高压细水雾系统在电力工程中的应用探究工学论文
摘 要：简述了细水雾系统的发展历程及其对水喷淋系统的技术突破点，以我国(天消所及南京消防器材厂等)研制的气水铜管高压、中压两相流预安装细水雾系统实体灭火实验为依据，阐述了该系统的成雾原理、灭火机理、灭火效能、工程应用范围及其与气体灭火系统和水喷雾灭火系统的工程造价比，确定了该系统替代卤代烷和二氧化碳系统的可能性，展示了该系统远大的工程应用前景。同时,根据该系统在我国国内发展的现状,提出现阶段及今后的应用构想。
关键词：细水雾；变压器；灭火系统
1 水雾雾径的分级标准、细水雾系统的分类和细水雾成雾原理
1.1 水雾雾径的分级标准
①Ⅰ级水雾(国内称为超细水雾)，DV0.1=100微米, DV0.9=200微米,这是最细的水雾,适用于扑灭B类易燃液体及电气等火灾。②Ⅱ级细水雾(国内称为细水雾)，DV0.1=200微米, DV0.9=400微米,由于雾滴尺寸稍大,雾流动能大,较易到达燃烧面,因此,适用于扑灭B类易燃液体火灾、A类固体可燃物及电气等火灾。③Ⅲ级细水雾(国内称为普通水雾,即一般的水喷雾)，DV0.1＞400微米, DV0.9≤1000微米,雾滴大,因此,适用于扑灭A类固体可燃物、电气及B类易燃液体等火灾。
研究证明,雾滴尺寸并不能评判水雾的灭火能力。火灾能否扑灭,取决于燃料的性质,封闭空间效应,水雾强度及水雾速度(动能)等多种因素.对给定的保护对象而言,水雾雾滴尺寸不是评判水雾灭火能力和适用性的唯一依据,还与水雾相对于火羽流的喷射方向,水雾强度和喷射速度有关。扑灭B类易燃液体火灾的有效雾滴尺寸应＜400微米,而较大尺寸的雾滴则更适用于扑灭A类固体可燃物。
1.2 细水雾系统的分类
细水雾系统经过了从船用到陆用的变化，加之目前国际上尚无统一的产品标准可依，因此该系统种类繁多,一般可按系统工作压力、流相、应用方式、工作方式、安装方式和动力来源大致划分为六大类十六种系统。
细水雾系统按工作压力分为低压（﹤1.21Mpa）、中压（1.21～3。45Mpa）、高压（﹥3。45Mpa）系统；按系统的流相分为水单相流系统和气水双相流系统；按系统的应用方式可分为全淹没系统和局部应用系统；按系统的工作方式可分为雨淋系统、湿式系统、预作用系统和干式系统；按系统安装方式可分为单元独立系统和组合分配系统；另外，根据动力来源又可分为气动式和泵式系统…现在国内企业开发的主要是气水同管高、中、低压两相流预作用细水雾系统，本文以下均指此类系统。
1.3 细水雾成雾原理
喷嘴是将水流进行雾化并实施喷雾灭火的重要部件，是整个细水雾系统唯一的高技术产品，也是细水雾系统成败的关键。国内各厂家的喷嘴外形各不相同，但成雾原理却大同小异，现以天消所1MC6MB-1.4型高压喷嘴为例，说明喷嘴的构成：一般来讲，喷嘴大致由进气口、进水口、喷头体、滤网、气水混合室、弹簧、喷嘴芯和喷嘴孔等八个零件构成。一定压力的水——氮气两相流通过滤网进入喷嘴后，在压力的作用下沿弹簧、喷嘴和喷嘴芯围成的螺旋空间高速旋转运动，气水两相流达到喷嘴小孔后水被完全击碎，沿喷嘴出口锥面射出，形成极微小的雾滴。
2 细水雾系统的构成和细水雾系统灭火机理
以气水同管高压两相流预作用细水雾系统为例（中、低压系统与其类似），系统由氮气瓶、储水瓶组、控制阀、瓶架、管道、喷嘴、报警控制器和探测器构成，各部件功能及主要参数见表1。
2 细水雾系统灭火机理
（1）高效吸热。
由于细水雾的粒径在40～200μm范围内，比表面积较一般水滴大1700倍，在火场中能完全蒸发。按100℃水的蒸发潜热为2257kJ/kg计，每只喷嘴喷出的水雾吸热功率约为300kW，可见其吸热效率之高、冷却效果之强。
（2）窒息。
细水雾喷入火场后，迅速蒸发形成蒸汽，体积急剧膨胀，排除空气，在燃烧物周围的形成一道屏障阻挡新鲜空气的吸入。当燃烧物周围的氧气浓度降低到一定水平时，火焰将被窒息、熄灭。
（3）阻隔辐射热。
细水雾喷入火场后，蒸发形成的蒸汽迅速将燃烧物、火焰和烟羽笼罩，对火焰的辐射热具有极佳的阻隔能力，能够有效抑制辐射热引燃周围其它物品，达到防止火灾蔓延的效果。
3 细水雾系统适用范围、应用场所及工程造价
细水雾系统的适用范围是由细水雾的雾滴直径及灭火机理决定的。传统的水喷淋系统必须使水滴具备足够的初始冲量，克服上升热气流和烟羽区的上升浮力，并迅速穿过，尽量降低蒸发损失，将足够数量的水送达燃烧物体表面，经流淌、浸润和渗透，使燃烧物体表面冷却，逐渐减少可燃物汽化速率和汽化量，达到灭火目的。因此，水喷淋系统主要用来扑灭一般固体火灾，很难扑灭可燃液体火灾，而且由于其水滴不能过小，在空中极易连续，所以也不能用来扑灭电气火灾。细水雾系统虽然可视为水喷淋系统的拓展，但二者在灭火机理上却大相径庭。细水雾系统是通过冷却上升热气流和烟羽区、驱逐燃烧物周围的氧气、隔绝辐射传导进行灭火。因此，不论燃烧表面是固态还是液态甚至气态均能有效灭火。
细水雾系统在备用状态时储水瓶为常压，克服了气体系统难以解决的泄露问题，工程应用十分便捷，日常维护工作量和费用较气体系统大大降低。另外，ABB Strǒmberg Research Centre进行的带电喷放细水雾试验表明，细水雾具有良好的电绝缘性能。可见，该系统的适用范围非常广泛，一般包括：A类火灾中一般固体物质表面的火灾、B类火灾、C类火灾和电气火灾。
我国规范规定，变压器室和高低压电气设备间多采用卤代烷1211、1301或CO2全淹没系统进行保护。几乎每座建筑都有这两种场所，因此在这两种场所中卤代烷或CO2的使用量相当可观，也是哈龙替代的重点。一般这两种场所的容积较小（200～500m3）、封闭性较好，除变压器和电气柜外无其它可燃物品，非常适合细水雾系统的使用。根据资料，以一台1000KVA室内变压器（外型尺寸2230′1595′2610mm，油重1485Kg，变压器室7′7′5.1m）为例，分别采用卤代烷1211、1301、高压CO2、水喷雾和细水雾系统保护，灭火剂用量及工程造价对比情况见表2（不计入报警系统）。
4 民用变压器典型实体灭火实验（引自天消所消防鉴定用灭火试验）
4.1 实验条件与控制
被保护对象为民用315KVA油浸式电力变压器，放置在燃烧实验室（7′7′3.5m）中央，底部放置1.8′1.0′0.15m钢制油盘，模拟集油坑。在变压器储油箱内放入清水，水面距箱顶15cm，再到入30L柴油。在器外表面、散热片及油枕外表面均匀泼洒9L变压器油，进行实体燃烧灭火实验。灭火系统为WMU150型细水雾系统，储水量3′50L，氮气压力1.5MPa。喷嘴布置在距地面3.5m高的顶棚下，水平间距为2.2′2.2m。喷嘴为1MC6MB-1.4 型，共4只。
实验采用浸润100ml汽油棉纱团4个，分别放置在变压器底部四个对角处，预燃108s，顶棚最高温度已达195℃。系统启动开始喷雾时，顶棚温度升至220℃，然后迅速下降，经25s达到平均100℃，辐射热下降56%，此时已无火焰。再经20s顶棚温度降至60℃，辐射热下降30%。为防止复燃，连续喷放水雾10min。灭火后，器体内油未燃烧，器表泼洒的.油损耗约30%，变压器和油盘无损坏和变形。
4.2 实验结果分析
（1）细水雾进入火场后迅速吸收热量降低被保护对象及环境温度。产生的大量蒸汽能够阻挡物质燃烧对新鲜空气的吸入，切断氧气补充，窒息火焰。而且阻隔辐射热的能力十分显著。（2）系统灭火用水量极小，在相同的灭火时间内仅相当于水喷淋系统用水量的5%。（3）细水雾具有良好的电绝缘性,对扑灭电气火灾十分安全。
4.3 实验结论
（1）气-液同管两相流高压细水雾系统可保护250m3的封闭空间。实测细水雾雾滴平均直径在40~150μm范围。（2）该系统以水为灭火剂，能够迅速有效地扑灭柴油、变压器油、汽油等B类火灾。（3）该系统可作为卤代烷替代系统，其经济性能比优于卤代烷系统和CO2系统。（4）该系统比较适用于室内油浸式电力变压器的保护。（5）该系统灭火后造成的水渍损失极小，对人体、保护对象及环境无任何损害与污染。
5 展望
总的来说,没有可供设计和验收的统一的标准是现阶段细水雾灭火系统应用的最大困难。从环保及经济角度来看,细水雾系统绝对优于卤代烷和二氧化碳系统，必将成为二者最好的替代品。由于电力工业用细水雾系统产品尚处于实验到应用的初期过渡阶段,该产品的试用对业主,设计及消防验收部门均存在一定的风险问题。为此，我个人提出自己的看法：根据消防的原始定义即保护国家和人民的生命财产安全，电力行业火灾基本不涉及人员生命安全问题，国家财产则由厂家提供产品保险：变压器起火后，细水雾系统不能有效灭火则赔偿业主灭火系统及起火变压器相应费用，在业主同意的条件下,采用专家鉴定会的形式，按现有实验数据,集体研究讨论确定设计验收参数,按新产品试行方式进行特殊试点应用。在法律允许及征得业主同意的情况下，我个人认为只要仿真实验结果圆满，设计验收应用参数充分，近期就能在工程中进行应用。如果为了保险起见，只有待该产品应用成熟，国家出台相关标准后再行应用。
长远来看，由于现在的细水雾灭火系统为气动式系统，采用高压N2气瓶为系统动力源，存在动力源失效的隐患，为保证系统的高可靠性，建议制造厂家研究泵式系统，灭火剂随用随加，动力采用稳压低流量高扬程水泵，充分满足系统灭火用量。如能近期实现这一目标，必将为细水雾系统的应用扫除产品本身的一切缺陷，为产品的推广提供广大的空间。
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