夠有效抑制輻射熱引燃周圍其它物品，達到防止火災(zāi)蔓延的效果。
3 細水霧系統(tǒng)適用范圍、應(yīng)用場所及工程造價
細水霧系統(tǒng)的適用范圍是由細水霧的霧滴直徑及滅火機理決定的。傳統(tǒng)的水噴淋系統(tǒng)必須使水滴具備足夠的初始沖量，克服上升熱氣流和煙羽區(qū)的上升浮力，并迅速穿過，盡量降低蒸發(fā)損失，將足夠數(shù)量的水送達燃燒物體表面，經(jīng)流淌、浸潤和滲透，使燃燒物體表面冷卻，逐漸減少可燃物汽化速率和汽化量，達到滅火目的。因此，水噴淋系統(tǒng)主要用來撲滅一般固體火災(zāi)，很難撲滅可燃液體火災(zāi)，而且由于其水滴不能過小，在空中極易連續(xù)，所以也不能用來撲滅電氣火災(zāi)。細水霧系統(tǒng)雖然可視為水噴淋系統(tǒng)的拓展，但二者在滅火機理上卻大相徑庭。細水霧系統(tǒng)是通過冷卻上升熱氣流和煙羽區(qū)、驅(qū)逐燃燒物周圍的氧氣、隔絕輻射傳導(dǎo)進行滅火。因此，不論燃燒表面是固態(tài)還是液態(tài)甚至氣態(tài)均能有效滅火。
細水霧系統(tǒng)在備用狀態(tài)時儲水瓶為常壓，克服了氣體系統(tǒng)難以解決的泄露問題，工程應(yīng)用十分便捷，日常維護工作量和費用較氣體系統(tǒng)大大降低。另外，ABB Strǒmberg Research Centre進行的帶電噴放細水霧試驗表明，細水霧具有良好的電絕緣性能�？梢�，該系統(tǒng)的適用范圍非常廣泛，一般包括：A類火災(zāi)中一般固體物質(zhì)表面的火災(zāi)、B類火災(zāi)、C類火災(zāi)和電氣火災(zāi)。
我國規(guī)范規(guī)定，變壓器室和高低壓電氣設(shè)備間多采用鹵代烷1211、1301或CO2全淹沒系統(tǒng)進行保護。幾乎每座建筑都有這兩種場所，因此在這兩種場所中鹵代烷或CO2的使用量相當可觀，也是哈龍?zhí)娲闹攸c。一般這兩種場所的容積較�。�200～500m3）、封閉性較好，除變壓器和電氣柜外無其它可燃物品，非常適合細水霧系統(tǒng)的使用。根據(jù)資料，以一臺1000KVA室內(nèi)變壓器（外型尺寸2230′1595′2610mm，油重1485Kg，變壓器室7′7′5.1m）為例，分別采用鹵代烷1211、1301、高壓CO2、水噴霧和細水霧系統(tǒng)保護，滅火劑用量及工程造價對比情況見表2（不計入報警系統(tǒng)）。
4 民用變壓器典型實體滅火實驗（引自天消所消防鑒定用滅火試驗）
4.1 實驗條件與控制
被保護對象為民用315KVA油浸式電力變壓器，放置在燃燒實驗室（7′7′3.5m）中央，底部放置1.8′1.0′0.15m鋼制油盤，模擬集油坑。在變壓器儲油箱內(nèi)放入清水，水面距箱頂15cm，再到入30L柴油。在器外表面、散熱片及油枕外表面均勻潑灑9L變壓器油，進行實體燃燒滅火實驗。滅火系統(tǒng)為WMU150型細水霧系統(tǒng)，儲水量3′50L，氮氣壓力1.5MPa。噴嘴布置在距地面3.5m高的頂棚下，水平間距為2.2′2.2m。噴嘴為1MC6MB-1.4 型，共4只。
實驗采用浸潤100ml汽油棉紗團4個，分別放置在變壓器底部四個對角處，預(yù)燃108s，頂棚最高溫度已達195℃。系統(tǒng)啟動開始噴霧時，頂棚溫度升至220℃，然后迅速下降，經(jīng)25s達到平均100℃，輻射熱下降56%，此時已無火焰。再經(jīng)20s頂棚溫度降至60℃，輻射熱下降30%。為防止復(fù)燃，連續(xù)噴放水霧10min。滅火后，器體內(nèi)油未燃燒，器表潑灑的油損耗約30%，變壓器和油盤無損壞和變形。
4.2 實驗結(jié)果分析
（1）細水霧進入火場后迅速吸收熱量降低被保護對象及環(huán)境溫度。產(chǎn)生的大量蒸汽能夠阻擋物質(zhì)燃燒對新鮮空氣的吸入，切斷氧氣補充，窒息火焰。而且阻隔輻射熱的能力十分顯著。（2）系統(tǒng)滅火用水量極小，在相同的滅火時間內(nèi)僅相當于水噴淋系統(tǒng)用水量的5%。（3）細水霧具有良好的電絕緣性,對撲滅電氣火災(zāi)十分安全。
4.3 實驗結(jié)論
�。�1）氣-液同管兩相流高壓細水霧系統(tǒng)可保護250m3的封閉空間。實測細水霧霧滴平均直徑在40~150μm范圍。（2）該系統(tǒng)以水為滅火劑，能夠迅速有效地撲滅柴油、變壓器油、汽油等B類火災(zāi)。（3）該系統(tǒng)可作為鹵代烷替代系統(tǒng)，其經(jīng)濟性能比優(yōu)于鹵代烷系統(tǒng)和CO2系統(tǒng)。（4）該系統(tǒng)比較適用于室內(nèi)油浸式電力變壓器的保護。（5）該系統(tǒng)滅火后造成的水漬損失極小，對人體、保護對象及環(huán)境無任何損害與污染。
5 展望
總的來說,沒有可供設(shè)計和驗收的統(tǒng)一的標準是現(xiàn)階段細水霧滅火系統(tǒng)應(yīng)用的最大困難。從環(huán)保及經(jīng)濟角度來看,細水霧系統(tǒng)絕對優(yōu)于鹵代烷和二氧化碳系統(tǒng)，必將成為二者最好的替代品。由于電力工業(yè)用細水霧系統(tǒng)產(chǎn)品尚處于實驗到應(yīng)用的初期過渡階段,該產(chǎn)品的試用對業(yè)主,設(shè)計及消防驗收部門均存在一定的風險問題。為此，我個人提出自己的看法：根據(jù)消防的原始定義即保護國家和人民的生命財產(chǎn)安全，電力行業(yè)火災(zāi)基本不涉及人員生命安全問題，國家財產(chǎn)則由廠家提供產(chǎn)品保險：變壓器起火后，細水霧系統(tǒng)不能有效滅火則賠償業(yè)主滅火系統(tǒng)及起火變壓器相應(yīng)費用，在業(yè)主同意的條件下,采用專家鑒定會的形式，按現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù),集體研究討論確定設(shè)計驗收參數(shù),按新產(chǎn)品試行方式進行特殊試點應(yīng)用。在法律允許及征得業(yè)主同意的情況下，我個人認為只要仿真實驗結(jié)果圓滿，設(shè)計驗收應(yīng)用參數(shù)充分，近期就能在工程中進行應(yīng)用。如果為了保險起見，只有待該產(chǎn)品應(yīng)用成熟，國家出臺相關(guān)標準后再行應(yīng)用。
長遠來看，由于現(xiàn)在的細水霧滅火系統(tǒng)為氣動式系統(tǒng)，采用高壓N2氣瓶為系統(tǒng)動力源，存在動力源失效的隱患，為保證系統(tǒng)的高可靠性，建議制造廠家研究泵式系統(tǒng)，滅火劑隨用隨加，動力采用穩(wěn)壓低流量高揚程水泵，充分滿足系統(tǒng)滅火用量。如能近期實現(xiàn)這一目標，必將為細水霧系統(tǒng)的應(yīng)用掃除產(chǎn)品本身的一切缺陷，為產(chǎn)品的推廣提供廣大的空間。
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