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目前，我国在建和运行的变电站中，油浸式主变压器的应用是最普遍的。根据统计，主变压器着火主要是由短路、故障导致的局部过热、电火花、电弧等引起的[1]，由于变压器内充装了大量的具有绝缘和散热双重作用的可燃变压器油，而变压器油在温度过高时极易分解为氢、甲烷和乙炔[2]，分解产生的这些气体使得变压器内部压力快速升高，导致套管和焊缝等薄弱位置爆裂，从而引发大火。因此，主变压器灭火系统需具备快速冷却、窒息的特点，现阶段主变压器常用的消防灭火方式主要有水喷雾灭火、合成泡沫喷雾灭火及排油注氮灭火三种方式。合成泡沫喷雾灭火由于其适用于扑灭热油流淌的火灾、对环境无毒害、系统管路简单、前期投资少等特点越来越受到重视，在缺水地区的变电站得到大量采用，在不缺水地区的变电站得到试点推广。但由于目前合成泡沫喷雾系统的设计与计算可依据的规范及可参考的资料较少，还没有形成系统、清晰的设计计算过程，因此，笔者结合工程实例，提出自己的设计、计算观点，使得合成泡沫喷雾灭火系统的设计、计算更加规范、合理。
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合成泡沫喷雾灭火系统主要由泡沫储液罐、合成泡沫灭火剂、启动源、氮气动力源、控制阀、控制盘、水雾喷头及管网等组成，详见图1。其中，合成泡沫灭火剂为以表面活性剂和适量的添加剂为基料制成的泡沫灭火剂；启动源由启动瓶组和电磁阀组成，平时储存高压气体，工作时能通过自动、手动和机械应急操作方式释放气体，用以打开动力源；氮气动力源由储压气瓶和减压阀组成，平时储存一定容积的高压气体，工作时向储液罐输送设计工作压力范围的增压气体，以推动泡沫液通过管网经喷头喷入火场。
图 1 合成泡沫喷雾灭火系统图
Figure 1. Diagram of Synthetic Foam Spray System
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当主变区域出现火险时，火灾探测器向报警控制器发出火灾信号，报警控制器立即发出声、光警报，在接收到温感、烟感两组火灾探测器的火灾信号后，报警控制器发出联动指令，启动疏散报警，经过0～30 s延时后打开相应的分区阀和启动源电磁阀，启动源释放出的启动气体打开动力源的容器阀。动力源储存的高压气体随即通过减压阀，进入储液罐中，推动泡沫灭火剂通过分区阀、管网和水雾喷头喷向着火主变。
合成泡沫喷雾灭火系统除能实现自动探测火灾并自动释放泡沫灭火剂实施灭火的自动控制外，还能手动控制及机械应急手动操作。当主变压器发生火灾时，现场管理人员手动按下启动按钮即可按上述规定流程释放泡沫灭火剂，实施灭火。当自动控制和手动控制均无法执行时，可由现场管理人员使用专用扳手先打开相应的分区阀，再拔掉对应启动源电磁阀上的保险卡环，然后按下电磁阀的铜按钮，实现灭火剂的释放[3]。合成泡沫喷雾灭火系统工作原理详见图2。
图 2 系统工作原理图
Figure 2. Principle Diagram of Action
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广东某地电压等级为220 kV的变电站，内设4台容量为180 MVA的主变压器，室外布置，变压器外形尺寸长、宽、高分别为9 m、6 m、4 m，主变油枕直径1.3 m、长3.3 m，主变油坑长14 m、宽9 m。根据《火力发电厂与变电站设计防火规范》(GB 50229—2006)，本站主变容量大于125 MVA，应设置水喷雾灭火系统、合成型泡沫喷雾系统或其他固定式灭火装置，且同一时间火灾次数按一次考虑。因此，本站主变消防拟设计1套合成泡沫喷雾灭火系统，采用组合分配方式同时保护4台主变。
主变压器合成泡沫喷雾灭火系统设计依据包括：《泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151—2010)、《合成型泡沫喷雾灭火系统应用技术规程》(CECS 156—2004)、《泡沫喷雾灭火装置》(GA 843—2009)、《水喷雾灭火系统设计规范》(GB 50219—2014)、《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084—2001)、《Standard for Water Spray Fixed Systems for Fire Protection》(NFPA 15—2007)及设备厂家提供的资料。
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扑灭一次火灾所需合成泡沫灭火剂的设计用量按计算式(1)计算：
((1)) 式中：M为扑灭一次火灾所需合成泡沫灭火剂的设计用量，L；S为保护面积，m2；W为合成泡沫灭火剂的供给强度，L/(min·m2)；T为合成泡沫灭火剂连续供给时间，min。
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《泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151—2010)第7.4.2条第1款规定：当保护油浸电力变压器时，系统保护面积应按变压器油箱本体水平投影且四周外延1 m确定。
根据笔者在实际工程设计当中遇到的情况，设计人员对于变压器油箱本体包不包含散热器存在争议。由于变压器形状不规则且表面凹凸不平，若油箱本体按照不包含主变散热器考虑，则系统设计流量较小，变压器表面的凸出构件有可能影响泡沫流淌覆盖，造成灭火失败。因此，本文参照《水喷雾灭火系统技术规范》(GB 50219—2014)及美国NFPA 15中水喷雾灭火系统对变压器整个外表面全防护的要求，变压器油箱本体按包含散热器考虑。
本文变压器设有带卵石层的油坑，根据《水喷雾灭火系统技术规范》(GB 50219—2014)，水喷雾灭火系统的保护面积除了包含整个外表面还包含主变油坑，但美国NFPA 15中规定的变压器的保护面积并没有考虑带卵石层的油坑。由于变压器排油时所涉及的周围地面通常为变压器底部向四周延长1 m后的范围[4]，因此，本文系统保护面积根据《泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151—2010)第7.4.2条第1款规定，按照主变本体(含散热器)水平投影且四周外延1 m考虑，即S＝11×8＝ 88 m2。
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根据《泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151—2010)第7.4.2条，供给强度W取8 L/(min·m2)；连续供给时间T取15 min。计算得合成泡沫灭火剂的设计用量M＝88×8×15＝10 560 L。
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泡沫喷雾灭火原理是利用体积小、表面被液体包围的气泡群在着火物体表面形成一个泡沫覆盖的漂浮层。泡沫具有一定的黏度，可以随可燃液体流淌也可以粘附于可燃固体的表面，借助泡沫的冷却、窒息、乳化、隔离等综合作用实现迅速灭火。由于泡沫喷雾具有粘性和流动的特点，泡沫喷雾喷头不需完全包络主变，根据相关厂家经验，只需在主变上方布置一排喷头即可。
根据《泡沫喷雾灭火装置》(GA 843—2009)第5.4条，泡沫喷雾灭火系统喷头采用水雾喷头，根据水雾喷头的喷射曲线及布置原则进行本系统喷头布置，详见图3。图中所示，主变本体共布置12只喷头保护，单个喷头保护面积为7.3 m2，喷头距离主变本体约1.2 m，喷头间距1.5 m；油枕上方布置3只喷头保护。喷头布置满足《合成型泡沫喷雾灭火系统应用技术规程》(CECS 156—2004)表3.2.1中规定的单只水雾喷头最大保护面积12.5 m2、最大水平间距3.6 m的要求，满足水雾喷头水雾锥相交原理的要求。
图 3 喷头布置图
Figure 3. Layout Drawing of Nozzles
水雾喷头的计算流量按式(2)计算：
((2)) 式中：q为单个喷头的计算流量，L/min；N为喷头数量，个；S、W同上。
计算得喷头流量系数：
((3)) 式中：K为喷头流量系数；p为喷头最低工作压力；q同上。根据《合成型泡沫喷雾灭火系统应用技术规程》(CECS 156—2004)表3.2.1，喷头工作压力不小于0.35 MPa，计算得K＝25.1，根据水雾喷头国家标准，选用K＝27的喷头。
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绘制系统轴测图，确定最不利管段，如图4所示。
图 4 系统轴测图
Figure 4. Axonometric Drawing of Synthetic Foam Spray System
由于泡沫混合液中水的成份占96%以上，有的高达99%以上，具有水流体特点，所以在水力计算时，泡沫混合液可按水对待。泡沫喷雾灭火系统管道可采用自动喷水灭火系统的特性系数法进行水力计算，计算过程如下：
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自节点1开始，q1～2＝q1＝K
((4)) 式中：q1～2为管段1～2的流量；h1为节点1的压力；Δh1～2为管段1～2的水头损失；h3为为不同计算方向算得的节点3的压力；以此类推。计算得单个喷头流量q为46.93 L/min。根据式(3)
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本文泡沫喷雾管道为干式供液管道，管材采用双面热镀锌钢管，根据《泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151—2010)第9.2.2条，沿程水头损失按式(5)计算：
((5)) 式中：i为管道单位长度水头损失，MPa/m；V为管道内泡沫混合液的平均流速，m/s；dj为管道的计算内径，m。
局部水头损失采用当量长度法计算，当量长度根据《泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151—2010)第9.2.3条条文说明中表7所列当量长度相应选取。
泡沫喷雾管道的水头损失按式(6)计算：
((6)) 式中：Δh为管道水头损失，MPa；L1为管道长度，m；L2为管件、阀门的当量长度，m；i同上。
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根据《泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151—2010)第9.2.4条，泡沫喷雾灭火系统供给压力按式(7)计算：
((7)) 式中：H为系统供给工作压力，MPa；∑h为管道沿程和局部水头损失之和，MPa；p为最不利喷头的最低工作压力，MPa，即0.35 MPa；hz为最不利喷头与储液罐出水管中心线的静压差，MPa。
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泡沫喷雾灭火系统水力计算结果见表1。由表1可知，泡沫喷雾灭火系统实际喷放灭火剂的量为M0＝13.09×60×15＝11 781 L，系统供给压力H＝0.191＋0.35＋0.072＝0.613 MPa。
表 1 泡沫喷雾灭火系统水力计算表
Table 1.
Hydraulic Calculation Table of Synthetic Foam Spray System 管段编号 流量q/(L/s) 管径d/mm 流速V/(m/s) 管道长度L1/m 当量长度L2/m 水头损失Δh/MPa 位置高差/MPa 1～2 0.84 32 1.05 0.8 0.4 0.002 0 2～3 0.84 50 0.43 1.5 3.1 0.000 0 3～4 1.68 50 0.86 1.5 3.1 0.002 0 4～5 2.53 50 1.29 3.0 6.2 0.008 0.023 5～6 3.41 50 1.74 0.75 3.1 0.006 0 6～7 4.30 50 2.19 1.50 3.1 0.012 0 7～8 5.20 50 2.65 0.75 3.1 0.014 0 8～9 7.81 80 1.55 18 12.5 0.021 0.064 9～10 13.09 100 1.67 120 93.3 0.126 -0.015 合计 ∑h＝0.191 hz＝0.072 -
水力计算可知，灭火剂实际喷放量为11 781 L，则合成泡沫灭火剂的储存量G＝1.05×M0＝12 370 L,其中1.05为考虑储液罐及管道容量的安全系数。设计选用容积为13 m3、工作压力为0.75 MPa的不锈钢储液罐，内充装12 370 L泡沫灭火剂。
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根据厂家提供的动力气瓶的型号，拟选用70 L、储存压力为15 MPa的动力瓶组。系统所需动力瓶组数量按式(8)计算：
((8)) 式中：N为所需氮气瓶组数量，只；P1为氮气瓶组储存压力，MPa；P2为系统储液罐出口压力，MPa；V1为单个氮气瓶组容积，L；V2为系统储液罐容积与氮气管路容积之和，L；k为裕量系统，不小于1.5。
经计算，N＝12.0，取动力瓶组数量为12只。
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由上可知，系统灭火剂实际喷放量为11 781 L，大于设计用量10 560 L，满足设计要求；各管段流速均小于5 m/s，满足《泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151—2010)第9.2.1条第3款主管道流速不大于5 m/s、支管道流速不大于10 m/s的要求。因此，本系统设计、计算合理。
对于《泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151— 2010)中油箱本体包不包含主变散热器的问题，本文参考相关规范综合考虑按照包含主变散热器设计，在此提出与各同行商榷并希望规范编委会予以明确。
Design and Calculation of the Synthetic Foam Spray System for Transformers Protection
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摘要:
合成泡沫喷雾灭火系统在大型油浸式主变压器的消防设计中得到越来越多的应用。文章阐述了合成泡沫喷雾灭火系统的系统构成和动作流程，结合工程实例对主要设计与计算过程进行了梳理，并对如何使合成泡沫喷雾灭火系统的设计与计算更加合理、规范提出了相应的建议。 -
关键词:
- 油浸式主变压器 /
- 合成泡沫喷雾灭火系统 /
- 设计 /
- 计算
Abstract:The applications of synthetic foam spray systems are more and more in the fire protection design of large oil-immersed main transformer. The system configuration and operation processes of the synthetic foam spray systems are described in the paper , the main design and calculation processes are combed based on engineering projects, and the corresponding recommendations are proposed to make the design and calculation of the synthetic foam spray systems more rational and standardized. -
Key words:
- oil-immersed main transformer /
- synthetic foam spray system /
- design /
- calculation
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表 1 泡沫喷雾灭火系统水力计算表
Tab. 1.
Hydraulic Calculation Table of Synthetic Foam Spray System 管段编号 流量q/(L/s) 管径d/mm 流速V/(m/s) 管道长度L1/m 当量长度L2/m 水头损失Δh/MPa 位置高差/MPa 1～2 0.84 32 1.05 0.8 0.4 0.002 0 2～3 0.84 50 0.43 1.5 3.1 0.000 0 3～4 1.68 50 0.86 1.5 3.1 0.002 0 4～5 2.53 50 1.29 3.0 6.2 0.008 0.023 5～6 3.41 50 1.74 0.75 3.1 0.006 0 6～7 4.30 50 2.19 1.50 3.1 0.012 0 7～8 5.20 50 2.65 0.75 3.1 0.014 0 8～9 7.81 80 1.55 18 12.5 0.021 0.064 9～10 13.09 100 1.67 120 93.3 0.126 -0.015 合计 ∑h＝0.191 hz＝0.072 
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[1] 沈海涛. 变压器火灾及预防[J]. 中国安全生产科学技术，2005，1(3): 69-71. SHEN Haitao. Transformer Fire and Its Prevention[J]. Journal of Safety Science and Technology，2005，1(3): 69-71. [2] 李殿臣，梁戈，陈雪峰. 变电站灭火系统应用探讨[J]. 消防科学与技术，2011，30(7): 612-614. LI Dianchen, LIANG Ge, CHEN Xuefeng. Application of Fire Extinguishing Systems for Substation[J]. Fire Science and Technology，2011，30(7): 612-614. [3] 高振锡，阎玲，王瑞. 泡沫喷雾灭火系统设计计算[J]. 消防科学与技术，2010，29(2): 126-128. GAO Zhenxi, YAN Ling, WANG Rui. Design and Calculation of The Synthetic Foam Spray System[J]. Fire Science and Technology，2010，29(2): 126-128. [4] 徐明. 变压器水喷雾消防系统设计的考虑[J]. 四川电力技术，2003，1(3): 17-21. [5] GB 50151—2010，泡沫灭火系统设计规范 [S]． [6] CECS 156—2004，合成型泡沫喷雾灭火系统应用技术规程 [S]． [7] GA 843—2009，泡沫喷雾灭火装置 [S]． [8] GB 50219—2014，水喷雾灭火系统技术规范 [S]． [9] GB 50084—2001，自动喷水灭火系统设计规范 [S]． [10] NFPA 15—2007，Standard for Water Spray Fixed Systems for Fire Protection [S]． -
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