风电机组自动消防系统优化设计方案探究

引言

据行业统计,截至2020年底,我国累计装机容量达2.8亿k，2020年运行超过5年的机组将超过累计装机的50%。随着新增装机量的增加,现役机组安全可靠性及机组性能问题也逐渐凸显出来。此外,由于风机装机时间早,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。风电机组火灾事故造成的损伤最大,产生的负面影响最多,是广大业主和整机厂商均极力避免发生的一类恶性事故。早期风力发电设备整机厂家,在设计制造阶段几乎没有配套设计有效的自动消防系统,这也是近些年风机恶性火灾事故频发的重要原因。近两年,为预防风电机组发生火灾事故,给新增装机安装自动消防系统几乎已成标准配置,老旧机组自动消防系统技术改造也呈现日渐增多的趋势,这充分符合风力发电企业安全生产要求,故开展风电机组自动消防系统技术改造研究具有重大意义。

1风电机组安装自动消防系统的必要性分析

2014年国家能源局下发的《防止电力生产事故的二十五项重点要求》(国能安全(2014)161号）第2.11.11条款和《电力设备典型消防规程》(DL5027一2015）第13.3.5项条款均对风电机组安装自动消防系统提出了一定要求。在《风力发电机组防火技术规程》(CECS391一2014）中,对风电机组自动消防系统的防护单元、系统选型、装置组件、设计施工、验收维护等进行了全方位规定,对风机自动消防系统设计具有重要指导作用。

风电机组安装自动消防系统,当发生火灾时,自动消防系统启动后,可最大程度保证机组、人员安全,减少机组烧毁造成的经济损失。为遏制风电机组重大/特大火灾事故的发生,及时将机舱内火灾灾情消除,建议在风电机组上安装自动灭火装置。

2自动消防系统技改方案介绍

风电机组自动消防系统的技术改造应遵循经济实惠、高效可靠、实用性强的原则。本文对风电机组自动消防系统设计方案进行了研究,对传统的改造方案进行了系统优化,提出了机舱大空间采用主动性自动消防系统(含视频安防联动）、电气柜内采用被动式自动消防系统(S型热气溶胶）的设计方案。

2.1机舱大空间主动式自动消防系统

2.1.1机舱主动式电启动消防控制逻辑

(1）系统预报警:火灾报警控制器处于"自动"状态下,当3种探测器(感温、感烟、火焰探测）的其中一种探测器触发,火灾报警控制器将向升压站集控室监控界面发送报警信号,现场声光报警器不亮,超细干粉不启动。与此同时,机舱内360)云台旋转智能球形摄像机自动联动消防报警系统,智能选取放大报警界面,展示机舱着火点着火情况,以便值班人员判断火情。启动流程详解如图1所示。

(2）系统动作:火灾报警控制器处于"自动"状态时,当3种探测器(感温、感烟、火焰探测）的两种探测器触发,现场声光报警器响亮,启动延时灯亮,延时30s后,火灾报警控制器将启动机舱内的超细干粉灭火装置进行灭火,火灾报警控制器将启动反馈信号给中控室监控平台。

(3）系统手动控制:气体释放报警器和紧急启停按钮均具有手/自动转换功能以及启动/停止功能,当有操作人员进入机舱进行维护作业时,要求将消防系统调到手动控制模式,即操作人员发现火情时可手动启动机舱内的消防系统,火灾报警控制器接收到紧急启动信号后,系统延时30s启动灭火装置进行灭火:在此时间段内如确认为误操作,可通过紧急启停按钮终止启动。手动启动灭火装置后,火灾报警控制器同时会释放启动反馈信号给中控室监控平台。报警控制器在手动状态下,任何回路被触发,不会启动灭火装置,现场可通过启停按钮进行启动/停止操作,中控室监控平台会接收报警信息。

(4）远程启动:中控室监控平台可远程启动超细干粉灭火装置灭火。

(5）联动控制要求:

1）机舱自动消防系统具有在任意两种火灾探测器报警触发后实现联动停机功能。

2）机舱自动消防系统具有在任意两种火灾探测器报警触发后立即关闭机舱内齿轮箱散热风扇、发电机散热风扇的功能,防止自动灭火装置喷放后灭火介质被风扇吸至机舱外或干变室内。

3）视频安防联动功能:3609云台旋转智能球形摄像机与消防控制系统联动,自动消防系统报警时可以智能选取放大着火点界面。

2.1.2机舱超细干粉自启动消防控制逻辑

机舱每具超细干粉自带感温磁发电装置和热敏线,若感温磁发电元件周围环境温度达到93℃或热敏线温度达到175℃,超细干粉将自行喷放灭火。其自启反馈信号通过火灾报警控制器反馈至中控室集中监控系统,告知监盘人员舱内起火。

2.2电气柜内被动式自动消防系统

2.2.1机舱/塔基电气柜内热气溶胶消防控制逻辑

与机舱超细干粉电启动控制逻辑不同,考虑到各电气柜内为封闭的独立防火分区,一旦电气柜内发生火灾,温度上升极快,故从经济、成本角度考虑,电气柜内未安装感温、感烟探测器,采用被动式灭火系统。每个封闭的防火分区内的热气溶胶自带感温磁发电装置和热敏线,若感温磁发电元件周围环境温度达到93℃或热敏线温度达到175℃,防火分区内的热气溶胶将自行喷放灭火,其喷放信号反馈至中控室集中监控系统,告知监盘人员电气柜内热气溶胶已喷放灭火,如图2所示。

2.2.2轮毂电气柜内离线式自动消防系统消防控制逻辑

考虑到轮毂电气柜为旋转部件,从运行安全可靠性角度考虑,轮毂电气柜内安装离线式一体式微型热气溶胶灭火装置,若感温磁发电装置检测温度达到93℃,轮毂电气柜内热气溶胶喷放,进行全淹没式灭火,如图3所示。

3灭火介质设计用量计算

本文以国外某进口型号风电机组为例,进行灭火介质设计用量计算。

3.1机舱超细干粉计算

机舱大空间超细干粉全淹没灭火剂用量参照《干粉灭火系统设计规范》(GB50347一2004）第3.2.2条进行计算:

式中:m为干粉设计用量(kg）:K1为灭火剂设计浓度(kg/m³）,取型式试验报告中灭火密度的1.3倍,超细干粉型式试验报告中灭火密度为130g/m3:v为机舱净容积(m³）:v_v为防护区总容积(m³）:v_g为防护区内不燃烧体和难燃烧体的总体积(m³）:v_z为不能切断的通风系统的附加体积(m³）。

代入具体参数,得:

因每具超细干粉不得大于5kg,故采用4具5kg的FFx-ACF型风电机组专用的超细干粉,分别悬挂安装在机舱的低速轴上方、齿轮箱上方、高速轴联轴器上方、发电机集电环上方,便可保证机舱内的全淹没设计浓度。

3.2热气溶胶计算

根据《气体灭火系统设计规范》(GB50370一2005）第2.5.9条,热气溶胶设计用量按下式计算:

式中:w为灭火设计用量:C2为灭火设计浓度(kg/m3）,本例计算统一取130g/m3:Kv为容积修正系数,Kv=1.0:v为防护区净容积(m3）,v<500m3。

根据现场实际测量的风机内各电气柜的体积,按每一个封闭空间为一个独立的防火分区计算,结果如表1所示。

4结语

风电机组发生火灾事故造成的损失是难以估量的,并且传统的消防设施很难有效扑救,故开展风电机组自动消防系统研究具有重要意义。本文针对风电机组自动消防系统,提出了机舱大空间主动式自动消防＋电气柜内被动式消防系统相结合的改造方案,希望对广大风电从业者有一定的借鉴、指引作用。