某核电站辅助电锅炉室外变压器水喷雾消防设计_技术特区

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某核电站辅助电锅炉室外变压器水喷雾消防设计

作者：王东海 2004-10-22 8:51:00

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    提要介绍了室外变压器的水喷雾消防设计中重点应考虑的问题，如设计参数、喷头布置、水力计算、系统设计、支架等。
    关键词 辅助电锅炉;室外变压器;水喷雾;设计

    1 消防形式的确定
    某核电站的辅助电锅炉室外设两台油浸式变压器，额定容量26000kVA，额定电压13.8/6.3kV，油重9.11t/台。两台变压器之间设有防火墙。
    辅助电锅炉虽然不是与核安全直接相关的设备，但由于其功能是在核电站启动、正常运行和停运期间，当蒸汽转换器不能满足供汽要求时提供足够的辅助蒸汽，所以它也是核电站一个非常重要的系统。而由于核电站的特殊性，其总体灭火思想需综合考虑物品的价值、直接与间接损失，以及核电站长期不可利用和对该核电站的处理所造成的损失，还要比较用于防护常规风险的费用和用于防护核风险的费用。所以对于本工程室外变压器的消防形式，应根据国内外标准规范并在综合考虑各种因素的基础上确定。
    按照《火力发电厂与变电所设计防火规范》（GB50229-96），“220kV，330kV，500kV 独立变电所，单台容量为125000kVA及以上的主变压器应设置水喷雾灭火系统，并应具备定期试喷的条件”。根据本工程电锅炉变压器电压等级、设备容量，可以不设水喷雾消防。
    由于本工程为核工程，根据业主与设计院签订的设计合同文件之规定，消防设计遵守法国《压水堆核电站防火设计和建造规则》（RCC-I）83版。RCC-I在水喷雾灭火设施特殊保护中规定：“特殊保护指对变压器、润滑油箱、大型泵等的保护。水喷雾系统用作特殊保护。”。同时参照我国核行业标准《核电厂防火准则》（EJ-T 1082-98），在固定式灭火装置中规定“应当用C型水雾系统保护厂内设置的油浸变压器（主变压器、辅助变压器、备用变压器）”。根据该准则，C型水雾系统指高速或中速水雾系统，所要求的水流强度一般为10-20mm/min（相当于10-20L/(min·m²)。
    在方案设计阶段，我们也曾经考虑过是否采用排油注氮灭火系统。排油注氮系统在国内火力发电厂的变压器消防中亦有采用，但不如水喷雾系统普及。由于排油注氮系统没有在国内核电站使用的经验，国内也没有相关的支持规范，而且排油注氮系统还需经当地消防监督部门和建设单位认可方能采用。
    最后我们经过综合考虑，对电锅炉室外变压器决定采用水喷雾消防。由于RCC-I中对如何进行设计并无具体描述，所以在设计中重点参照我国《水喷雾灭火系统设计规范》（GB50219-95）（以下简称“雾规”）。
    根据RCC-I，在整个核电站内同时火灾次数按一次考虑，而且两台变压器之间设有防火墙，所以对两台变压器分别设置一套水喷雾灭火装置，不考虑同时启动。
    2 灭火机理简介
    利用高压水，经过雾化喷头，水以细小的水雾滴的形式射到正在燃烧的物质表面，产生表面冷却、窒息、乳化、稀释等4种作用从而达到灭火的目的。
    3 设计参数的确定
    3.1 保护面积（见图1）

    保护面积S=(C×D-A×B)+2(A+B)×H+A×B。对于本工程，A=4980mm;B=5150mm;C=6980mm;D=7150mm;H=4880mm,则S=148.8m²。
    3.2 设计流量
    根据RCC-I，对变压器设计喷雾强度为20L/(min·m²)（不区分变压器表面和油坑），最小持续喷雾时间为5min。
    而“雾规”中规定，对油浸式电力变压器设计喷雾强度为20L/(min·m²),对变压器的集油坑的喷雾强度为6L/(min·m²)，持续喷雾时间为0.4h。
    我们考虑到油坑的面积较小，本工程消防水池容积为2×1400m³，最终采用保守设计，对变压器及其油坑的设计喷雾强度w均取20L/(min·m²)，持续喷雾时间T 取0.4h。
    理论设计流量Q=S×W=2976L/min=49.6L/s。
    3.3 喷头个数
    根据“雾规”，选用离心雾化型水雾喷头，喷头的工作压力为0.35MPa。单个喷头的流量q=K

，流量系数K暂取80，工作压力p 取0.35MPa。则q=2.49L/s，喷头个数N=S×W/q=20个。
    在实际布置喷头时，由于变压器的外表面不规则，很多配件的形状是突出的，喷雾可能会不完全覆盖，这时便需增加喷头，以补充突出地方的布水不足，这很可能导致喷头的实际数量与理论计算数量不一致。如果实际流量以及喷头数量与计算值相差较大，可以在保证保护对象喷雾强度的原则下，改选具有合适流量系数K值的喷头。
    4 喷头布置（见图2，图3）

    根据变压器的外形和全包容的原则，在布置喷头时，水平方向上布置了两个环路。下面一个环路主要保护变压器的侧表面下半部分和油坑，上面的环路保护变压器的侧表面上半部分。为了保护变压器的上表面的油枕、冷却器等，从上面的环路引出的两根立管，形成半个环路。在设计中，保护变压器顶部的喷头避开了其带电高压套管。实际共布置喷头40个。整个管网从雨淋阀组之后无阀门。
    水雾锥底圆半径按下式计算：

式中R———水雾锥底圆半径，m；
B———水雾喷头的喷口与保护对象之间的距离，m；

———水雾喷头的雾化角,°。
本工程B=1.6m,

=90°;，经计算得：R=1.6m,采用矩形布置（见图2，图3）。根据“雾规”，矩形布置时喷头间距不应大于1.4倍的水雾锥底圆半径，即2.24m。
    5 水力计算
    绘制水力计算节点图。根据“雾规”，管道采用内外镀锌无缝钢管。管道沿程水头损失按下式计算：

式中i———管道沿程水头损失，MPa/m；
    v ———管道内水的流速，m/s，宜取v<=5m/s；
    D_j———管道的计算内径，m。
    管道的局部水头损失按沿程损失的30%计算。
    雨淋阀、过滤器及阀门等的水头损失单独计算。
    雨淋阀的局部水头损失应按下式计算：
       h_r=B_RQ²
式中h_r———雨淋阀的局部水头损失，MPa；
    B_R———雨淋阀的比阻值，由生产厂家提供；
    Q———雨淋阀的流量，L/s。
    阀门的局部水头损失应按下式计算：

式中h_r———阀门的局部水头损失，MPa；

———阀门的局部阻力系数；
    v———管道内水的流速，m/s；
    g———重力加速度，为9.81m/s²。
    过滤器的水头损失可通过查生产厂家提供的水头损失5 流量关系曲线获得。
    在计算过程中，有两点需要注意，一是当从不同的支管计算到同一节点时，可能会出现压力不一致的情况，此时对该节点的压力应取高压力值，而且要对压力较低管段的流量进行校正，校正公式为：

，见图4。

在最初计算时，节点1和3处的压力均取0.35MPa。从节点1计算到节点2处的压力为p₁，流量为q₁；从节点3计算到节点2处的压力为p₂，流量为q₂。如果p₂>p₁，则对节点2处的压力取p₂。管段1-2 的校正流量

则节点2处的流量为

。
    另一个值得注意的问题是，笔者在设计时将两层的水喷雾干管布置成环。其原因主要有两条：在传统消防设计中，灭火、控火效果好的自动喷水灭火系统的管道大多为枝状，而灭火效果不如它的消火栓给水系统给水管网却为环状，这是一对灭火效果和安全度倒挂的矛盾。参考美国《自动喷水系统的安装规范》（NFPA-13）的规定，在水流指示器后的管道“可采用环状或网状布置”，所以在设计过程中将水喷雾灭火系统在雨淋阀后的管网布置成环状。
    另一个考虑的因素是，由于本工程的管道布置在室外，易受到风力等外界条件的影响，出于对管道支架受力情况的考虑，管道布置成环有利于增加整个系统的刚度。管道成环会给水力计算带来一定的难度，就是最不利点的选取以及水流方向的判定。在实际计算过程中，根据管道布置的实际情况，先将环状管网在某些地方破开进行计算（见图5）。由于整个管网基本上为均衡布置，可以从进水点20和19开始计算，按照喷头数量和管道长度基本一致的原则，将管网破开成枝状管网以便计算，而不需进行管网平差。但是在最终的施工图纸上，仍按环网布置。

    计算结果为：节点46处的压力为0.9MPa，流量为98L/s。
    前面3.3 节曾经提到，如果流量以及喷头数量的实际值与理论计算值相差较大，可以在确保保护对象喷雾强度的原则下，改选具有合适流量系数K值的喷头。现在，实际流量98L/s将近为理论计算流量49.6L/s 的2倍，实际喷头数量40个，亦为理论喷头个数20 的2倍。所以，需要调整喷头的流量系数。根据业主所指定的供货商提供的样本，改选流量系数K 值为48 的喷头。重新计算的结果为：节点46 处的压力为0.7MPa，流量为58L/s（209m³/h），一次火灾所需的总水量为84m³（持续时间为0.4h）。该工程室外消防环网压力为1.2MPa，最大供水能力为324m³。经计算，室外管网在节点46处的压力为1.1MPa，剩余压力用减压孔板减掉，流量完全满足要求。
    6 系统工作原理及自动控制
    水喷雾是一种雨淋灭火系统，其工作原理及系统流程见图6。

    本工程的雨淋阀组及其前后的阀门、过滤器等布置在有采暖的单独房间内。
    本系统采取3种控制方式：火灾探测器信号自动开启雨淋阀组中的电磁阀，从而打开雨淋阀；设在消防控制室内的手动按钮可以开启雨淋阀组中的电磁阀，从而打开雨淋阀；就地手动打开雨淋阀组中的泄水阀，从而打开雨淋阀。
    由于本工程的保护对象位于室外，室外最低温度可达-10.8℃。采用常规的感温、感烟探测器容易受到风吹雨淋的影响，对燃烧所产生的火焰、烟雾以及温度等不容易探测准确及时。采用闭式喷头作为探测元件也不可行，因为室外水管存在被冻的可能。所以最终采用了缠绕式感温电缆探测装置。这种探测装置的工作原理是将其缠绕在变压器的设备本体上，利用其感温的绝缘材料在温度高时熔断的特性，导致节点短路，从而发出报警信号。
    7 响应时间
    根据“雾规”，水喷雾灭火系统的响应时间，当用于灭火时不应大于45s。系统的响应时间由信号传输时间和水流到达时间组成。信号传输时间一般不超过1s。本工程的消防系统由消防泵、气压罐（储水量为全站最大火灾1min 所需的水量）、管网和阀门组成。本工程消防泵的启动时间不超过7s，在气压罐内的水还没用完时随气压罐内的压力下降消防泵自动启动，所以消防泵的启动时间不影响水流到达的时间。而雨淋阀组布置在紧靠室外变压器的房间，水流从雨淋阀组处到达最远点喷头的时间约为10s。经上述分析，本工程的水喷雾灭火系统的响应时间完全满足规范的要求。
    8 系统管材及支架设计
    本工程雨淋阀组采用电控雨淋阀组，雨淋阀前后的过滤器采用不锈钢滤网的Y型过滤器（滤网孔径为4.5 目/cm²），水雾喷头的材质为黄铜，雨淋阀前的管道采用碳钢管，雨淋阀后的管道采用内外镀锌的无缝钢管。
    考虑到本工程的管道都布置在室外，易受风力的影响（夏季室外风速3.1m/s，冬季室外风速4.5m/s），所以不能简单让施工单位按照给排水标准图集施工支架，必须由设计院经过力学计算并出支架图纸。在设计中，先在油坑周围预埋了9 块钢板，从每块预埋钢板上沿垂直方向各焊出一根高4 的DN150 镀锌钢管，将两层水喷雾管道固定在镀锌钢管上。同时，为了增加强度，在防火墙两侧分两个标高各预埋了6块钢板，从这6块钢板上水平方向各焊出一根10 号角钢，拉住DN150 镀锌钢管立柱。支架部分，除镀锌钢管外，均刷防腐漆处理。
    9 结语
    水喷雾系统应用在扑灭电气及油类火灾方面，与气体消防或泡沫灭火相比，具有既可以适用于封闭空间，亦能适用于敞开空间的优势，而且无污染，经济性较好，具有较大的发展潜力。目前，在我国已有的核电站中，已经大量采用了水喷雾消防这种形式。
    在核工程室外变压器的水喷雾系统设计中，只要充分考虑到工程的特殊性，如冰冻、日晒、雨淋、腐蚀、风、火灾探测等因素，综合各种规范条文的指导，并经过认真分析研究，就能较好地完成工程设计任务。
    参考文献
    1 中华人民共和国电力工业部.GB50229-96火力发电厂与变电所设计防火规范. 北京：中国计划出版社，1997.
    2 中华人民共和国公安部.GB50219-95水喷雾灭火系统设计规范. 北京：中国计划出版社，1995.
    3 核工业标准化研究所.EJ/T 1082-1998核电厂防火准则.
    4 法国《压水堆核电站防火设计和建造规则》（RCC-I）83版.
    5 美国《自动喷水系统安装规范》NFPA-13.

【文章出处：王东海】

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