油浸式变压器灭火系统设计、预制一体化研究

油浸式变压器是发电厂和变电站的主要电力设备之一。 油浸式变压器内充满大量的变压器油， 一旦发生火灾， 不仅影响电厂机组运行， 还威胁到周围建筑、 设备和人员的安全， 因此油浸式变压器灭火系统为整个系统提供了安全保障。 水喷雾灭火系统是室外大型变压器通常采用的一种消防设施， 技术较为成熟， 在国内外均有较为广泛的应用。 对油浸式变压器灭火系统的设计， 国内外标准规范有GB 50016—2014《建筑设计防火规范（2018 年版）》、 GB 50229—2019《火力发电厂与变电所设计防火规范》、DL 5027—2015《电力设备典型消防规程》、 美国NFPA 15—2007、 NFPA 850—2015 等。 本文对国内外相关标准进行了对比分析， 结合国内工程公司承包的国外设计施工一体化模式工程实例， 介绍了在美国标准NFPA 及ASME 操作规程下进行油浸变压器灭火系统的设计、 预制、 包装的一体化实施过程。

1 国内外标准对比分析

国内对油浸式变压器灭火系统的设置， 常规依据GB 50016—2014（2018 年版）、 GB 50229—2019和DL 5027—2015。 这3 本规范都从油浸式变压器的装机容量方面提出了要求， 其中GB 50016—2014（2018 年版）在8.3.8 条中要求“单台容量在40 MV·A 及以上的厂矿企业油浸变压器， 单台容量在90 MV·A 及以上的电厂油浸变压器， 单台容量在125 MV·A 及以上的独立变电站油浸变压器”应设置自动灭火系统， 并宜采用水喷雾灭火系统； 而GB 50229—2019 在7.1.6 条中对50 ～150 MW 的燃煤电厂和7.1.7 条中对200 MW 及以上但小于300 MW 的燃煤电厂规定“容量为90 MV·A 及以上的油浸变压器应设置自动报警系统、 水喷雾灭火系统或其他灭火系统”。 DL 5027—2015 的10.3.1 条则进行了更细致的规定： “火电厂包括燃机电厂单台容量为90 MV·A 及以上的油浸变压器应设置固定自动灭火系统及火灾自动报警系统”。 水电厂“室外单台容量90 MV·A 及以上的油浸变压器应设置固定自动灭火系统及火灾自动报警系统”。 美国标准NFPA 850—2015 并未专门针对油浸式变压器的装机容量规模提要求， 而是提出了油浸变压器油超过500 gal（1 893 L）需要设置2 h 等级防火墙的保护措施， 如果该保护措施不能在平面直线距离和高度上提供有效的保护， 则必须设置水喷雾或者泡沫灭火系统［1］。

此外， 国内外标准在设计喷雾强度方面也有差别。 国内标准对于变压器及油断路器的设计喷雾强度要求为20 L／（min·m2）， 对集油坑的设计喷雾强度要求为6 L／（min·m2）， 而美国标准NFPA 15—2007 中对油浸式变压器设计喷雾强度要求为： 油浸式变压器设计喷雾强度为10.2 L／（min·m2）， 集油坑设计喷雾强度为6.1 L／（min·m2）［2］。

2 油浸式变压器灭火系统设计预制一体化

国外某项目新增5 台50 MV·A 油浸式变压器附设灭火系统， 项目规定设计、 制造全部采用美国标准， 水喷雾灭火系统设计按照NFPA 15—2007设置固定式消防水喷淋设备， 管材、 板材等材料全部选用ASME 标准材质， 管道制造按照ASME 规程进行操作， 包装按照国际港口包装要求进行。

2.1 系统组成

油浸式变压器水喷雾灭火系统主要由水源、 供水设备、 供水管道、 过滤器、 雨淋阀组和高速水雾喷头及相应的火灾自动探测报警系统等组成。 本项目采用稳高压给水系统， 稳压泵保证管网中的压力满足消防时的要求。 整个水喷雾灭火系统采用自动控制， 紧急情况时可采用手动控制和应急操作。

变压器类带电类火灾， 必须选用离心雾化型高速水雾喷头， 喷头选型时需要考虑喷头的有效射程和最大喷射高度， 使最远端在有效射程范围内。 高速水雾喷头的雾化角， 充分考虑满足最大覆盖面的使用要求， 选用120° 雾化角。 由于本项目处于沙漠地带， 水雾喷头加设防尘罩［3-4］。

2.2 设计计算

根据NFPA 15—2007 标准规定， 变压器水喷雾灭火系统图和计算简图如图1 所示， 主要设计参数取值及计算结果见表1、 表2 所示。

表1 油浸式变压器设计参数（NFPA 15—2007）
Tab. 1 Design parameters of oil-immersed transformer（NFPA 15—2007）

表2 水喷雾灭火系统计算结果
Tab. 2 Calculation results of water spray fire protection system

图1 室外单台油浸式变压器水喷雾灭火系统图和计算简图
Fig. 1 System and calculation diagram of water spray fire protetion system for outdoor single oil-immersed transformer

2.3 自动报警和联动控制系统

该项目按照高度在油浸式变压器外表面1.5 m、4.0 m 处设置2 层感温型火灾探测器， 在油枕处单独设置1 个感温型火灾探测器， 在整个变压器区域对角处各设置1 处视频火灾探测器， 视角覆盖这5台油浸式变压器区域。 一旦系统发生火灾， 报警信号同时传送至值班室和消防控制中心。 值班室和消防控制中心可以从视频监控中发现和了解火灾情况， 并及时采取措施并安排消防专业人员进行后续消防等安全操作［5］。

2.4 管道、 管件材质及连接

该项目处于沙漠地带， 管道不考虑保温， 管道选用普通ASTM A106 碳钢管道， 管件选用ASTM A234 管件， 热浸锌处理， 所有的大于或等于2 英寸（5.08 cm）的管道采用氩弧焊打底， 焊接连接，其余选用螺纹连接。 包装运输规格决定了管道的分段长度， 段与段之间采用法兰连接， 法兰选用带颈对焊突面法兰， 热浸锌处理。 高速水雾喷头选用了铜合金镀铬材质。

2.5 管道支架设计

管道支架的设置应满足最大允许跨距的要求，需对管道支架的刚度和强度进行计算， 计算时考虑风载、 地震载荷、 管道充水后的重力载荷。 管道支架的生根考虑设置在地面上， 采用预埋地脚螺栓进行设置。 在管道的支架基础设计上， 本项目采用了联合基础的型式， 即管道支架的基础和集油坑的基础做成一体的， 既可以减少管道与变压器间距， 也加强了管道支架基础的强度， 有利于现场施工。

3 管道预制

设计预制一体化要求施工现场尽量减少点火动焊， 加大预制深度， 因而所有的管道及支架都必须在国内预制完成， 运输到现场后仅仅进行螺栓连接。 在管道预制时， 需要预制厂按照ASME 操作规程， 使所有的操作具有可追溯性。 要求填写材料到货验收记录、 材料追踪记录、 钢管组对记录、 焊接记录、 焊缝检查记录、 射线检验评定记录、 射线探伤报告、 水压试验报告、 喷漆记录、 镀锌记录、 外观检查记录。 这些记录是竣工资料的一部分， 需要预制厂严格按照ASME 操作规程进行记录。

4 包装发运

将管道运输至国外施工现场， 包装是很重要的环节， 包装的型式关系着合格的产品能否安全合格运输到现场。 本项目按照国际包装运输要求， 对管道进行塑料膜包覆和缠绕胶带各两层， 外层包覆防雨布， 整体采用铁笼包装， 管道固定在铁笼上， 防止串动。 紧固件、 喷头等放入铁箱中， 铁箱内放入海绵等软性物质。 最后统一采用集装箱运输。

5 结语

越来越多的国外工程项目使用了设计预制一体化的施工模式， 加大工程的国内预制深度， 减少工程的国外施工量， 实现降本增效的目标。 精湛的设计、 严谨的预制和规范的操作流程相结合， 需要在实践中结合设计方案和预制过程， 给出最优化方案， 做到安全可靠、 经济合理。