风力发电机组被动式自动消防系统改造

龙源期刊网风力发电机组被动式自动消防系统改造作者：沈华龙来源：《工业技术创新》2018年第05期摘要：有一批未安装自动消防系统的风力发电机组，为防止其发生重大火灾事故，提出一种基于感温磁发电元件探测启动的机舱被动式自动消防系统改造方案：提出在电气柜内布置S气溶胶的措施，在机舱主控柜内布置5个火灾探测点、3个干粉灭火器和1只维修开关，对机舱主控柜、塔基控制柜、塔基变流柜的灭火设计用量进行计算。方案易于实施、经济性好，能有效地对风机进行火灾危险的探测和自动灭火。方案已成功应用于多个风力发电场，为提高那批风力发电机组消防安全性能提供了一种新范式。关键词：风力发电机组；自动消防系统；技术改造；感温磁发电元件；S气溶胶中图分类号：TM315文献标识码：A文章编号：2095-8412（2018）05-059-04工业技术创新URL：http：//：10.14103/j.issn.2095-8412.2018.05.013引言在风力发电机组（以下简称“风机”）安全事故中，火灾事故的发生率仅次于风机叶片事故，且造成的损失最大[1]。我国早期限于风机消防保护产品不成熟、消防标准和规范缺乏等问题，大多数风机并没有安装自动消防保护系统。虽然当时少量风机配置了火灾报警系统或自动灭火系统，但南方潮湿度大，北方风沙重、昼夜温差大、海边盐雾腐蚀严重等气候环境，以及风机工作时的强电磁场和振动等恶劣工况，极大地影响了系统的寿命、可靠性和环境适应性等指标。此外，由于风机装机时间早，随着风机运行时间的增长，其零部件逐渐磨损及老化，故障率不断升高，火灾风险也逐步增大。很多学者对风机自动消防系统的原理与应用进行了研究，如徐大军等[1]对我国风机发展现状和趋势进行了分析，并基于此搭建了风机火灾特性与消防系统模拟试验装置；张亚洲[2]分析了风机自动消防系统设计的技术原理等。目前关于风机自动消防系统改造的研究很少。本文针对风机的火灾特点和防火标准，提出一种易于实施的风机被动式自动消防系统改造方案。该被动式是指自动消防系统独立于主控系统，依赖机械式感温磁发电元件等的物理特性探测启动灭火装置，这样可以更好地防止风机发生重大火灾事故。1风机的火灾特点和防火标准1.1风机的火灾特点龙源期刊网风机发生的火灾有以下六大特点：（1）火灾隐患部位多。控制柜、刹车盘、齿轮箱等都是易引发火灾的部件。（2）可燃烧物种类多。风机使用了很多可燃烧物，如电气元器件、润滑油、玻璃钢等，它们集中于狭小的机舱空间内。（3）风机通风换气迅速，火焰蔓延速度快。一旦发生火灾，火势将快速蔓延至整个风机。（4）风机设备价值高，一旦发生火灾，经济损失巨大。经济损失不仅包括风机近千万元的直接损失，而且包括长时间无法并网发电导致的间接损失。（5）易引发次生火灾。叶片和机舱内的火灾残片会掉落在机组周围的大片区域，这对附近其他建筑物、森林和草原等都是巨大的火灾威胁。（6）火灾扑救难度大。风机大多数位于偏远的丘陵和近海等，这些地方的消防力量严重不足，消防人员一般难以快速到达火灾事故现场。即使及时赶到现场，现有消防救援技术也难于处理近90m高空的风机火灾。因此，对于风机火灾，必须防范于未然，充分借助自动消防系统的早期发现和扑灭[3]。1.2风机的防火标准风机火灾事故时常发生，各国对风机的消防安全问题越来越重视，建立了适合当地的防火标准。在国外，德国制订了DINEN50308-2005《风力发电机组防护措施的设计、操作和维修要求》[4]、GL-2008《风力发电机组消防系统评定规程》[5]、VdS3523-2007《风力发电机组消防指南》[6]。欧洲消防协会联合会制定了CFPA-ENo22：2012F《风力发电机防火导则》[7]等。在我国，早期风电领域的标准体系中并没有消防安全方面的要求，直至2008年，我国制订了地方标准DB64/T524-2008《宁夏风力发电机组消防系统设计、施工、验收规范》[8]。2011年，公安部要求开展“风力发电机组专用消防系统环境适应性研究”的科研任务。公安部天津消防研究所主编并发布了CECS391：2014《风力发电组消防系统技术规程》[9]。2风机自动消防系统改造根据CECS391：2014《风力发电机组消防系统技术规程》[9]的要求，需在风机的机舱和电气柜内设置火灾探测装置和自动灭火装置。龙源期刊网机舱被动式自动消防系统本章节提出一种机舱被动式自动消防系统改造方案。应用特点有：（1）机械式感温磁发电元件用于火灾探测启动，其独立于主控，具有机械式自发电特性，无需电池电源，具有高可靠性；（2）该系统可以实现多点探测，一点启动，同时动作，联动灭火。多点探测就是机械式感温磁发电元件可以设置多个点，实现整个被保护环境的火情探测；一点启动就是任何一個探测点发现火情，都可以启动所有干粉灭火器；同时动作是指启动干粉灭火器时，所有干粉灭火器一起启动；联动灭火是指整套系统连为一体，探测启动在瞬间完成。2.1.1设置5个火灾探测点机械式感温磁发电元件的启动温度为（93±5）℃，当火灾发生时，周围环境温度超过启动温度，热敏元件启动，释放内部弹簧因子。在弹簧力的作用下，固定在移动杆上的磁铁穿过感应线圈，致使线圈产生电脉冲。电脉冲在闭合回路中形成电流，并通过连接线传递至灭火装置，同时将启动灭火的信号反馈到风机监控系统。在机舱内设置5个火灾探测点，布置如图1所示。探测点1用于检测主轴和齿轮箱连接处的温度；探测点2用于探测高速刹车系统处的温度；探测点3用于探测齿轮箱底部油渍和电缆的温度；探测点4用于探测底架下面发电机定转子线束等电缆的温度；探测点5用于探测发电机接线柜处的温度。2.1.2设置3个干粉灭火器考虑到机舱客观存在较大的缝隙，灭火装置采用同时具有局部灭火能力和全淹没灭火能力的非储压式超细干粉灭火装置，确保对机舱实施灭火保护。机舱体积为151.9m3，根据GB50347-2004《干粉灭火系统设计规范》[10]和超细干粉生产厂家的检验报告，结合机舱内部设备的布局特点，在采用全淹没灭火方式时，干粉灭火装置的配置数量为（1）其中，N—干粉灭火装置的配置数量；m—单具灭火装置的充装量，这里取5kg；V1—防护区净容积，m3；C—灭火设计浓度，kg/m3，一般取灭火密度的1.2倍，在厂家提供的检验报告中，灭火密度为120g/m3。龙源期刊网满足（2）其中，Vv—防护区容积，m3；Vg—防护区内不燃烧体和难燃烧体的总体积，m3；Vz—不能切断的通风系统的附加体积，m3。将相关参数代入，得设计用量为（3）因此，采用3台5kg非储压超细干粉灭火装置安装在机舱内的前方、中部和尾部，即可保证机舱内的全淹没浓度。安装方式采用悬挂式。2.1.3设置1只维修开关在机舱内，在机械式感温磁发电元件和干粉灭火装置之间设置1只维修开关。消防系统处于平常的工作状态时，该维修开关处于“通路”的状态，此时消防系统可正常探测和启动；当机舱内有人时，需将维修开关手动关闭，即处于“断路”的状态，此时机械式感温磁发电元件可以探測和自动动作，但不启动超细干粉灭火设备，以防止系统自动启动，避免喷放超细干粉对人员造成伤害。在工作人员离开机舱时，必须手动将维修开关处于“通路”的状态，使消防系统恢复到工作状态。2.1.4改造的电气原理图将3个灭火器命名为EX1、EX2、EX5。按照图1的位置，将启动模块命名为ST1、ST2、ST3、ST4、ST5。改造的电气原理图如图2所示。2.2电气柜内自动消防系统的改造电气柜可能出现的火灾类型主要是电缆、电器火灾；火情主要集中在控制柜内，迅速扑灭控制柜内的火灾，可以最大限度地降低火灾危险性、减少火灾损失。风机需受到消防保护的电气柜有机舱主控柜、塔基控制柜、塔基变流柜。2.2.1设置S气溶胶考虑到电气柜内空间极小且相对密封，安装空间有限，一般在电气柜内设置S气溶胶自动灭火装置，探测装置采用灭火装置本身自带的热敏线。热敏线探测启动方式为：当电气柜内部龙源期刊网℃以上或发生明火时，热敏启动线自燃，自发启动S型气溶胶内的固体药剂点燃，释放出灭火气溶胶，释放时可发出开关量反馈信号，反馈到风机控制系统，告知控制柜内已自动启动灭火。2.2.2灭火设计用量计算机舱主控柜示意图如图3所示，分为左右柜体：左柜体有隔板，但与前门有一定缝隙，烟雾可以通过；右柜体无隔板。塔基控制柜示意图如图4所示，无隔板。塔基变流柜示意图如图5所示，分为左右柜体：右柜体分为上中下三层，每层有隔板；左柜体有隔板，但与前门有一定缝隙，烟雾可以通过。根据GB50370-2005《气体灭火系统设计规范》第3.5.9条的规定[11]，电气柜的气溶胶设计用量计算公式为（3）其中，W—灭火气溶胶设计用量，kg；C2—灭火设计密度，kg/m3，根据GB50370-2005第3.5.3条的规定，C2取130g/m3；V—防护区净容积，m3；Kv—容积修正系数，当V根据式（3），计算风机电气柜的气溶胶设计用量如表1所示。3应用大唐张北乌登山风电场第四期、华能新疆达坂城盐湖风电场等已成功实施自动消防系统改造，机舱和电气柜的自动消防改造实物图如图6所示。该被动式自动消防系统采用无源探测启动方式[12，13]，具有如下优点：（1）独立于主控系统，能避免主控装置的误触发，提高了灭火装置的可靠性；（2）设有机械式火灾探测与启动装置，不易受到风机内部复杂电磁环境的干扰，运行更稳定；（3）成本低、易安装、易实施改造；（4）安装施工后无需维护，降低了客户后期投入的费用。龙源期刊网结论与建议早期未安装自动消防系统的风机随着其零部件的老化，发生重大火灾事故的风险在增大。风机被动式自动消防系统能够实现火灾的智能探测和自动灭火，能在火灾前期将火扑灭，可极大地减少火灾损失。目前新出厂的风机均已根据规范要求等配置了自动消防系统。建议风机运营商以本文工作为指引，综合考虑风机安全和经济性等因素，对早期风机进行自动消防系统改造。参考文献[1]徐大军，张晋，高云升，等.风力发电消防技术现状与趋势分析[J].消防科学与技术，2013，32（12）：1407-1410.[2]张亚洲.风力发电机组自动消防系统设计技术探究[J].机电信息，2015（27）：83-84.[3]徐大军，张晋，刘连喜，等.风力发电机组火灾特性与消防系统应用研究[J].消防科学与技术，2010，29（12）：1081-1083.[4]风力发电机组防护措施的设计、操作和维修要求：DINEN50308-2005[S].[5]风力发电机组消防系统评定规程：GL-2008[S].[6]风力发电机组消防指南：VdS3523-2007[S].[7]风力发电机防火导则：CFPA-ENo22-2012F[S].[8]宁夏风力发电机组消防系统设计、施工、验收规范：DB64/T524-2008[S].[9]风力发电组防火技术规程：CECS391-2014[S].[10]干粉灭火系统设计规范：GB50347-2004[S].[11]气体灭火系统设计规范：GB50370-2005[S].[12]KoehneW，SchleesselmannR，WoebbekingM.GLwindtechnicalnotecertificationoffireprotectionsystemsforwindturbines[R].[s.n.]：GermanyLloyd’sRegister，2009.[13]宫靖远.风电场工程技术手册[M].北京：机械工业出版社，2004.