風(fēng)力發(fā)電機組典型火災(zāi)原因分析與消防系統(tǒng)

摘 要：文章通過研究幾例風(fēng)力發(fā)電機組典型火災(zāi)事故，按照火災(zāi)發(fā)生部位進行分類對風(fēng)機火災(zāi)事故的發(fā)生原因進行分析，闡述了風(fēng)電機組專用消防系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機組；火災(zāi)；消防系統(tǒng)

1 引言

中國風(fēng)能資源豐富，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、應(yīng)對氣候變化、促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近年在國家一系列政策的推動下，風(fēng)電裝機容量迅速增長，風(fēng)電裝備制造業(yè)也快速發(fā)展。2011年我國并網(wǎng)風(fēng)電超過50GW，當年并網(wǎng)14.5GW，均穩(wěn)居世界第一。隨著大批量各種型號的風(fēng)電機組投運和運行時間的增加，各類事故頻發(fā)，其中火災(zāi)事故占有相當大的比例，多造成風(fēng)電機組全部燒毀，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。

2 風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀介紹

根據(jù)全球風(fēng)能理事會最新數(shù)據(jù)顯示，1996年至2011年間全球風(fēng)電年新增裝機容量從1996年的1280MW增至2011年41236MW，全球風(fēng)電累計裝機容量年復(fù)合增長率為25.86%，累計裝機容量1996年6100MW增至2011年238，351MW。可以看出全球風(fēng)電累計總裝機容量逐年穩(wěn)步增長。

2012年3月，中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會正式公布《2011年中國風(fēng)電裝機容量統(tǒng)計》。2011年中國（不包括臺灣地區(qū)）新增安裝風(fēng)電機組11409臺，裝機容量17630.9MW，累計安裝風(fēng)電機組45894臺，裝機容量62364.2MW，年增長39.4%。2012年6月，中國并網(wǎng)風(fēng)電5258萬千瓦，取代美國成為世界第一風(fēng)電大國。

風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機組（簡稱風(fēng)電機組）是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機械。風(fēng)電機組主要由葉輪、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、控制系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、塔架與基礎(chǔ)等部分組成。風(fēng)電機組基本結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖

3 風(fēng)電機組典型火災(zāi)事故

隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，投運風(fēng)電機組數(shù)量高速增加，風(fēng)電機組火災(zāi)事故的發(fā)生數(shù)量也越來越多。火災(zāi)不僅給風(fēng)機帶來毀滅性的破壞，如果附近的草原或者林場連帶點燃，將會帶來更大的經(jīng)濟損失和社會風(fēng)險。風(fēng)機往往安裝在距離地面幾十米甚至百米以上的高空，一旦發(fā)生火災(zāi)，在地面進行滅火顯然不切實際。美國風(fēng)機協(xié)會有一項統(tǒng)計，在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)中，火災(zāi)在保險索賠中占有7%的份額，同時造成9%的保險損失。以下是幾例風(fēng)電機組典型火災(zāi)事故。

3.1 2010年2月8日賀蘭山某風(fēng)電場，運行人員在值班室監(jiān)控計算機上發(fā)現(xiàn) #2線路#16風(fēng)機報Manual brake故障，20分鐘后該條線路其他三臺風(fēng)機通信中斷。半小時后值班人員到現(xiàn)場確認風(fēng)機已經(jīng)倒塌起火，隨后采取滅火措施及相鄰風(fēng)機斷電措施。本次事故的原因是發(fā)電機故障引起主開關(guān)跳開（變頻器記錄缺相），觸發(fā)安全鏈動作，變槳蓄電池電量不足，無法順槳停機，造成超速和振動。在振動及超速的聯(lián)合作用下，一只葉片空中解體飛出，進一步加大了振動及載荷。在巨大的振動及載荷的持續(xù)作用下，塔筒倒塌，齒輪箱油漏出，與剎車盤等高溫發(fā)熱部件接觸起火。

3.2 2011年4月西北地區(qū)某風(fēng)電場#23風(fēng)機通訊中斷，經(jīng)過兩次連接無法恢復(fù)通訊后，風(fēng)電場檢修人員馬上開車到達現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)#23風(fēng)機著火。當時風(fēng)機已停止轉(zhuǎn)動，機艙及一只垂直向上的葉片在燃燒，同時發(fā)現(xiàn)一葉片已收槳，燃燒的葉片未收槳，另一葉片未收槳。因風(fēng)機正在燃燒，無法靠近箱變斷開電源，通過遠程控制將35KV線路所有風(fēng)機停機。風(fēng)電場迅速撥打119進行火災(zāi)報警，同時風(fēng)電場人員與風(fēng)機廠家人員在安全范圍外設(shè)置了警戒線，并設(shè)專人在路口把守，防止人員受到傷害。消防人員到達現(xiàn)場后，因消防設(shè)備噴水揚程無法達到風(fēng)機著火點高度，放棄撲救工作。垂直向上燃燒的葉片在燒斷后，掉落地面燃盡。另兩只葉片根部灼燒。本次事故的直接原因是變槳控制系統(tǒng)程序存在嚴重缺陷，導(dǎo)致槳葉未收槳，高速剎車系統(tǒng)長期工作線路過熱老化產(chǎn)生火源，造成風(fēng)機整體燒毀。間接原因是主控系統(tǒng)蓄電池檢測程序存在嚴重安全隱患，剎車系統(tǒng)和機艙罩殼存在嚴重防護和火災(zāi)隱患。

3.3 2011年6月東北地區(qū)某風(fēng)電場一風(fēng)機報警“Manual break”（手動剎車），檢修人員到達風(fēng)機后后發(fā)現(xiàn)風(fēng)機機艙冒煙，機艙、輪轂及垂直向上的葉片在燃燒，三只葉片均已收槳。火焰全部熄滅后統(tǒng)計的事故損失為：機艙燒毀、三只葉片根部燒損、其中一只葉片燒損嚴重、輪轂外殼燒毀、第三節(jié)塔筒過火。本次事故的直接原因是主控柜通往通訊滑環(huán)的400V AC 電纜因磨損導(dǎo)致電纜短路、引燃電纜，產(chǎn)生火源，進而將機艙內(nèi)可燃物引燃，造成風(fēng)機整體燒毀。

4 風(fēng)電機組火災(zāi)特點及原因

風(fēng)電機組發(fā)生火災(zāi)的特點為：可燃物種類多，火災(zāi)載荷密度大；火災(zāi)種類多，極易發(fā)生電氣火災(zāi)、固體火災(zāi)和液體火災(zāi)；通風(fēng)換氣迅速，火災(zāi)蔓延速度快；設(shè)備價值高，火災(zāi)損失大；火災(zāi)撲救難度大。

風(fēng)電機組容易發(fā)生火災(zāi)的部位和設(shè)備如下：

5 風(fēng)電機組消防系統(tǒng)

由于風(fēng)電機組獨特的結(jié)構(gòu)、安裝的地理位置及其工作環(huán)境等多方面原因，傳統(tǒng)的消防系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足風(fēng)電機組消防要求。綜合考慮風(fēng)電機組容易發(fā)生火災(zāi)的部位、滅火劑與滅火系統(tǒng)、火災(zāi)探測器及控制策略等因素，需要采取有針對性的防火措施，開發(fā)風(fēng)電機組專用消防系統(tǒng)，并不斷進行優(yōu)化與集成。

風(fēng)電機組專用消防系統(tǒng)應(yīng)能滿足以下要求：做到智能監(jiān)測、智能防護，自動控制，無需人員值守；做到及早發(fā)現(xiàn)火情，實現(xiàn)多級預(yù)防；消防報警系統(tǒng)與自動滅火系統(tǒng)聯(lián)動及時有效；傳感器、滅火設(shè)備設(shè)施滿足機組運行環(huán)境的要求；能夠?qū)崿F(xiàn)高速滅火，防止事故進一步擴大造成重大經(jīng)濟損失；設(shè)備設(shè)施性能穩(wěn)定可靠，能長期運行，運行成本低。

風(fēng)電機組消防系統(tǒng)一般包含以下裝置：溫度傳感器、煙霧傳感器、火焰探測器、空氣采樣探測器、滅火介質(zhì)、消防系統(tǒng)控制盤、通信系統(tǒng)。煙霧傳感器可用于風(fēng)電機組所有位置，用以監(jiān)測輪轂、機艙、塔筒等處的煙霧濃度，將濃度變量轉(zhuǎn)換成有對應(yīng)關(guān)系的輸出信號傳輸至控制盤，繼而通過通信系統(tǒng)至風(fēng)電場主控。同理，溫度傳感器、是將以上位置的溫度信息傳送至風(fēng)電場主控。火焰探測器、空氣采樣探測器能實時監(jiān)測空氣中是否存在火焰以及空氣采樣的信息。以上傳感器等元器件一般安裝在監(jiān)測對象附近，在火災(zāi)早期就起到監(jiān)測作用。滅火介質(zhì)的選取也很重要，應(yīng)盡量選擇無殘留、無腐蝕、無導(dǎo)電性能的材料，同時還需滿足風(fēng)電機組運行的環(huán)境條件，如溫度、天氣、設(shè)備密封性等。適用于風(fēng)電機組的滅火藥劑一般選取高壓二氧化碳、惰性氣體（如七氟丙烷、氮氣、氬氣等）、細水霧（添加少量的防復(fù)燃藥劑）和泡沫液等。

目前主流的風(fēng)電機組消防系統(tǒng)分為兩類，全淹沒式和半淹沒式兩種。全淹沒式消防系統(tǒng)將風(fēng)機組機艙視為一個密閉空間，若發(fā)生火災(zāi)，滅火介質(zhì)迅速充滿機艙，達到滅火功能。半淹沒式消防系統(tǒng)與之不同，是在風(fēng)機組機艙重點防火部位設(shè)置消防設(shè)備設(shè)施，進行重點保護。半淹沒式消防系統(tǒng)又可分為直接式和間接式兩種。在防護空間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，直接滅火系統(tǒng)的火災(zāi)探測管將會在正對火情的位置破裂出隱形噴射口，滅火介質(zhì)將通過噴射口直接噴射到火情位置，從而在極短時間內(nèi)消滅火源，實現(xiàn)極早期火情探測和極早期滅火。極早期火災(zāi)發(fā)生時，火災(zāi)探測傳感器會將火情信號傳遞到火災(zāi)聲光報警裝置及風(fēng)電場控制中心，風(fēng)電場控制中心接到火災(zāi)信號后可以采取相應(yīng)保護動作和措施。間接滅火系統(tǒng)在探測到防護空間發(fā)生火災(zāi)后，控制系統(tǒng)接收到火災(zāi)信號后打開滅火介質(zhì)存儲設(shè)施開關(guān)，滅火介質(zhì)將通過布置在重點防護部位的噴射口進行有效的滅火。間接滅火系統(tǒng)同樣可以將風(fēng)機組火災(zāi)信號傳送至風(fēng)電場控制中心，以便進行下一步滅火措施的開展。

6 結(jié)束語

風(fēng)機的火災(zāi)隱患是全球風(fēng)電行業(yè)共同面臨的難題，與國外陸續(xù)出臺相應(yīng)的強制規(guī)范標準相比，國內(nèi)在此項工作方面尚有很大差距。但隨著風(fēng)電機組的單機容量的增加，經(jīng)濟價值也相應(yīng)增加，風(fēng)電制造商和運營方也逐漸認識到自動消防系統(tǒng)應(yīng)用在風(fēng)電機組的必要性和緊迫性。

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作者簡介：劉卿（1974.12- ），女，河北省石家莊，本科學(xué)歷，注冊安全工程師，安全評價師，河北建投新能源有限公司安全監(jiān)察部工作，研究方向：風(fēng)力發(fā)電運營安全管理。