海上升壓變電站電纜層的鋼結(jié)構(gòu)防火研究

周 焱

（上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200335）

0 引言

歐洲從上世紀80~90年代開始了海上風(fēng)能資源利用的研究，并于1990在瑞典安裝了世界上第一臺海上風(fēng)機。但直到2000年前，歐洲各國的海上風(fēng)電項目仍帶有研究和示范的性質(zhì)，普遍具有規(guī)模小、離岸近、水深淺的特點。該階段的海上風(fēng)電場項目因為電能輸送過程中的損耗不大，所以不需要通過海上升壓變電站升壓后送出，而是直接采用海底電纜與陸上的變電站或是其他儲能設(shè)備進行連接。到了2001年，以丹麥哥本哈根附近海域的Middelgrunden海上風(fēng)電場的建成為標(biāo)志，歐洲海上風(fēng)電市場全面進入了商業(yè)化示范階段，該階段的特點是單機容量和總裝機規(guī)模變大，部分項目離岸距離超過10km。此種情況下，繼續(xù)采用海底電纜直接連接海上風(fēng)電機組與陸上變電站，會導(dǎo)致線路壓降大、電能損耗和投資變大。因此，海上升壓變電站逐漸成為裝機容量較大且離岸較遠的海上風(fēng)電場項目的標(biāo)準(zhǔn)配置。

在國家政策支持和技術(shù)進步的推動下，我國的海上風(fēng)電事業(yè)發(fā)展突飛猛進。截至到2021年9月底，中國海上風(fēng)電累計并網(wǎng)容量已達1318萬千瓦，裝機規(guī)模世界第一。隨著近海資源逐漸消耗殆盡，風(fēng)電場逐步向遠海場址發(fā)展，海上升壓變電站也成為我國海上風(fēng)電場不可或缺的一部分。

1 電纜層防火設(shè)計的意義

海上升壓變電站作為海上風(fēng)電場的樞紐建筑，具有匯集和輸送電能的重要作用。它的正常運作確保了整個海上風(fēng)電場的有效運行，確保了風(fēng)機所產(chǎn)生的電能可以有效地輸送到陸地。海上升壓變電站受限于其在海上的工作面積，往往人員、油氣、電氣設(shè)備等高度集中，若沒有一定的防范措施，容易發(fā)生火災(zāi)、爆炸等一系列安全事故。目前已建和在建的海上升壓變電站均為鋼結(jié)構(gòu)建筑，一旦火災(zāi)現(xiàn)場溫度超過540℃，鋼結(jié)構(gòu)就會迅速失去承載力，在短時間內(nèi)出現(xiàn)較大的形變，甚至整體坍塌。考慮到海上升壓變電站距陸地較遠，因此發(fā)生安全事故后的救援工作十分困難，且無法原地維修，必須拆除后運回陸上基地大修，不僅施工維修費用高昂，而且會造成海上風(fēng)電場一段時間生產(chǎn)的電力無法輸出，損失難以估計。為了保證變電站的穩(wěn)定運行，變電站電纜層的鋼結(jié)構(gòu)防火應(yīng)該引起設(shè)計及運維人員的重視。

2 電纜層防火設(shè)計存在的難點

2.1 電纜層防火設(shè)計要點

海上升壓變電站經(jīng)過多年的技術(shù)升級迭代，其上部組塊在豎向布局上已形成了較為固定的模式，一般自下而上分為三層。底層作為電纜層，同時布置逃生場地及事故油罐等，一層甲板一般布置變壓器室和高壓配電室等，二層甲板可布置二次設(shè)備室和蓄電池室等。

海上升壓變電站上兩層的設(shè)備房間層考慮到電氣設(shè)備比較精細，為防止海上鹽霧的腐蝕，一般采用全封閉結(jié)構(gòu)，并且配備微增壓系統(tǒng)，保證室內(nèi)的氣壓高于室外，可有效避免室外空氣的滲入。如確實需要和室外進行空氣交換的房間，則在通風(fēng)口安裝鹽霧過濾器，以避免鹽霧的侵蝕。而電纜層則無需考慮對鹽霧腐蝕的防護，且為了電纜能高效的散熱，在電纜層平臺四周不設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)，為四面開敞布局，電纜均暴露于室外，而電纜之上就是上一層的梁板等鋼構(gòu)件，二者近在咫尺。

因為電纜層不是一個圍合的密閉空間，現(xiàn)有的常規(guī)消防設(shè)施難以對其起到有效的防護作用，水噴淋系統(tǒng)不能用于電氣設(shè)備，高壓細水噴霧系統(tǒng)可以用于電氣設(shè)備，但使用條件必須為封閉空間，故電纜層只能依靠鋼結(jié)構(gòu)被動防火。

2.2 電纜層設(shè)計規(guī)范

現(xiàn)有的涉及到海上升壓變電站防火的國內(nèi)外規(guī)范主要有:《風(fēng)電場工程110kV~220kV海上升壓變電站變電站設(shè)計規(guī)范》（NB/T 31115-2017）、《海上風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51308-2019）、中國船級社的《海上升壓變電站平臺指南》、《國際海上人命安全公約》（SOLAS）、DNV船級社的《Off-shore Substation for Wind Farms》（DNV-OS-J201）等。

以《風(fēng)電場工程110kV~220kV海上升壓變電站變電站設(shè)計規(guī)范》為例，海上升壓變電站防火設(shè)計的主要流程為：

（1）根據(jù)海上升壓變電站的各個艙室的性質(zhì)，對其進行火災(zāi)危險性分類，共計6大類。

（2）根據(jù)不同艙室的火災(zāi)危險性類別，來判定艙室與艙室之間的艙壁或甲板的耐火分隔要求，分為A-0級、A-15級、A-60級。

（3）根據(jù)耐火分隔要求，選擇相應(yīng)的防火措施。

2.3 設(shè)計規(guī)范的適用性問題

針對海上升壓變電站電纜層這一場景，以上規(guī)范的適用性存在兩個主要問題：

（1）對于電纜層區(qū)域的火災(zāi)危險性分類不明確。業(yè)內(nèi)一直對電纜層區(qū)域的火災(zāi)危險性分類有爭議。有認為電纜易燃，屬于升壓站中的主要風(fēng)險點，應(yīng)該歸類為火災(zāi)危險性較大的處所；也有認為電纜層四面開敞，應(yīng)歸類為開敞甲板。持后一觀點的，往往是因為對電纜層的危險性認知不足。

關(guān)于“開敞甲板”的定義，《海上固定平臺安全規(guī)則》中的描述為：“系指露天甲板處所,但不包括危險區(qū)。”《淺海固定平臺建造與檢驗規(guī)范》中的描述為：“沒有失火危險的開敞甲板處所、露天處所。”《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》中的描述為：“‘開敞甲板’是指不包括危險區(qū)在內(nèi)的開敞甲板空間”“‘半圍蔽或其他類似開口處所’是指由于具有諸如頂板、風(fēng)障和甲板等結(jié)構(gòu)，以致其自然通風(fēng)條件與在開敞甲板上者有顯著的差異，且其布置使氣體不會發(fā)生擴散的處所。”《國際海上人命安全公約》（SOLAS）中“露天甲板系指在上方且至少有兩側(cè)完全暴露于露天的甲板。”綜上所述，“開敞甲板”一般需滿足兩點要求：①露天甲板，上方應(yīng)無遮擋；②無火災(zāi)風(fēng)險。電纜層既非露天甲板，本身又有較大的火災(zāi)風(fēng)險，電纜上方的甲板與梁形成了一個半圍蔽的空間，一旦發(fā)生火災(zāi)后，高溫?zé)煔饧墼诩装逑路诫y以擴散，故認為其不具有風(fēng)險性，歸類為開敞甲板是不合理的。

（2）海上升壓變電站相關(guān)的規(guī)范里，耐火分隔只針對艙壁和甲板，而對梁柱之類的鋼構(gòu)件卻未提及。在《海上固定平臺安全規(guī)則》中提到“凡暴露在火災(zāi)中，一旦垮塌斷裂使火災(zāi)危險性升級的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)防火措施。”《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》（1992年版）中提到“平臺框架支承結(jié)構(gòu)的構(gòu)件如橫梁、立柱、拉撐等構(gòu)件應(yīng)為A-60耐火級”。這兩部規(guī)范明確提出了應(yīng)該對海洋平臺上的梁柱、斜撐等構(gòu)件采取防火措施，但這兩部規(guī)范所述場景主要針對石油平臺，并非專門針對海上升壓變電站，該要求是否適用于海上升壓變電站，目前也存在爭議。

規(guī)范上的缺失，給電纜層的鋼結(jié)構(gòu)防火帶來了難題，但在實際項目中，也制定出了不同的防火策略。

3 現(xiàn)有的防火策略

目前針對海上升壓變電站的電纜層鋼結(jié)構(gòu)防火措施主要有三種典型做法：采用絕緣材料，耐火甲板敷料，防火涂料與耐火敷料結(jié)合使用。

3.1 絕緣材料防火

國內(nèi)早期的海上升壓變電站電纜層的結(jié)構(gòu)防火主要采用絕緣材料防火，其做法一般為：

（1）在電纜層上方的甲板下方焊接碰釘。

（2）將絕緣材料安裝于甲板下方，以碰釘固定。

（3）在絕緣材料外側(cè)加設(shè)一層不銹鋼板保護層。

防火絕緣材料主要采用的是礦物棉及其制品，礦物棉是用熔融狀無機非金屬礦物制成的纖維材料，目前主要使用巖棉和陶瓷棉，其中巖棉隔熱性能較好，而陶瓷棉能抵御更高的溫度。故海上升壓變電站常用二者來作為防火絕緣材料的主力。一般40mm厚的陶瓷棉，可滿足A-60級的耐火等級。

該方案的優(yōu)點在于：防火性能好，價格相對低廉，自重較輕。缺點在于：施工相對復(fù)雜，耐久性差易損壞。在變電站使用過程中，保護層在連接點會很快產(chǎn)生腐蝕，極強的風(fēng)速使不銹鋼板容易脫落，失去保護層的絕緣材料暴露在外極易損壞。

采用該方案的海上升壓變電站有：江蘇響水近海風(fēng)電場項目、河北樂亭菩提島海上風(fēng)電場項目。

3.2 敷設(shè)耐火甲板敷料

該典型做法常見于廣東一帶的海上升壓變電站，其做法為：在電纜層上方的甲板上表面敷設(shè)A-60級的耐火甲板敷料，使甲板達到A-60級的耐火等級。該方案的優(yōu)點在于：施工便利，耐久性好，價格低廉，自重適中。

耐火甲板基層敷料一般分為兩種：一種是復(fù)合結(jié)構(gòu)型敷料，由下層的輕質(zhì)耐火絕熱材料及上層的乳膠敷料構(gòu)成，下層負責(zé)隔熱，上層負責(zé)防水，具有良好的綜合性能；一種是單層結(jié)構(gòu)敷料，是利用水泥和一定級配的輕質(zhì)骨料配制而成的水硬性膠凝材料，輕質(zhì)骨料有效地改善了水泥混凝土易高溫爆裂的不良性能，所以該甲板敷料具有較好的耐水性、良好的抗水滲性和足夠的機械強度，又有極好的耐火性、簡便的施工工藝和經(jīng)濟性。

甲板敷料敷設(shè)于甲板之上，位于電纜層上方支撐上部結(jié)構(gòu)的梁與柱均暴露于火災(zāi)風(fēng)險中，沒有任何防護，一旦電纜層失火，甲板上層的耐火敷料無法對甲板下方梁柱形成保護。更有甚者，連A-60級的耐火甲板敷料都不用，設(shè)計者認為該層甲板僅為A-0級耐火分隔，這將電纜層錯誤歸類為開敞甲板或是對《海上升壓變電站平臺指南》相關(guān)規(guī)范理解錯誤所致。

采用該方案的海上升壓變電站有：中廣核汕尾后湖海上風(fēng)電場項目、廣東湛江外羅海上風(fēng)電場項目。

3.3 防火涂料與耐火敷料結(jié)合使用

在認識到上述方案的缺陷后，后期的海上升壓變電站進行了如下改良：

（1）在電纜層上方的甲板上表面敷設(shè)A-60級的耐火甲板敷料。

（2）電纜層的梁與柱涂刷防火涂料，目前實際項目中一般采用耐火等級要求為H-60級的膨脹型防火涂料。

膨脹型防火涂料主要成分有基料樹脂、膨脹型阻燃劑、協(xié)效劑以及顏料和助劑等。基料樹脂可以起到將其他的組分粘合在一起的作用，并最終粘覆在底材上。一般海上使用環(huán)氧樹脂來作為基料。環(huán)氧樹脂具有很好的耐海洋環(huán)境、耐久性和耐候性，并且能很好地附著于鋼材之上。膨脹型阻燃劑是膨脹型防火涂料的核心成分，它主要有碳源（成碳劑）、酸源（脫水劑）、氣源（發(fā)泡劑）三部分組成。協(xié)效劑配合膨脹型阻燃劑可以形成協(xié)效阻燃體系，達到更好的阻燃效果。顏料主要為涂料提供著色力。其他助劑會根據(jù)場景的配合使用，但用量均不多。

一旦發(fā)生火災(zāi)，膨脹型防火涂料在高溫作用下，涂層熔融形成黏性液體，并釋放大量氣體，最終固化形成一個不易燃、導(dǎo)熱系數(shù)低的蜂窩狀炭質(zhì)層，厚度可以達到原來涂層的幾十倍。炭質(zhì)層在火源和基材之間形成一道屏障，從而減緩了鋼結(jié)構(gòu)表面溫度的上升和強度的下降，起到防火阻燃的作用。

該方案優(yōu)點如下：防火性能好，耐久性好，施工難度適中。缺點在于：自重較重，費用較高。

雖然會增加部分造價，但是方案三極大地提高了海上升壓變電站的安全性，故目前廣泛用于全國各地新建的海上升壓變電站。

采用該方案的海上升壓變電站有：江蘇大豐H8-2#海上風(fēng)電場項目、上海奉賢海上風(fēng)電場項目。

4 結(jié)束語

我國在2020年提出了“30.60”雙碳目標(biāo)。到2030年為止，風(fēng)電、太陽能發(fā)電裝機容量將達到12億千瓦以上，并加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。海上風(fēng)電面臨國家補貼退出，2022年后全面進入平價上網(wǎng)階段，急需產(chǎn)業(yè)研發(fā)創(chuàng)新和技術(shù)迭代來起到降本增效的效果。對海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)來說，這是一個機遇與挑戰(zhàn)并存的時代。

規(guī)范中存在的缺失，導(dǎo)致多種防火策略的出現(xiàn)，這種矛盾給設(shè)計人員帶來了極大的困擾，也對海上升壓變電站的施工、驗收帶來了重重障礙。這無疑是增加了海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的內(nèi)耗，也給現(xiàn)場生產(chǎn)管理帶來了安全隱患。

為解決這一問題，應(yīng)盡快組織有關(guān)人員對海上升壓變電站的鋼構(gòu)件防火情況進行調(diào)查研究，在結(jié)合國外先進經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，制定切實有效措施，盡快出臺相關(guān)規(guī)范，對海上升壓變電站的鋼構(gòu)件防火設(shè)計進行指導(dǎo)，為海上升壓變電站的安全加一把鎖，也為早日實現(xiàn)雙碳目標(biāo)貢獻力量。