风力发电机组火灾特性及消防系统应用

风力发电机组火灾特性及消防系统应用试验研究公安部天津消防研究所公安部四川消防科研所2010年3月第一章项目概述世界风能发展迅猛安全事故频发火灾事故不断经济损失巨大消防设施空白消防问题亟待解决•研究背景•研究目标任务建立风力发电机组的火灾特性及消防系统应用模拟试验研究装置；对风力发电机组的火灾特性和消防系统应用进行模拟试验研究；提出适合风力发电机组特殊运行环境和技术条件的专用消防系统集成方案；为国家风力发电行业的消防设计防火规范以及相关产品标准和检测标准的制订提供依据。第二章国内外研究现状及发展趋势•德国国家标准DINEN50308-2005《风力发电机组防护措施的设计、操作和维修要求》包含机组的消防安全防护。•隶属于德国保险业联合会（GDV）的安防认证机构VdS于2007年制订了风力发电机消防系统测试认证标准VdS-3523《风力发电机组消防指南》。•2008年德国劳埃德船级社（GL）制订《风力发电机组消防系统评定规程》•美国NFPA850《发电厂和高压直流转换站的防火推荐规程》，在2009年的修订版中增加了3个章节：风力发电太阳能发电地热能发电•我国宁夏制订了地方标准DB64/T524-2008《宁夏风力发电机组消防系统设计、施工、验收规范》。•近年德国在一些大型风力发电机组中设置了自动消防设施（REpower5M）。•目前我国的风力发电机组只是在机舱内放置了两具灭火器而已。第三章风力发电机组火灾特性研究•风力发电机组的基本结构叶轮机舱塔架控制系统容易发生火灾的部位和设备•机舱组成：主轴总成、润滑散热系统、齿轮箱、刹车系统、发电机、提升机、偏航轴承、偏航驱动、机舱底座、照明系统、传输电缆、控制柜等。隐患部位：润滑散热系统、齿轮箱、刹车系统、机舱底座、传输电缆、控制柜等部位容易引发火灾。火因：高温运行、通风不良、过热老化、润滑油泄露、高速制动和极端恶劣气候条件等。•叶轮组成：叶片、整流罩、轮毂、叶片调节电机与控制系统等。隐患部位：叶片、调节电机与控制系统。火因：叶片遭受雷击、电机超负荷运行、控制系统过热老化击穿等。风机叶片雷击火灾•塔架组成：一般为中空圆柱形，设有数个平台，内有爬梯、传输控制电缆，塔架底层设有变频柜、控制柜等。隐患部位：传输控制电缆、变频柜、控制柜等设施。火因：控制柜空间狭小、通风不良、电气元件过热老化击穿，电缆过流绝缘降低。可燃物品种类及分布特点•风力发电机组上采用的可燃物品种类较多，包括：各类润滑油、液压油、高压胶管、通风管、电气元件、电线电缆、油漆、密封材料、隔热吸音棉、机舱罩和叶片材料等等。•这些可燃物品分布在叶轮、机舱和塔架的不同部位，其中机舱罩内的可燃物品种类和数量最多，机器设备也多，布置密集，空间窄小，火灾危险性最高。国外风力发电机组火灾统计分析表3世界风力发电机安全事故统计表（2009.12.31-英国）事故类别发生起数占比（%）备注死亡事故608.4%亡66人伤害事故385.3%叶片事故16723.4%叶片损坏、脱落火灾事故13819.3%毁灭性结构损坏事故8411.7%主要部件和塔架结冰抛击事故(icethrow)273.8%结冰坠落和抛出击打运输事故456.3%运输和装卸破坏环境事故608.4%含珍稀动植物和鸟类死亡其它事故9613.4%总数715100.0%表4德国风机火灾统计表（2002-2005）共22起毁灭性火灾事故由控制柜引发的火灾事故16起，占72.7%国内风力发电机组火灾案例分析•海南某风电场一起风力发电机组火灾分析损失：塔筒底部电气控制柜和变频柜全部烧毁，停机2月。火因：电气控制柜通风不良，散热条件差，运行温度过高。一年内电气控制柜温度高于55℃的长达41天，最高温度达63.5℃，而无功补偿电容器最高允许使用温度不超过55℃。曾大量损坏，但未采取有效措施。消防救援：无自动灭火设施，外部救援无效，水渍损失大。•福建某风电场一起风力发电机组火灾分析损失：36＃进口机组全部烧毁，直接经济损失一千多万元。火因：机舱主变压器后侧三相绝缘垫块盐雾凝结污染严重，形成污闪电晕放电现象，造成对地、相间短路，形成电弧，引起火灾。消防救援：无自动灭火设施，因夜间大雾人员无法到达现场。27#机组变压器后侧污闪痕迹36#机组火灾残骸•内蒙某风电场一起风力发电机组火灾分析损失：一台2MW机组全部烧毁，直接经济损失两千多万元。火因：待查。消防救援：无自动灭火设施。消防队赶到现场，但面对60余米高的机舱和叶片火灾无力施救，束手无策！只能退离100米之外的上风方向，见机扑灭掉落残片之火焰，避免引起草原大火！三起火灾警示•机组无自动消防设施，不能早期发现火情，不能早期灭火控制，一旦发生火灾，无法避免巨大损失。•人员无法及时赶到现场。•外部救援灭火无能为力，只能望火兴叹！•风力发电机组的消防安全保护已刻不容缓！•风力发电机组火灾的特点可燃物种类多，火灾荷载密度大。火灾隐患多，容易发生电气火灾、固体火灾和液体火灾。通风换气迅速，火焰蔓延速度快。设备价值高，火灾损失大，一旦发生火灾，将造成巨大的直接损失和间接损失。容易引起附近建构筑物火灾，诱发森林火灾和草原火灾。火灾扑救难度大，外部救援几无可能，且火灾坠落物严重威胁救援人员人身安全。第四章风力发电机组消防系统应用•风力发电机组所处环境技术条件对消防系统有不利影响：内部通风设备和外部环境风速形成强气流，机舱内部快速通风换气，对火灾探测器的快速响应和灭火装置的灭火效能有较大影响；工作环境的极低温（-40℃以下）和极高温（+50℃以上）对设备长期运行可靠性的不利影响；震动尤其是横向震动对设备安装和安全运行产生不利影响；水雾、盐雾和腐蚀性气体、沙尘等恶劣气候环境对设备长期可靠运行的不利影响；机舱内强电磁场和电磁兼容性对设备运行可靠性的影响。•风机叶片、机舱、隔热吸音棉、电缆、刹车系统等的防火问题美国NFPA850-2009《发电厂和高压直流转换站的防火推荐规程》推荐采用不燃材料制作风机叶片和机舱等重要部件。国内已见到采用混合添加剂来提高叶片阻燃性能（氧指数）的研究报道。国内某公司研制成功具有隔音、保温和阻燃性能的风力发电机组机舱隔音结构，并已申请专利。电缆过流引发的电气火灾，具有不易监控、蔓延速度快的特点，应对电缆和电缆井口、孔洞等采取防火措施。刹车系统在高速制动时容易产生火花和高温碎屑，可能引燃附近泄露的润滑油和其它可燃物而酿成火灾。•防火分区问题机舱和塔筒上下联通，有较多的输电电缆和控制电缆，火灾时容易通过电缆上下蔓延而难于控制；爬梯口容易产生烟囱效应；划分防火分区，阻止火灾的蔓延，使火灾损失降低到最小程度。•火灾自动探测装置的选择设置问题少量的烟雾可能被大量的空气流稀释，应选择高灵敏度的感烟探测器，如吸气式感烟探测器等。窄小空间内热空气分层形成热屏障效应，探测器的设置位置和高度要适当，在排风口附近应增加探测点。烟雾和热气流容易受密集的设备、线缆以及电缆夹层结构的阻挡，探测器应在易发生火灾的设备和部位多点布置。电气设备控制柜等装置的外壳密闭性强，应把吸气式感烟探测器的吸气管伸入柜内探测或单独安装一只探测器。电线电缆火灾初期发热和发烟量很少，而且这些量少且温度不高的烟气的扩散能力很差。普通探测器很难探测到，采用吸气式感烟探测器贴近布管和缆式线形感温探测器组合可能会取得好的探测效果。变速箱和发电机等的异常高温由于快速换气不易探测，采用缆式感温探测器接触缠绕探测可能更可靠有效。所选设备性能稳定可靠，易于维护管理，运行成本低。•火灾自动灭火装置的选择设置问题强空气对流和开敞空间孔洞容易导致灭火药剂的快速流失，对需要较长时间才能灭火装置不利，应选用能够快速灭火的灭火装置和灭火药剂。机舱内设备密集，空间窄小，会阻挡灭火药剂的喷放和扩散，应选用全淹没应用和局部应用能力都好的灭火装置，灭火装置应重点布置在变速箱、刹车盘、发电机、电缆夹层等易发生火灾的部位。由于可能发生火灾的设备和部位较多，应尽量采取全淹没灭火方式，并考虑足够灭火剂用量和流失补偿量。机舱内设备安装条件和空间有限，应尽量采用安装简便、占用空间少的无管网灭火装置。电气控制柜、变频柜等封闭设备应内置小型自动灭火装置才能有效控制灭火。灭火药剂不会对机组设备造成二次污染，容易清理，不污染环境，不破坏大气层。所选设备性能稳定可靠，易于维护管理，运行成本低。•几类常用灭火装置的对比分析通过对灭火装置的适用范围、灭火机理、灭火方式、灭火剂喷放时间、灭火剂用量、灭火装置体积、灭火装置安装、灭火剂储存压力、灭火后清理和二次污染、安装和维护成本等综合性能经济指标分析判断：超细干粉灭火装置和高压细水雾装置比较适合风力发电机组的运行环境和技术条件。常温下(+0度以上)六氟丙烷和七氟丙烷的性价比和适用性也不错，但灭火时会产生氢氟酸，具有腐蚀性，对人体有明显的毒性。风力发电机组防火措施和专用消防系统•专用消防系统集成方案应遵循的基本原则：做到智能防护，自动控制，无需人员值守，联网能力强；做到极早发现火情，实行多级预防与灭火控制；报警系统与灭火系统和生产安全控制系统的联动协调有序；设备的选用和设置必需符合机组运行环境的基本要求；必须快速高效灭火，防止重大经济损失；设备安装维护简便、长期运行性能稳定可靠、运行成本低；注重机组构件材料的防火保护和防火分区划分相结合，增强机组各主要构件的防火性能，提高机组整体抵御火灾能力和防火分隔能力，有效控制火灾蔓延。•基本要求使用环境温度：-40ºC~60ºC，振动条件，雷电环境，电磁环境，耐腐蚀环境条件。•专用火灾自动报警系统设置要求由火灾探测器、火灾报警按钮和专用火灾报警控制器组成。设置足够数量的高灵敏度感烟探测器，如极早期吸气式烟雾探测器，实行多级报警，分级防控。齿轮箱、刹车系统、传输电缆、发电机等部位应设置缆式线形感温探测器。可设置视频火灾探测器，重点监控齿轮箱、刹车盘、发电机、控制柜等部位，应避免留下视频死角。火灾报警信号应联动灭火装置和机舱排风系统，并与生产安全控制系统协调联动。每台风力发电机组塔架底部设置一台专用火灾报警控制器，并可设置一台视频火灾监测器，控制风力发电机组专用消防系统运行，并将火警、故障、灭火等信号通过风力发电场生产控制网络传输至风力发电场主控制室内的火灾报警控制器主机。•专用灭火装置设置要求在机舱内应设置非贮压悬挂式超细干粉灭火装置或瓶组式高压细水雾灭火装置，具备自动、手动和自身温控三种启动方式；机舱作为一个防护区，实行全淹没灭火；电气控制柜、变频柜等封闭设备内设置气溶胶或其他适宜的小型灭火装置，具备自动、手动和自身温控三种启动方式。•电缆防火涂料和防火堵料的设置要求涂刷电缆防火涂料，采用防火堵料封堵井口，洞口和进出线口。•叶片、机舱、隔热吸音棉和刹车系统的防火措施要求风机叶片、机舱、隔热吸音棉采用不燃、难燃或经阻燃处理的材料制作，并在机舱内涂刷防火涂料。对风机叶片和机舱采取更加科学有效的防雷措施，切实减少机组雷击火灾事故的发生。对刹车系统采取封闭隔离措施，避免高速制动时产生的火花和高温碎屑引发火灾。•防火分区设置要求将机舱作为一个防火分区，塔筒按平台自然划分成若干个防火分区。各分区之间的联通孔洞、通道、爬梯口和电缆井等，应采用防火隔板、防火堵料和其它防火材料封堵。•灭火器设置要求第五章模拟试验研究装置模拟试验研究装置外部和控制室照片模拟试验研究装置内部照片•试验采用的专用消防系统包括如下设备：极早期吸气式感烟探测报警器感温电缆智能视频火灾探测器火灾报警控制器智能视频火灾监测系统主机超细干粉灭火装置和高压细水雾灭火装置第六章模拟试验研究•模拟火源的选择和放置位置A类火木垛火源，放置在靠近变速箱和刹车盘的位置。B类火汽油油盘火源，放置在靠近变速箱和刹车盘的位置。B类汽油油罐火源，放置在变速箱。聚氨酯泡沫火源，放置在刹车盘和电缆夹层。丙酮火源，放置在靠近变速箱