1、浅谈脱硫变压器的消防设计摘要：本文以某发电厂 2300MW 烟气脱硫工程为例，对其脱硫变压器的消防设计进行探讨，并对几种消防灭火措施进行比较研究，认为水喷雾灭火系统和排油注氮灭火系统均适用于变压器消防，但从有效、可靠、经济等方面综合考虑，认为脱硫变压器消防更宜采用排油注氮灭火系统。 关键词：脱硫变压器；水喷雾；排油注氮；灭火系统 中图分类号：TF704.3 文献标识码：A 近年来，国家对电力资源需求不断增加，火电厂单机容量越来越大，新建电厂越来越多，为贯彻落实科学发展观，促进环保产业的健康发展，建设节约环保和生态型电力企业，达到国家对大气环保的要求，不同时期投运的火电厂，均需增设脱硫装置。随着
2、科学的发展，烟气脱硫技术日趋完善，优化脱硫工艺设计已经成为必然。对于与脱硫装置配套的消防系统，已从单一的消火栓系统发展至如今多形式的灭火系统，并与火灾自动报警系统相结合构成完整的消防体系。根据平时脱硫项目消防设计，本文以刚刚结束的某发电厂 2300MW 烟气脱硫工程为例，对该工程外围设计中的脱硫变压器的消防设计进行探讨。 一、变压器的结构及其火灾隐患 变压器就其产品的冷却方式分油浸变压器和干式变压器，但就电厂脱硫系统变压器而言，较常见的是油浸电力变压器。油浸变压器由以下部分组成：变压器主体，即变压器器身，由浸于变压器绝缘油油箱中的铁心和绕组线圈构成；变压器绝缘油及其管路系统；储油柜,又称膨胀油
3、箱或油枕,位于变压器器身上方；冷却器(或散热器)，变压器冷却器有风冷却器、水冷却器、片式散热器等，通过冷却器联管与主油箱相连，用于冷却并降低油箱内的绝缘油油温。冷却器可与器身紧接在一起，也可单独另外布置；高压套管，位于器身之上，端部带电，温度较高；低压套管；高压中点套管，又称中性点；调压开关；放油阀，位于器身油箱底部；主控制箱；压力释放阀，安全气道，净油器等。与油浸变压器的这种结构形式有关，油浸变压器着火,一般是由变压器内部绝缘被破坏而引起，其原因：过负荷、过电压、接地、短路、绝缘逐渐老化、变压器油受潮或油酸解绝缘水平下降，一旦绝缘击穿，引起弧光放电，变压器油迅速分解汽化，产生多种高温可燃气体
4、，压力骤增，当超过变压器安全压力时，可迫使变压器箱体、高压套管或有载调压器破裂爆炸，高温变压器油和可燃气体遇氧燃烧，引发熊熊烈火，再加上变压器油枕“火上浇油”一发不可收拾；另外，其内部储有的大量绝缘油，闪点在 130140之间，属易燃物质，稍有不慎，也极易着火，继而引发爆炸。 二、变压器消防设计的必要性 脱硫油浸变压器是脱硫系统中昂贵且重要的设备，其安全问题直接影响到脱硫系统的正常运行，一旦发生事故，不但自身安全不能保证，也会殃及附近设备甚至影响到厂内的其他变压器的安全，特别是电厂的主变、高压厂用变、启动备用变等是发电厂的核心设备，一旦发生火灾，不仅影响电厂机组运行，而且还威胁到周围建筑设备和
5、人员的安全，造成停电和重大的经济损失。据有关资料统计，从 1971 年至 1991 年的 20年中全国火电厂共发生的 86 次火灾中，变压器火灾约占了 10%左右。变压器火灾既是油类火灾，也是电气火灾,当发生险情时，极易形成爆炸，如短路火灾中，一旦短路发生，变压器油箱内在极短的时间内(有的不到1s)便形成一个高温高压的空间，并随即爆炸起火。因此，为了脱硫系统的正常安全运行，需要特别注意对变压器的保护，必须对脱硫系统变压器设置相应的、适合的、可靠的、较为经济的消防灭火系统。 三、变压器消防设计中的灭火措施 电厂脱硫变压器一般布置在室外，和电厂的高厂变、主变相邻，容量一般也比较大。其火灾具有以下特
6、点：火灾危险性为丙类，变压器一旦着火，蔓延迅速，辐射热强，易爆炸，难以扑救，火势难控制。室外布置的变压器，初期火灾探测比较困难，当探测到火灾时，可能已经难以控制。脱硫变压器一般靠近高厂变、主变，如发生火灾，极易殃及附近设备，引发更大的火灾，后果极为严重。脱硫变压器发生火灾，易造成脱硫系统的停运，使烟气不能达标排放，产生不良后果。 针对电力系统火灾危险性大、损失大、伤亡大、影响大的特点，我们在脱硫变系统的消防设计主要坚持了“预防为主、防消结合”的 8 字方针。根据电力设备典型消防规程可知，用于保护各类变压器的灭火系统有:化学粉剂、二氧化碳、1211 或 1301 等气体系统、水喷雾灭火系统及排油
7、注氮灭火系统。目前,国内外对变压器消防应用最为普遍的是水喷雾灭火系统和排油注氮灭火系统。 （一）脱硫变压器设置水喷雾灭火系统 1、水喷雾系统的组成 水源、供水设备、管道、雨淋阀组、过滤器、水喷雾喷头等，其中雨淋阀组包括雨淋阀、电磁阀、压力开关、水力警铃、压力表及配套的通用阀门。 2、水喷雾系统工作原理 此系统是指喷嘴在额定工作压力下喷出的液滴平均粒径在 1mm 以下的雾化水灭火系统。由于变压器火灾是带电的油类火灾,既要考虑油类火灾的特点,又要考虑带电安全距离,水喷雾系统喷射的雾状水滴是不连续的间断水滴,所以具有良好的电绝缘性能,可用于变压器消防保护。一般说来,当水以细小的水雾滴喷射到正在燃烧的
8、变压器表面时会产生以下作用： （1）表面冷却：相同体积的水以水雾滴形态喷出时比直射流形态喷出时的表面积要大几百倍，当水雾滴喷射到燃烧表面时因换热面积大而吸收大量的热迅速汽化，使燃烧的油表面温度迅速降到油热分解所需要的温度以下，使热分解中断,燃烧即中断；同时，由于表面冷却的效果还取决于灭火用水的温度与可燃物闪点的温度差，闪点愈高，与喷雾用水两者之间温差愈大，冷却效果亦愈好。变压器绝缘油的闪点在130140之间，因此变压器水喷雾消防的冷却效果是很好的。 （2）窒息：水雾滴受热后形成原体积 1680 倍的水蒸汽,可使燃烧物质周围空气中氧含量降低，燃烧将会因缺氧而受抑或中断。 （3）乳化：当水雾滴喷射
9、到正在燃烧的变压器油表面时，由于水雾滴的冲击，在液体表层造成搅拌作用，从而造成液体表层的乳化，由于乳化层的不燃性使燃烧中断。 因此，变压器水喷雾系统对变压器的防护能起到灭火,抑制火灾,防止火灾蔓延,预防着火的作用。 3、水喷雾系统的参数 针对本工程脱硫变的具体情况，依据水喷雾灭火系统设计规范 ，其设计参数为：变压器的设计喷雾强度 W=20L/minm2 和变压器底部的排油设计喷雾强度 W=6L/minm2；水喷雾的响应时间为 45s；水喷雾的持续喷雾时间为 0.4 小时；根据保护面积、喷雾强度,参与喷头的雾化角、有效射程及喷头的流量特性,综合考虑整体喷雾效果确定喷头的型号、数量及布置方式。 4
10、、变压器水喷雾消防设计须考虑的问题 （1）本脱硫系统为电厂改造扩建部分，是后建系统。变压器的水喷雾灭火系统，需要设置雨淋阀组，对于电厂的消防系统而言，原有雨淋阀组的数量只能满足原有变压器的要求，后续工程变压器雨淋阀组的规模受到限制，尤其是同时设置两套系统。 （2）变压器的表面对于喷出来的水雾干扰极大，要照顾到整个变压器都会被水雾覆盖及管道对带电设备的安全距离，则必须采用多一点的水雾喷头予以补充，因而实际喷水量要比计算中的喷水量高，这无形中又增加了对水源水量的要求。 （3）喷头及管道与电器设备之间的安全距离,所有喷咀及管道与非绝缘的电力部件或带电部分必须符合要求。水雾最好避免直接在带电高压套管上
11、,因为带电高压套管的温度很高,直接喷在其上极易使其爆裂。 （4）系统的启动方式：水喷雾系统启动方式有水力、气体、电动和手动式启动系统等方式。如采用电动启动方式，则需要线性定温火灾探测器或温差探测器进行探测控制，这样室外布置的变压器就需要考虑环境温度对探测器的影响。 （5）本工程电厂处于北方，寒冷的冬天，如发生冻结，也会严重影响水喷雾灭火的有效性。脱硫变压器采用水喷雾灭火系统是可行的，但所需的喷头多，同时还需要智能型探测组件，整个系统的造价比较高；同时电厂原有消防系统不能满足扩建要求，限制了水喷雾系统的设置。 （二）脱硫变压器设置排油注氮灭火系统 1、排油注氮系统的组成 消防柜、排油安装阀、排油
12、管路、注氮管路、断流阀、温感火灾探测器、压力控制器、检修阀、排气旋塞、氮气瓶、减压阀、油气隔离组件、氮气阀、快速排油阀、操动机构、高压氮气表、低压氮气表、注氮阀、波纹管、控制箱。 2、排油注氮系统工作原理 当变压器内部发生故障，油箱内部产生大量可燃气体，引起气体继电器动作闭合触点，使断路器跳闸，此时若变压器油箱压力继续增大，超过压力释放压和压力控制器设定值则启动防爆防火程序，打开排油阀，排油卸压，防止变压器爆炸起火；同时，断流阀动作，自动切断油枕到变压器箱体的补油油路，杜绝高位油枕的“火上浇油” 。排油 3 秒钟后，氮气从变压器箱体底部注氮口注入，搅拌变压器油，强制冷却故障点及油温，并形成氮气
13、保护层隔绝氧气的进入。当油温降到闪点（135150）和燃点（165190）以下时，便达到防火灭火的目的，即无火防火，有火灭火。随后可连续注氮 30 分钟。大量的氮气充分冷却变压器，可彻底灭火，防止复燃。 3、排油注氮系统的参数 根据本工程情况，其参数为：灭火介质：纯氮 99.99%；氮气瓶容积：240L；瓶内氮气压力：13MPa1.5MPa；氮气减压阀出口压力：0.4MPa0.8MPa（可调） ；快速排油阀动作时间：0.2s；注氮灭火时间：2min；连续注氮时间：30min；温感火灾探测器动作温度：1407；操作电源：DC 220V 5A，或 AC 220V 5A；除湿加热电源：AC 220V
14、 10A。 4、排油注氮系统功能及特点 （1）功能 防爆防火：防止变压器爆炸、防止变压器着火； 快速灭火：万一发生火灾，立即注氮灭火； 杜绝复燃：注氮搅拌冷却油温，消除隐患，杜绝复燃。 （2）特点 反应快速：使用 0.1 秒高速排油阀和电致动器，接获信号经逻辑判断后 0.2 秒内排油卸压防止变压器爆炸，1-20 秒后注入氮气，对变压器油进行搅拌冷却，使故障点的温度降低，并降低可燃气体浓度，隔绝空气，窒息火源。 安全可靠：采用双信号逻辑“与门”原理启动，能防止装置的误动作。 彻底灭火：启动后可连续注氮 30 分钟以上，氮气充分冷却变压器油，使油温降到燃点以下，杜绝复燃的可能。 有利环保：采用氮气
15、为防火灭火介质，不污染环境，灭火不用水，节约水资源。 简便易行：容易安装和维护，无论是对新变压器安装该装置或旧变压器改造使用该装置均简单易行。 经济实用：使用该装置的成本大大低于“水喷雾”灭火系统。 四、脱硫变压器灭火措施的比较 消防设计方案 优缺点 适用性 室外消 栓系统 系统简单，但是对设备本身有损害。 不适用 水喷雾灭 火系统 系统复杂，能够自动探测火灾，自动、定点灭火，灭火可靠性比较高，但需要设置喷头、智能探测器，造价较高；且需要与电厂原有系统配合，受限制内容比较多。 适用 排油注氮 灭火系统 系统简单，能够早期自动抑制火灾的发生，灭火可靠性高，造价较低；且不受电厂原有消防系统的限制，
16、设置灵活。 适用 以上两种灭火系统在变压器消防上均有应用，但是针对本工程脱硫变压器实际情况，从有效、可靠、安全、经济等方面综合考虑，我们选用了排油注氮系统，得到消防主管部门和业主的认可。 五、结语 从以上对两个灭火系统的设计分析可以看出，水喷雾灭火系统对变压器的保护主要停留在电气参数上，而对变压器的压力异常和火灾征候未有可靠保护，此系统是在火灾后进行灭火，为被动灭火系统，是一种火灾事故发生后的减灾装置。而排油注氮系统，可以在变压器故障初期启动防爆防火程序，阻止变压器发生破坏性爆炸及起火；当变压器由于其它原因不慎着火，本装置便立即启动灭火程序，快速扑灭火源，阻止火灾的漫延，保护变压器不致受到大火烧毁造成严重的损坏，更体现了“预防为主、防消结合”的消防方针。 参考文献： 1GB50016-2006,建筑设计防火规范 2GB50229-2006,火力发电厂与变电站设计防火规范 3GA835-2009, 油浸变压器排油注氮灭火装置 4保定天威保变电气股份有限公司.电力变压器手册M.北京:机械工业出版社,2003
