變壓器油蒸氣爆炸與泄爆過程數值模擬

趙欣宇 楊黎波 董一夫 付萬璋 吳俊 徐啟明 任家帆

(1.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司 武漢 430074；2.南京理工大學化工學院 南京 210094)

0 引言

在變壓器的長時間運行中，當內部出現嚴重過載、短路、絕緣損壞等故障而沒有進行及時檢修時，變壓器油在受到高溫或電弧作用下極易受熱分解，分解時會產生大量烴類混合氣體，使得變壓器內部壓力急劇上升，造成變壓器油箱破壞而產生氣體泄漏事故。當熱分解產生的泄漏產物(烴類混合氣體和變壓器油霧)與空氣混合后，被外界高溫引燃，就會發生蒸氣爆炸，導致變壓器爆炸事故的發生。

2000年達拉特發電廠發生了變壓器爆炸事故， 2016年西安一變電站主變壓器起火后爆炸。變壓器油作為易燃易爆物質，對其火災特性已經有很多研究。張博思等[1]利用錐形量熱儀證明了變壓器油的引燃時間隨初始油溫的升高而變短，且外加熱源強度對變壓器油燃燒特性有著顯著影響。范明豪等[2]采用全尺寸熱釋放速率實驗臺，針對典型變壓器油進行燃燒和撲滅實驗，研究了變壓器油的燃燒熱特性。但大多研究都集中在對變壓器油的微量熱分析上，對變壓器油的熱爆炸研究不足。而實際情況下，變壓器是廠區極重要的裝置，且變壓器附近可能布置有較為貴重的大型儀器，變壓器油的存量大，若發生事故必然會造成嚴重的人員傷亡和財產損失[3-4]。

因此本文針對實際情況下變壓器油發生的燃爆事故進行模擬仿真，獲得變壓器閥廳內壓力隨時間變化的數據。同時，研究不同尺寸的泄爆口對廠房內壓力的影響，為抗爆門的選材及布置，以及泄爆口的開孔尺寸設置提供參考。

1 數值模擬研究

1.1 理論模型

變壓器油的熱解化學反應方程式[5]見式(1)：

C10H22=10.6H2+0.06CH4+0.24C2H2+0.02C2H4+9.42C

(1)

可以看出變壓器油的氣態熱解產物中H2占到了97.16%，因此本文對變壓器油的閃蒸爆炸仿真模擬以氫氣爆炸為模型。氫氣燃爆是復雜的湍流燃爆過程，本文對其燃爆過程中產生的湍流采用標準k-ε模型來處理，采用Arrhenius方程來描述氫氣的化學反應過程。在迭代求解含化學反應的Navier-Stokes方程時，需要建立并求解一系列的控制方程，主要控制方程見式(2) 、式(3) 、式(4) 、式(5)[6-8]。

(2)

(3)

(4)

(5)

1.2 模型及網格設置

根據變壓器閥廳尺寸和變壓器位置等具體信息建立實際尺寸的三維模型，閥廳中間位置為變壓器油箱，閥廳頂部為呈現一定傾斜角度的斜面，在抗爆門上設置了12個壓力監測點，其編號如圖1所示。

三維模型采用拓撲切分方式劃分高精度全六面體網格，為捕獲泄爆口處的壓力變化，對泄爆口處網格進行加密處理，網格總數為51萬。圖2為該三維模型的網格分布。

圖1 三維模型與監測點

(a)變壓器閥廳及外部泄放空間

(b)障礙物表面

1.3 計算工況

根據實際情況選擇了不同的頂部泄爆面積和蒸氣云團質量作為模擬工況，具體描述見表1。按照變壓器油燃燒熱與TNT爆熱以及爆炸收率對蒸氣云團質量進行TNT當量換算，本文后續使用TNT當量進行描述。

表1 計算工況設置

在3種不同TNT當量情況下，初始蒸氣云團所占體積如圖3所示。

(a)0.2 kg TNT當量 (b)0.6 kg TNT當量 (c)1.0 kg TNT當量

2 模擬結果與分析

2.1模擬結果

第一組模擬結果為無泄爆工況。圖4為3種工況分別在10 ms、30 ms時的壓力分布云圖。

(a)1-1 10 ms (b)1-2 10 ms (c)1-3 10 ms

(d)1-1 30 ms (e)1-2 30 ms (f)1-3 30 ms

第二組模擬結果為頂部開啟2 m2泄爆口的工況。圖5為3種工況分別在10 ms、30 ms時的壓力分布云圖。

(a)2-1 10 ms (b)2-2 10 ms (c)2-3 10 ms

(d)2-1 30 ms (e)2-2 30 ms (f)2-3 30 ms

第三組模擬結果為頂部開啟5 m2泄爆口的工況。圖6為第三組仿真3種工況分別在10 ms、30 ms時的壓力分布云圖。

(a)3-1 10 ms (b)3-2 10 ms (c)3-3 10 ms

(d)3-1 30 ms (e)3-2 30 ms (f)3-3 30 ms

由上述模擬結果可知，在氣體被點燃后，初始沖擊波呈現球面波的形式向四周傳播，在與壁面碰撞后發生反射，反射位置的壁面壓力有所加強。

2.2 模擬結果分析

由模擬實驗結果可以得到各個監測點在蒸氣云團爆炸后可達到的最大壓力。圖7為當泄爆面積相同時，不同TNT當量下各監測點達到的最大壓力變化趨勢圖，其中a、b、c分別為第一組、第二組和第三組的模擬工況條件。

(a)第一組 (b)第二組 (c)第三組

由結果可以看出，在泄爆口面積為0 m2、2 m2和5 m2三種不同的模擬工況下，監測點最大壓力均出現同樣的趨勢：當泄爆面積相同時，隨著爆炸當量的增加，各個監測點監測到的最大壓力均出現不同程度的增加，即整面抗爆門所承受的壓力在逐漸增大。且由整體變化趨勢來看，監測點8#的壓力變化最明顯：當TNT當量達到1.0 kg，監測點8#的壓力猛然增大，出現一個尖峰。可以得出在泄爆面積相同的前提下，隨著爆炸當量呈數量級增加，在達到一個臨界值后，可能會對泄爆墻產生極大的威脅。

根據圖1可以看出，監測點1#、2#、3#、4#處在同一豎直線上，而在相同工況下，這4個監測點監測到的壓力隨著位置從上到下依次減小；而監測點5#、6#、7#監測到的壓力隨著位置從上到下先減小后增加，監測點7#監測到的壓力反而較監測點6#有所升高，這是由于波陣面傳播到抗爆門后，由于受到儀器的影響，以倒梯形波形在墻面上擴張，當兩邊的波傳播到壁面后發生反射，反射波在抗爆門上形成了新的波陣面，并與抗爆門上向下傳播的波陣面疊加，從而導致下方監測點壓力會高于上方監測點情況。并且由于受到儀器和爆炸位置的影響，抗爆門上的最大壓力出現在墻中心偏上位置。

圖8為在爆炸TNT當量相同的模擬工況下，不同泄爆面積下各監測點監測到的最大壓力，其中(a)、(b)、(c)分別為TNT當量為0.2 kg、0.6 kg、1.0 kg。

(a)0.2 kg TNT當量

(b)0.6 kg TNT當量

(c)1.0 kg TNT當量

由仿真結果得出，第一組模擬工況下無泄爆，第二組和第三組均泄爆。因此根據圖8可以看出，在TNT當量相同的情況下，當變壓器閥廳產生泄爆，各監測點監測到的最大壓力明顯小于無泄爆工況下的最大壓力；且隨著TNT當量的增加，其泄爆效果越來越不明顯。這是由于發生爆炸后氣體膨脹，當TNT當量較小，蒸氣云團體積也小，從泄爆口排出的氣體較多，隨著TNT當量的增加，蒸氣云團體積增大，從泄爆口排出的氣體反而較原氣體體積越來越少，更多的氣體被壓縮至工房內部，從而導致泄爆效果降低。因此要根據變壓器閥廳內所儲存的變壓器油的量，從經濟角度出發合理地控制泄爆口的大小。

3 結論

(1)蒸氣云爆炸產生的沖擊波在閥廳內部空間會發生反射，反射壓力與入射壓力相比會存在明顯的增強。

(2)獲得了不同爆炸當量情況下，泄爆面積相同時抗爆門上的壓力變化。在無泄爆和1 kg TNT當量的情況下抗爆門上壓力最大為360 kPa。

(3)通過研究發現，相同爆炸當量下，5 m2泄爆工況承受的最大壓力最低至280 kPa，但隨著爆炸當量的增加，泄爆效果逐漸降低。