風力發電場海上升壓變電站消防滅火系統設計

許 鋼，許 崢，袁金霖，駱育真

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

1 海上風電發展概況

1.1 全球海上風電現狀及展望

近年來，海上風電增長勢頭良好，根據全球風能理事會（GWEC）統計數據，2019年全球海上風電新增裝機容量6.1×106kW，累計裝機容量達到2.914×107kW，比2018年增長了35.5%。2015～2019年，全球海上風電市場年均增長近16%。[1]

全球海上風電發展前景及趨勢：全球風能理事會（GWEC）近日發布的《2021全球海上風電報告》中指出，在過去一年中，全球海上風電裝機保持穩定增長勢頭，2020年全球海上風電新增裝機容量6.1GW，比2019年的6.24GW略有降低，但GWEC預計2021年將是全球海上風電裝機容量創紀錄的一年。GWEC預測，到2030年，全球海上風電將新增裝機容量205GW。

1.2 我國海上風電現狀及展望

中國海上風能資源豐富，5～25m水深、50m高度海上風電開發潛力具備2億kW的開發潛力，5～50m水深、70m高度具備5億kW的開發潛力，另外，近岸潮間帶、深遠海也具備較為豐富的風能資源。根據《2021全球海上風電報告》，我國在2020年實現了3GW以上的海上風電新增并網，連續第三年成為全球最大的海上風電市場。

我國海上風電發展前景：“十三五”以來，我國海上風電快速發展，截至2019年底，累計并網容量593萬kW，提前一年完成規劃目標。

“十四五”是實現2030年非化石能源占一次能源消費比重20%目標的關鍵期，在此期間，我國海上風電仍將繼續保持快速發展，成為新能源發電新的增長極。[2]

2 海上升壓變電站火災特點

（1）海上升壓變電站（見圖1）位于海上，環境惡劣，電氣設備易受鹽霧腐蝕，容易發生短路事故從而引發火災；場地狹窄布置緊湊，熱量容易聚集；可燃物密度高，火災容易發生蔓延。

圖1 國內某已建成海上升壓站效果圖Figure 1 Effect diagram of one offshore substation of wind farms

（2）離岸距離遠，撲救困難。海上升壓變電站一般距岸十幾公里甚至是幾十公里，遠離陸地，無人值守。一旦發生火災，沒有工作人員第一時間展開撲救，消防船及專業人員也無法在短時間內抵達火場展開救援。火災借助風勢迅速蔓延，火災很快就進入失控的局面。且撲救困難，對其只能是望洋興嘆。

（3） 海上升壓變電站面積雖小，但精密儀器、貴重設備多，施工成本高。單個升壓站造價動轍過億元，火災造成的直接經濟損失遠遠高于陸上升壓站。運維船出海成本非常高且按日計算，火災后維修費用遠高于陸上。海上風電場裝機容量大，因火災造成停發的間接經濟損失巨大。

3 消防滅火系統選擇分析

基于海上升壓變電站的火災特點分析，要選擇一種或者幾種有效滅火系統對海上升壓變電站進行有效、迅速、全方位的保護。

3.1 消防滅火系統的選擇要遵循的思路

（1）無人值守，離岸距離遠，因此要選擇自動滅火系統。

（2）施工船租賃費用高，海上施工不便，因此要選擇更換方便、使用周期長的滅火劑。

（3）必須選擇對環境友好、對人員安全、對設備無干擾的滅火系統和滅火劑。

（4）海上平臺面積狹小，寸土寸金。所選擇的滅火系統必須占地面積小，使用效率高，不能占用太多設備用房，因此不能選用太多滅火系統，選擇的滅火系統一定要有廣泛的適用性，以便于維護管理。

系統必須能及時有效撲滅火災，把相關的火災損失降到最低。

3.2 消防滅火系統選擇參考的設計規范

（1）《風電場工程110kV～220kV海上升壓變電站設計規范》（NB/T 31175—2017）已發布，并于2018年3月1日起實施。

（2）《海上風力發電場設計標準》（GB/T 51308—2019）已發布，并于2019年10月1日起實施。

（3）挪威船級社編制的《Offshore substations》（DNVGLST-0145），歐洲的海上風電研究與實踐開展得比較早，已有相關的設計規范供參考。

（4）各系統設計（例如細水霧、氣體）國內均有系統設計規范，對國內規范有詳細規定的，從其規定；對國內規范沒有詳細規定的，參考NFPA（美國）規范執行。

4 主要滅火系統的選擇

基于對消防滅火系統選擇的分析，針對變電站內的危險源，大致分為以下幾類：以主變壓器為代表的充油設備；以開關柜、繼電保護器為代表的柜式電氣設備；直升機平臺（如有）；避難室、空調機房和內走廊等其他用房。

4.1 含油設備消防保護分析

針對主變壓器等含油設備，根據《火力發電廠與變電站設計防火標準》（GB 50229—2019）11.5.4條規定：推薦采用水噴霧滅火系統或其他固定式滅火裝置。[3]

對于海上升壓變電站主變壓器，如果利用泡沫滅火系統對其進行滅火，會取得比較好的滅火效果。但是泡沫更換周期短，不符合維保方便、使用周期長的原則，而且對平臺上第三類場所消防的兼容性較差。同時，主變壓器室為層高遠超過6.5m的高大空間，不適合用氣體滅火系統保護。[4]因此，只能選擇水作為滅火劑的選項。

考慮到海水的腐蝕性，國內的主流電氣設備供貨商都反對使用海水作為滅火劑對電氣火災進行滅火。因此，雖然身處汪洋大海之中，也不能使用便捷的海水作為消防水源，只能選擇淡水作為滅火劑，而升壓站空間狹小，不能儲備大量淡水。雨淋、水噴霧、水噴淋、細水霧等各個水系統中又以細水霧滅火系統一次滅火用水量最小。因此，推薦采用細水霧滅火系統。

4.2 柜式電氣設備消防保護分析

海上升壓變電站中的高壓開關柜、低壓配電柜、應急配電盤、接地變壓器及電阻柜、GIS柜、二次繼保柜等電氣盤柜設備是升壓站正常運行的重要保證，一旦發生故障導致風電場停發，將造成較大經濟損失。因此，要求所有主要電氣用房均設固定式滅火裝置。

根據《Offshore substations》（DNVGL-ST-0145）及《風電場工程110kV～220kV海上升壓變電站設計規范》（NB/T 31175—2017）要求，以上設備及設置場所推薦采用氣體滅火系統進行保護。目前的海上石油平臺電氣類房間也是采用氣體滅火系統進行保護。

氣體滅火系統設計目前存在兩種方式：一是采用全淹沒氣體滅火方式；二是采用新興的火探管式氣體滅火方式?；诤Ｉ仙龎鹤冸娬镜奶攸c，對以上兩種方式進行比較。

4.2.1 滅火針對性、有效性

全淹沒氣體滅火方式保護的是整個設備用房，而火探管式氣體滅火方式保護的是相對封閉的電氣盤柜。

電氣設備一般均有防護等級較高的外殼保護，尤其是充氣柜防護和密封等級更高，當柜體內部元件發生過熱（過載、短路、接觸電阻大引起的發熱）進而引起燃燒時，由于有柜體的保護且電氣室空間較大，設在電氣室內的煙感和溫感探測器不會很快探測到火災的發生。當柜內的火燃燒到較大程度時，電氣室內的煙感和溫感才會動作，但此時現場的熱容值已經很高。此時啟動電氣室內的氣體滅火系統進行滅火，其效果均不理想，如果室內密封不嚴或通風系統未能及時關閉，往往造成滅火失敗。即使將火災撲滅，其造成的損失（設備損失、停機損失、環境影響）將是巨大的。

而利用火探管式氣體滅火方式對電氣設備內部進行保護，情況將完全不一樣，根據系統的特點，其火焰預警管可以伸進狹小的電氣設備內部進行保護，當電氣設備內部元件發生溫度異?；蚧馂臅r，系統可在第一時間感知到火災的發生（溫度異常）并快速啟動將火災撲滅，現場無須清理，只需更換少量的元件即可恢復工作。

可見，選用火探管式氣體滅火方式針對性強，滅火時間快，過火面積小，損失低，設備可快速恢復工作。

4.2.2 系統可靠性

全淹沒氣體滅火方式依賴的是火災報警系統探頭探測而后判斷啟動；而火探管式氣體滅火方式依靠的是自身火焰預警管具有靈敏的熱源探測功能。

火災報警系統會因鹽霧、灰塵、電磁干擾等影響而導致誤報誤噴，甚至是不動作。而火焰預警管是一種專利復合材料，沒有任何電氣元器件，在異常溫度達到火焰預警管設定值，其火焰預警管會快速動作并形成噴口，不受任何空間和使用環境的限制且絕無誤報和誤動。

可見，選用火探管式氣體滅火方式在海上氣象條件下系統可靠性要高許多。

4.2.3 維保

采用全淹沒氣體滅火方式根據藥劑類型的不同，存儲壓力從4.5MPa到15MPa不等，近幾年已發生多起爆瓶的事故。其本身屬于壓力容器，根據國家《氣瓶安全監察規定》的要求，業主每3～5年要送到指定地點測試壓力容器安全性能，重新充裝藥劑。[5]在管理上給業主帶來很大麻煩，還需要在后續持續投入維保費用。

火探管式滅火方式，選用Novec 1230作為藥劑，存儲壓力為1.3MPa，系統安全性有較大提高。規避了壓力容器管理上麻煩，藥劑壽命10～15年，升壓站全壽命周期更換一次即可。

可見，維保方面無論從方便程度、費用來看，火探管式氣體滅火方式都更具優勢。

4.2.4 系統造價

電氣設備空間大，采用全淹沒氣體滅火方式需要的藥劑量較大，需要單獨設置氣瓶間，且壓力鋼瓶荷載較大。海上平臺寸土寸金，氣瓶間的設置將增加土建的成本。

火探管式滅火方式因采用貼近式火源且均為初期火災，故系統所需的藥劑量很少，進而可以節省藥劑的存儲空間，無須單獨的氣瓶間。

可見，在選用相同藥劑的前提下，火探管式氣體滅火方式系統造價更低。

綜合以上幾點分析，推薦火探管式氣體滅火方式。

4.3 直升機停機坪

直升機停機坪為室外露天平臺，可能發生火災的成因主要是航空煤油發生泄漏或直升機降落發生事故引發火災。根據《海上固定平臺安全規則》14.4.2.4條，應配置一套固定式泡沫滅火系統。[6]水成膜泡沫由于具有良好的流動及覆蓋等特性，可以快速降低油面溫度和隔絕空氣，撲滅油火及有機物火災，因此，推薦采用設置一套水成膜泡沫滅火裝置。

4.4 其他設備用消防保護分析

高壓細水霧滅火系統有廣泛的適用性，對于相對封閉空間內的可燃固體表面火災、可燃液體火災和帶電設備的火災都有良好的效果。因此，適用于升壓站平臺上的應急避難室、暖通用房、工具間、備品備件間等場所。由于已有高壓泵組、水箱等主要核心設備，增加一些防護區不會大幅增加投資，卻可以大幅度降低火災蔓延風險。同時，根據火災模擬試驗證明，設置了高壓細水霧滅火系統的房間，頂棚溫度低于200℃，不會對鋼結構的安全造成較大影響。因此，建議電氣盤柜室也布置了高壓細水霧噴頭，保證最不利工況下主體結構的安全。

《風電場工程110kV～220kV海上升壓變電站設計規范》（NB/T 31175—2017）對滅火系統的選擇要求見表1[7]。與本文的分析及設計理念十分契合。

表1 海上升壓站變電站滅火系統選擇Table 1 Selection of fire extinguishing system in offshore substation

5 典型站主要消防系統設計

5.1 高壓細水霧滅火系統

高壓細水霧滅火系統由高壓泵組（包括主/備泵、穩壓泵、調節水箱、補水裝置、泵控制柜）、開式區域閥組（高壓進/出水球閥、電動球閥、壓力開關、壓力表、接線盒、手動啟動按鈕、調試放水閥等）、開式噴頭、不銹鋼管及配件、火災自動報警聯動控制系統等組成。在海上變電站水泵房內設置一套高壓細水霧泵組，采用組合分配方式對多個防護區進行細水霧保護，每個防護區設置一套區域閥組，區域閥組設置在防護區外的附近便于觀察及操作的地方。海上升壓站細水霧系統應用三維效果圖如圖2所示。

圖2 海上升壓站細水霧系統應用三維效果圖Figure 2 3D diagram of water mist extinguishing system in offshore substation of wind farms

變壓器防護區采用高壓細水霧開式局部保護方式，噴頭分三層布置在圍繞變壓器的矩形環管上。噴頭側向安裝噴口方向使水霧直接噴射并能覆蓋變壓器的外表面。

其他設備用房僅在房間頂部設開式噴頭，設計為全淹沒系統保護，噴頭布置間距小于3.0m。高壓細水霧滅火系統供水水質應滿足現行國家標準《生活飲用水衛生標準》（GB 5749）的規定。由消防水箱儲存，為了水質（主要是濁度和電導率）能滿足要求，消防用水定期從陸上運輸進行更換。為方便供水，在甲板層配備一個符合《國際海上人命安全公約》規定的國際通岸接頭。水箱放空用水排入大海。系統持續噴霧時間30min，系統管網水力計算采用Darcy-Weisbach（達西—魏斯巴赫）公式。[8]

5.2 火探管式氣體滅火系統

火探管式氣體滅火系統由裝有專用高效滅火劑的壓力容器、集成容器閥組、無源報警器以及能自動釋放滅火劑的火焰檢測管等組成。將火焰檢測管置于靠近或在火源最可能發生處的上方，同時火焰檢測管上諸多靈敏的線性溫度檢測點對周圍情況進行檢測，其火焰檢測管材料具有靈敏的熱源探測功能。一旦著火時，火焰檢測管在受熱溫度最高處會自動爆裂并形成噴口，將滅火介質通過火焰檢測管本身（直接系統）或噴嘴（間接系統）釋放到被保護區域完成滅火，同時給主控發報警信號。

火焰檢測管布置在盤柜內側，結合電氣盤柜具體設計分層繞行，裝有專用高效滅火劑的壓力容器、集成容器閥組放置在柜子側面或是頂部?；鹛焦茈姎獗P柜應用原理圖如圖3所示。

圖3 火探管電氣盤柜應用原理圖Figure 3 Schematic diagram of fire trace automatic fire suppression system in electrical cabinet

5.3 直升機停機坪

直升機平臺設置一套固定泡沫滅火系統。其中，消防水源單獨考慮，在平臺上設置水箱及消防泵組供水與泡沫發生器混合。直升機平臺設置45kg干粉滅火劑、18kg二氧化碳滅火器各一具。系統采用固定式泡沫滅火裝置作為主要滅火方式，在直升夾板兩側各設置一個泡沫消火栓。泡沫混合液供給強度為6L/（min·m2），連續供應時間5min。

5.4 滅火器材

所有設備用房配置一具5kg的手提式磷酸銨鹽滅火器和一具5kg手提式二氧化碳滅火器。主變壓器室、散熱器平臺、柴油機房加配一具45kg的推車式泡沫滅火器。

在各層外走廊、屋頂層甲板配便攜式手提式滅火器，每處配置一具5kg的手提式磷酸銨鹽滅火器和一具5kg手提式二氧化碳滅火器（無電氣設備處配置兩具5kg的手提式磷酸銨鹽滅火器），使從甲板任何一點到達滅火器的步行距離不大于10m。

6 結束語

目前，海上風電已進入大規模開發階段，海上風電場離岸越來越遠，規模也越來越大。在能源轉型背景下，“十四五”期間，中國海上風電仍將延續快速發展態勢。[9]消防滅火系統作為海上風電安全運行的基本保證顯得越來越重要。然而目前還受到幾個方面的制約和困擾：

（1）海上風電消防的行政管理體系，仍需要進一步明確和完善。

（2）我國是海上風電發展的大國，但還不是標準的強國，包括設計、制造、施工、運維的標準仍十分欠缺。僅拿設計標準NB/T 31175—2017來講，其僅適用于110～220kV，隨著更高電壓等級以及深遠海柔性直流輸變電的開展，相關消防滅火系統適宜性還有待驗證，系統設計還需要不斷創新、力保安全。

（3）在快速的建設同時，相關技術的應用效果還需要等待時間的檢驗。目前暴露出來的問題，例如露天電纜夾層、蓄電池室等區域的消防滅火措施的提升及優化，都已超出了現有國內外規范的條文規定，成為擺在面前亟待解決的課題。