环境风作用下变压器油池火燃烧特性实验研究*

杨海铭,陈 轩,陈 鹏

(1.国网江苏省电力有限公司超高压分公司,江苏 南京 211100;2.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院,北京 100083)

0 引言

油浸式变压器是换流变电站的重要设备。近年来,变压器火灾事故常有发生,造成一定的人员伤亡和经济损失,严重影响电网正常运行[1-2]。变压器火灾发生后,变压器箱体内部变压器油溢出,会形成典型的油池火现象。变压器油是1种常用于冷却、灭弧和绝缘的介质[3],其是具有高闪点、多组分的液体可燃物[4]。研究变压器油燃烧特性对于控制变压器火灾具有重要的现实意义。

由于变压器大多布置在室外开放空间,环境风流是影响火灾发展的重要因素。现有变压器火灾相关研究多在无风环境下进行,研究结果不完全适用于真实变压器火灾场景[3-4]。在环境风影响下,池火燃烧过程受自然对流和强制对流耦合作用,与无风环境相比,燃烧特性更为复杂[5]。Welker等[6]开展环境风作用下甲醇、丙酮、正己烷和苯的池火实验研究,结果表明除甲醇外,池火燃烧速率随风速升高而呈现下降趋势。Woods等[7]开展甲醇池火实验,研究结果与文献[6]研究结果基本相同。邝辰[8]研究环境风对正庚烷池火燃烧速率的影响,发现不同直径油池火质量损失速率转折点存在差异。Tang等[9]开展丙酮池火实验,表明燃烧速率随风速增长呈现“增加-减小-增加”的变化趋势。然而,液态燃料种类繁多,不同类别液态燃料的理化性质相差较大,现有相关研究对象多为低闪点、易挥发的甲醇等单质燃料和汽油等轻油,而变压器油等高闪点、多组分的液体可燃物与单质燃料和轻油相比,组成成分复杂,火灾发展规律存在差异。因此,环境风作用下高闪点液体可燃物的燃烧特性仍需进一步探讨。

因此,本文研究环境风对变压器油燃烧特性的影响,研究结果可丰富和完善变压器油燃烧基础数据,对室外环境下变压器火灾防控提供一定参考。

1 实验方法

本文实验装置系统示意如图1所示。使用直径为1 mm的铠装热电偶采集火羽流温度、油温和壁面温度,温度测量范围为0～1 100 ℃。油池内布置10根油温热电偶,距油池底部高度间隔为1 cm,其中,距油池底部1～5 cm处热电偶为油温热电偶,其余为池内火焰热电偶。贴壁热电偶分别布置在上风侧、中侧和下风侧外壁面,距油池底部3 cm。采用高精度电子天平实时记录油品质量变化,天平量程为0～60 kg,精度为0.01 g。利用摄像机采集火焰图像,帧率为30 fps,放置于油池火实验台正前方5 m处。2组热流计分别布置在距离油池中心3倍直径(3D)和5倍直径(5D)处,垂直于环境风方向。

实验选用内径为20,30,40 cm的钢制圆形油池,侧壁高10 cm,燃料为昆仑25号(KL25X)变压器油。实验开始前,启动风机并调节至实验风速,检查实验测量设备。待风速稳定后,向油池内注入变压器油,加入10 mL正庚烷作为引燃剂。静置片刻后,使用电火花点火器引燃油池,开始实验并记录实验数据。实验工况如表1所示。

表1 实验工况Table 1 Experimental conditions

2 结果与讨论

2.1 火焰结构

变压器油池火受浮力与环境风耦合作用,火焰结构发生改变[10]。图2所示为不同工况下典型火焰图像。由图2可知,变压器油池火火焰结构随风速改变发生变化,油池火焰前端在环境风速较大时均出现火焰断裂脱离现象,且小尺度油池更为明显;对于直径20 cm油池火,火焰倾斜角度与风速呈正相关,当风速达到3.5 m/s时,火焰在强风流干预下以破碎火焰向下风侧分散,且燃烧强度明显减弱;对于直径30 cm油池火,随着环境风速的增大,火焰倾斜角度逐渐加剧,当风速达到3.5 m/s时,出现火焰前端分离现象,但火焰强度有明显增强;对于直径40 cm油池火,当风速达到2.0 m/s时,火焰强度在环境风作用下出现减弱趋势,随后火焰强度明显增强,整个燃烧过程,火焰形态较为完整,未出现火焰破碎和明显的火焰分离现象。

2.2 质量损失速率

质量损失速率是表征油池火燃烧速率的重要参数。图3所示为直径20,30,40 cm油池火质量损失速率与环境风速之间的关系。图3表明,在环境风作用下,池火质量损失速率出现3类转折点(A,B,C类):当环境风速相对较小时,风流会增加氧气供应,在转折点A之前质量损失速率增加,随着环境风速增大,火焰偏移量增大,火焰向油池辐射的热量减少,对流热反馈逐渐占据主要地位,另外,王明武等[11]和Hu等[12]的研究表明质量损失速率会因辐射热反馈削弱而减小;转折点B之后,油池火主控因素变为热对流,在一定风速范围内,对流换热系数随环境风速增大而增大,热对流增强,在转折点B与转折点C之间池火质量损失速率持续增加;然而,当环境风速增大至超过某临界风速时(转折点C),出现火焰前端脱离现象,火焰脱离长度随环境风速的增加而增大,削弱了火焰对变压器油的加热作用,燃烧速率下降。

图3 不同直径油池火燃烧的风速与质量损失速率之间关系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类转折点的本质是油池火浮力作用和环境风强迫对流相互竞争的结果,两者之间的竞争机制可由弗劳德数(Fr)进行表征,如式(1)所示:

(1)

式中:Fr为弗劳德数,无量纲;u表示燃料在空气中的运动速度,m·s-1;g为重力加速度,m·s-2;D为油池直径,m。

图4所示为各类转折点无量纲模型的预测值与实验值对比情况,图4中曲线斜率即为不同情况下的弗劳德数。表2所示为不同直径变压器油池火在上述3类转折点处对应的弗劳德数。由图4可知,转折点A和B对应的临界风速与浮力诱导速度具有相关性,说明油池火浮力与环境风动量存在竞争机制。不同直径油池火燃烧速率同类转折点对应的弗劳德数大致相等。由于实验风速的限制,直径30,40 cm油池火并未出现转折点C,预测其转折点C的风速分别约为3.7,4.2 m/s。

表2 不同直径变压器油池火3类转折点处对应的弗劳德数Table 2 Froude number corresponding to three types of turning points

图4 燃烧速率转折点无量纲模型的预测值与实验值对比情况Fig.4 Comparison between predicted value and experimental value of dimensionless model for turning points of combustion rate

2.3 燃料温度

变压器油池火燃料温度与池火传热过程相关[13]。油池热量来源为燃料吸收辐射的热量、对流的热量和侧壁向燃料的传导热量[14]。图5所示为直径40 cm油池火燃油温度随时间的变化(风速0)。由图5可知,以距油池底部5 cm处油温为例,在燃烧初期,热电偶浸没在燃料内,油池引燃后温度迅速响应,温度从30 ℃上升至330 ℃,达到变压器油沸点,燃油温度在一段时间内保持稳定,约228 s后油温再次上升,最后稳定在约400 ℃,这表明在右面上方形成燃料蒸汽区。2 100 s后,温度迅速上升至约800 ℃,此时燃料已经耗尽,热电偶处于火焰区域。随着燃烧的进行,燃料高度逐渐下降,距油池底部高度1～4 cm处温度均先后呈现出5 cm处温度的变化趋势,依次经历温度梯度层、沸腾层和蒸汽层,液态燃料燃尽时,热电偶进入火焰区域,最后火焰熄灭。

图6所示为直径30 cm油池火在不同环境风速下温度变化曲线。在油池燃烧过程中,燃料接收到的热量除用于燃料表面的液面蒸发外,一部分热量通过对流传热效应向油池深处传递,使油温出现分层现象,呈现出自燃料表面向下依次降低的趋势。油池内燃料层根据温度自上而下分为沸腾层和温度梯度层。沸腾层位于油层表面,其温度为变压器油的沸点,约330 ℃。根据图6距油池底部4 cm处热电偶温度数值计算沸腾层厚度。取实验点火后约900 s的实验数据进行分析,统计不同环境风速下各油池直径的沸腾层厚度计算结果,如表3所示。由表3可知,对于相同直径的变压器油池火,在环境风作用下,不同直径油池火沸腾层厚度均有增,即沸腾层厚度与环境风速相关性较为显著;在油池直径为20,30,40 cm时,风速3.5 m/s时沸腾层厚度相比于无风(风速0)时的增长率分别约为4.8%,7.1%,9.1%。这是由于沸腾层厚度主要和燃料接收到外界的热量有关,随着风速的变化,燃烧速率增大,燃料从外界吸收的热量增加,进而促进沸腾层厚度增大。同时,表3数据还表明,直径20,30,40 cm池火沸腾层的平均厚度分别约为2.58,2.53,2.47 mm,这说明沸腾层厚度与油池直径无明显相关性,这是由环境风和油池尺度共同作用引起的。文献[15-16]表明沸腾层厚度变化会受壁面传热量的影响,但该影响会随油池尺度的增加而减弱。本文实验所使用的油池尺度相对较大,并且环境风会对壁面产生冷却作用,油池直径越小,冷却效果越强,在二者耦合作用下,沸腾层厚度与油池直径相关性不显著。

表3 距油池底部4 cm处,不同环境风速下各油池直径的沸腾层厚度Table 3 Boiling layer thickness of each oil pool diameter under different environmental wind speeds at 4 cm from oil pool bottom 单位:mm

图6 油池直径为30 cm时不同风速下温度变化曲线Fig.6 Change curves of temperature under different wind speeds with oil pool diameter of 30 cm

3 结论

1)变压器油池火火焰结构随风速改变发生变化。当环境风速较大时,火焰会出现断裂脱离现象。

2)在环境风作用下,油池火具有3类较为明显的转折点,并且临界风速与浮力诱导速度之间存在线性关系。

3)变压器油池火燃料层自上而下分为沸腾层和温度梯度层,沸腾层温度约为330 ℃。沸腾层厚度与环境风速相关性显著,与油池直径相关性不显著。