气云爆炸条件下消防炮的抗爆性能研究.pdf

:./.气云爆炸条件下消防炮的抗爆性能研究张佳庆 黄玉彪 陈 清 王永旭 李 斌国网安徽省电力有限公司电力科学研究院电力火灾与安全防护安徽省重点实验室(安徽合肥)南京理工大学化学与化工学院(江苏南京)摘 要 以换流变压器站变压器燃爆防控及消防应用为背景针对变压器在失控条件下可能发生的燃爆事故通过设计模拟试验完成变压器燃爆事故的模拟 进而对现有消防设备消防炮的功能可靠性和抗爆性能进行验证 结果发现在高温、高压的气云爆炸火球范围内消防炮的抗爆性能无法满足实际需要在变压器爆炸后存在功能损失的情况 发现了消防炮自身的抗爆薄弱环节提出了消防炮抗爆设计及安装改进建议 可为换流变压器站的抗爆型消防炮设计提供基础数据参考关键词 特高压输电气云爆炸消防炮抗爆性能分类号 ()().引言特高压输电是世界上最先进的输电技术由于输送容量大、送电距离长、线路损耗低、占用土地少被誉为电力高速公路 在输电线路的建设过程中需要考虑经济输送距离完成输电站总体布局统筹解决电力资源与负荷中心分布的不均匀性问题在输电线路变电站的建设过程中油浸变压器是最常见、选用最多的电力变压器 油浸变压器使用变压器油作为绝缘和冷却介质 变压器油是由不同分子量的碳氢化合物组成的混合物 在变压器的运行中在高温、电场和电弧作用下这些化合物中的、键发生断裂会产生氢气和甲烷、乙烷、乙烯、乙炔之类的烃类气体同时固体绝缘分解也会产生一氧化碳 在正常情况下即使变压器内部这种可燃气体含量较高也不会引起燃烧 但在故障电弧的作用下变压器油分解变压器内部可燃气体剧增压力瞬间增大导致器身结构破坏从而变压器油、可燃气体等混合物喷出引发器身内残第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:基金项目:国网安徽省电力有限公司科技项目()第一作者:张佳庆()男博士教授级高级工程师主要从事电气设备火灾防控研究:.通信作者:李斌()男博士副研究员主要从事多相流、云雾爆轰的研究:.留的变压器油继续分解和爆燃 当泄露的热解产物混合气体与空气混合后点燃可能会发生更严重的二次爆炸对人员和设备造成危险给社会经济带来严重损失为避免这一类事故的发生在变电站的设计施工中本质安全设计和安全措施方面的考虑尤为重要 在此基础上一旦事故发生将事故控制在一定范围内减少事故带来的损失和防止事故扩大化也是一项重要课题 消防炮是远距离扑救火灾的重要消防设备主要用来扑救石油化工企业、飞机库、邮轮、油码头、海上钻井平台和储油平台等可燃易燃液体集中、火灾危险性大、消防人员不易接近的场所的火灾 针对变压器油气云爆炸事故重点开展消防炮在变压器油气云爆炸作用下的响应情况研究能够为指导此类工况下消防炮的设计改造、提供新型的变压器油爆炸消防措施奠定基础 变压器油气云爆炸模拟试验.变压器油气云爆炸试验装置设计基于已有的变压器爆炸事故数据在静爆载荷作用下变压器内的绝缘油会喷射而出喷射过程伴随火光出现喷射形成的云雾最大扩散距离为.在此条件下利用气云爆炸方法设计相关容器并模拟变压器内部的爆炸过程结合已有气云爆炸模拟试验的经验设计模拟试验装置如图 所示 雷管 中心装药 绝缘油图 试验装置.试验场地为南京理工大学静爆试验场 试验前将地面平整压实将模拟试验装置放置在离地悬空.处 起爆药装填至模拟试验装置中心利用雷管引爆中心装药使得油料抛撒成云雾 云雾在抛撒过程中边分散、边燃爆实现变压器装置失控爆炸的全过程模拟.典型变压器油气云爆炸过程利用设计的变压器油抛撒装置通过系统试验确定变压器油气云爆炸的设计参数 具体试验工况如表 所示表 试验工况参数.工況试验油量/中心装药质量/考虑到实际变压器油的喷射距离为.和云雾边缘的燃爆超压约为 这 个参数指标变压器试验油量选择在 时能够实现需要的变压器油的喷射半径根据试验需求采用高速摄像机、红外热成像仪和超压测试系统分别捕捉变压器油气云爆炸全过程、温度场数据和超压场数据 高速摄像系统为日本 公司的 型高速摄像机拍摄速率为 红外热成像仪为美国 公司的 防爆型拍摄速率为 记录温度范围为 超压测试系统为美国 公司的 系列传感器和瑞士 公司的数据采集系统采集频率 通过系统模拟试验获得合适的变压器油抛撒效果 典型的变压器油抛撒和燃爆过程图像如图 所示 研究发现当变压器油的试验油量为 及以图 变压器油典型爆炸过程.爆 破 器 材 第 卷第 期上时油料抛撒及燃爆半径均在.左右符合变压器燃爆模拟试验的需求 距爆源不同位置处的压力如表 所示表 变压器油气云爆炸压力分布.工況距离/.从变压器油抛撒半径和实测压力可以看出变压器油气云爆炸过程中距爆源 均能够实现超压从 的覆盖范围在此范围内能对人员和设备造成不同程度的伤害 对比已有变压器油气云爆炸事故数据可知利用自行设计的变压器油抛撒装置能够较好地模拟变压器油爆炸的实际情况 消防炮抗气云爆炸性能试验.消防炮抗爆性能试验设计基于建立的典型变压器油气云爆炸模拟试验方法结合外场中变压器油气云爆炸的实际过程以市场上通用的消防炮为模型开展消防炮抗爆性能试验研究评估消防炮抗爆效果并提出改进建议在试验装置一侧互成 的 条线布置地面传感器分别距装置、与地面平齐 消防炮系统放置于距爆心 的压力测点处 试验时将高速摄像机、超压测试系统、红外热成像仪放置在安全距离处对样品进行拍摄并获得冲击波压力和温度场数据 每次试验结束后对消防炮进行功能性验证主要验证遥控控制与水流喷射是否正常.试验结果分析.消防炮抗气云爆炸过程以消防炮为研究对象高速摄像机记录的气云爆炸过程如图 所示 从图 可以看出变压器油的燃爆对消防炮的作用是一个瞬时过程 时发生爆燃的绝缘油云雾便完全包裹住消防炮及附属部件 随后中心火焰向四周迅速扩散 时火焰处于最旺盛的阶段会对消防炮造成巨大破坏 此时消防炮图 气云爆炸过程高速摄像记录.的抗爆能力主要依靠消防炮的机械强度 随后消防炮持续受到云雾燃爆火焰的高温作用高温可持续 此时温度场的持续作用会影响消防炮的耐久性.爆炸状态场测试结果)冲击波超压场 气云爆炸的冲击波超压见表 表 气云爆炸的冲击波超压.距离/冲击波超压/.可以看出消防炮系统的迎爆面冲击波超压约为 压力随着爆心距的增大而先增大、后减小 距离爆心 处的冲击波超压比较小这是因为该测点处于云雾中心区域空气含量相对较少发生爆燃后的燃烧不充分 压力最大值出现在.处在此距离内云雾燃爆会对消防炮造成较大的破坏)温度场 气云爆炸过程中消防炮炮头和电 年 月 气云爆炸条件下消防炮的抗爆性能研究 张佳庆等 机处的温度见图 图 消防炮周边气云爆炸温度曲线.从图 可以看出:常规型消防炮炮头处的最高温度为.电机处最高温度为.温度持续时间均超过 .气云爆炸前后消防炮状态分析试验前、后消防炮及关键部件的照片对比如图 所示图 消防炮气云爆炸前、后对比照片.通过系统检查和分析发现由于消防炮线缆未做金属铠装防爆设计仅用耐高温管道进行包裹在压力和高温的耦合作用下线缆出现破损情况在发生燃爆事故时极易出现通讯失效和控制失灵的情况 经过功能性测试发现目前消防炮的远程控制功能和喷水功能正常但由于线缆破损和控制机构受强振动冲击存在失能风险 由于炮头以及电机裸露程度较大更易受燃爆过程的压力载荷作用在高温的作用下出现了电机损坏的情况此时消防炮将彻底无法使用.基于消防炮抗爆试验结果的消防炮防爆措施根据气云爆炸条件下消防炮抗爆性能研究结果结合文献调研工作提出消防炮防护要求和结构设计及安装的改进措施如下:)为保证发生燃爆事故时可以起到灭火作用消防炮应安装在距爆心 以上的位置)消防炮需要固定在地面或其他固定物上除需用膨胀螺栓固定外还需对连接处进行加固处理使消防炮更加牢固)为满足燃爆事故发生时通讯及控制正常需要对消防炮的连接线缆进行加固处理以防受到冲击后插头脱落 如焊接、注胶等加固措施)在发生燃爆事故时消防炮上负责控制转向的电机存在失效的可能需设计保护装置进行保护降低冲击波对消防炮的破坏作用)消防炮的连接线缆绑扎成束且固定牢靠线缆除了进行耐高温处理外还需进行金属铠装保护设计以确保在发生燃爆事故时不会出现断裂、短路的情况 结论围绕特高压输电站变压器安全问题开展了气云爆炸条件下消防炮抗爆性能研究得到结论如下:)自行设计了变压器油气云爆炸试验装置并完成了试验效果验证能够较好地模拟真实变压器爆炸相关参数)针对消防领域常用的消防炮开展了抗气云爆炸试验通过冲击波压力、热威力及样品状态对比分析发现现有消防炮在气云爆炸条件下损伤明显最薄弱环节在线缆处安装方式同样需要改进)基于试验研究结果提出了消防炮防爆措施用于指导未来抗爆型消防炮的研制参 考 文 献 刘振亚.中国电力与能源.北京:中国电力出版社.:.刘建勇.特高压直流换流站火灾预防与监测方法.爆 破 器 材 第 卷第 期消防技术与产品信息():.黄孟超 杨建国.浅议变压器火灾探测及灭火技术.科技展望 ():.陈现涛 郭建生 凤四海 等.泡沫枪管径对泡沫发泡性能影响的试验研究.消防科学与技术 ():.():.侯晓静.消防泡沫(水)炮射程影响因素分析对比研究.安全、健康和环境 ():.().():.石荣.基于 技术的远射程消防水炮性能优化.镇江:江苏大学.:.:./:./.:.何超 栗宝华 施长军 等.圆台形 装置抛撒初期燃料运动特性研究.爆破器材 ():.():.尤祖明 王永旭 张莹 等.燃料燃爆特性及无约束爆炸状态场参数试验研究.爆破器材():.():.陈宝辉 李波 吴传平 等.特高压变压器消防能力提升设计方案及分析.消防科学与技术():.():.高振锡 张凡 高迪 等.特高压直流换流变压器灭火方案探讨.消防科学与技术 ():.():.谢永涛 袁浩 李同晗 等.特高压换流站消防能力提升措施研究.高压电器 ():.():.年 月 气云爆炸条件下消防炮的抗爆性能研究 张佳庆等