換流站壓縮空氣泡沫滅火系統配置探討

程懷宇，孫國中，宋 明，李康偉

(國家電網有限公司特高壓建設分公司，北京 100052)

0 引言

近年來，為解決西部和中東部地區之間的電力大規模跨區輸送問題，國內規劃建設了眾多超大規模特/超高壓直流輸電工程，其中換流站是輸電工程中的重要樞紐。以送受端換流站為例，一般配置約24 臺換流變壓器，單臺換流變壓器充油達200 t以上。理論和實際運行情況表明，換流變壓器較常規交流變壓器運行工況更加復雜，出現故障和發生火災的概率更高，而早期工程配備的氮氣驅動泡沫噴淋系統并不能快速有效地撲滅換流變壓器油燃燒導致的火災。為此，相關部門組織開展特高壓換流站消防系統提升研究，提出基于壓縮空氣泡沫滅火原理的滅火系統配置方案，并在實際工程上進行應用，同時對應用過程中存在的問題和相關應用場景進行了探討。

1 CAFS 簡述

1.1 CAFS 介紹

壓縮空氣泡沫滅火系統(compressed-air foam systems，CAFS)是一種新型消防滅火系統，主要組成為水泵、空氣壓縮機、泡沫泵組以及對應的管路和閥門等。與傳統的水系統壓力相比，其驅動壓力除了水泵壓力外，還包括了空氣壓縮泵的壓力，且所推動的物質只是含有水分的氣泡，因此，在相同條件下，所噴射出的泡沫比水或是泡沫混合液都要高和遠。

1.2 CAFS 滅火原理

CAFS 主要利用隔離熱輻射、吸熱、隔絕空氣等原理進行滅火，泡沫液發泡后覆蓋在燃燒物表面形成一定厚度的泡沫層，有效隔離火焰對燃燒物的熱輻射；因泡沫中帶有一定量的空氣和水，當泡沫覆蓋到燃燒物表面后，析出的泡沫水分子大量吸收燃燒物的熱量，可達到迅速降溫的目的；泡沫層對燃燒物形成很好的表面覆蓋，有效隔絕空氣，從而使燃燒快速停止。

2 CAFS 在換流站的應用

2.1 設計原則

依據相關標準和技術規程的要求，換流站內的每一臺換流變壓器均需設置壓縮空氣泡沫固定噴淋滅火系統以替換原有的水噴霧滅火系統，設置壓縮空氣泡沫消防炮滅火系統以替換原有的泡沫炮滅火系統，且需滿足兩套系統同時動作的要求。

2.2 執行標準

對于成套的壓縮空氣泡沫滅火系統國內暫無相應的規程規范可供參考，其設計主要以GB 50151—2010《泡沫滅火系統設計規范》、GB 15308—2006《泡沫滅火劑》、GB 50338—2003《固定消防炮滅火系統設計規范》、GB 7956.6—2015《消防車 第6 部分：壓縮空氣泡沫消防車》等規范作為參照。

2.3 系統參數

根據應急管理部天津消防研究所撲救特高壓換流變全液面溢流火試驗的相關數據，系統設計參數選擇如下。

1) 壓縮空氣泡沫固定噴淋滅火系統的泡沫混合液供給強度按照12 L/(min·m2)考慮，單個壓縮空氣泡沫消防炮的泡沫混合液流量為22 L/s，每臺換流變壓器設置2 門泡沫消防炮，且能同時進行滅火。

2) 保護面積按換流變壓器本體及油池的平面投影面積計算(重疊部分不重復計算)，該換流站變壓器按照220 m2投影計算，泡沫混合液供給強度按照行業最高標準18 L/(min·m2)考慮(行業標準要求為15～18 L/(min·m2)），系統的額定流量為4 000 L/min。

3) 參照換流站消防提升措施，壓縮空氣泡沫系統持續時間按1 h 考慮；消防設備間內的泡沫罐設計為15 m3，可滿足1 h 泡沫供給；配備20 m3水箱，水箱連接4 000 m3的消防水池，同時連接了可提供120 m3/h 消防水的站外水源，保證了水源的充足供給。

2.4 系統設計

固定式壓縮空氣泡沫滅火系統主要由壓縮空氣泡沫產生裝置、末端釋放裝置、聯動控制系統、消防水池、泡沫液罐、雙電源柜和噴淋、消防炮管道等組成。

某換流站設計了2 個消防設備間，分布于雙極高端直流側；2 個消防閥門間，分布于雙極低端直流側；4 臺額定流量4 000 L/min 的壓縮空氣泡沫產生裝置，布置于兩個消防設備間內，每個設備間配置2 臺，一主一備；設備間除產生裝置外還布置有泡沫液罐和水罐以及聯動控制柜等；系統末端釋放裝置分為噴淋管與消防炮兩種，每種均有對應的管路及閥箱；全站共裝配24 個噴淋分管道閥與28個消防炮分管道閥，相關噴淋或消防炮管路均設計有對應的總管道閥。根據換流站設計要求，每臺換流變壓器的防火墻兩側設置有噴淋管，通過1 個噴淋分管道閥控制；每個換流變設置2 臺消防炮，每臺消防炮負責左右兩個變壓器的滅火工作，且每臺消防炮只通過1 個分管道閥控制。

消防聯動控制系統包含PCS-9119 聯動控制系統(主控樓主機柜+就地子機柜+主控制CAFS后臺)、消防炮控制系統、閥門就地操作箱、CAFS本體就地控制系統、消防水泵就地控制柜等，并采用先進的分布式網絡技術、面向對象的數據庫技術以及跨平臺可視化技術等，全面支持IEC 60870-5-103、IEC 61850 等國際標準。

2.5 工作流程

由專業人員模擬火災報警信號，通過火災報警系統將火警信號傳至CAFS 后臺和消防炮琴臺，CAFS 后臺與消防炮琴臺收到火災報警信號后發出聲光報警，并根據內部設置邏輯自動啟動噴淋滅火流程，具體為：以CAFS 后臺為核心，下達指令至對應的管路閥門與設備；隨后由運行人員在琴臺操作消防炮到達預置位并發送到位信號至CAFS后臺，自動啟動消防炮滅火流程。

3 問題與改進探索

3.1 存在的問題

現場設計、安裝以及調試過程暴露出壓縮空氣泡沫滅火系統在應用方面還存在一些問題需要進一步改進，相關問題總結如下。

1) 成套系統對裝置中單一設備的可靠性要求較高，如空壓機等。

2) 對站區遠程供水系統的穩定性要求較高，要求具備更高的戰勤保障力量。

3) 系統協調聯動要求高，站區遠程供水系統的啟動邏輯較為復雜。

4) 在系統運行過程中，主泵容易頻繁啟動，對管網沖擊較大，增加了末端回傳水錘、危害消防水系統等不可預見的風險。

5) 系統聯動邏輯復雜，需冷啟動的設備及部件較多，不僅增加了系統的反應時間，對設備及部件的要求也較高。

6) 日常巡檢維護工作量大。

3.2 方案拓展

1) 獨立切換控制設計。水泵和泡沫泵各自組成獨立的泵組(泡沫泵組多留2 臺備用泵，實現特殊工況下的備用切換)，空壓機一主一備，實現設備故障后在泵組內自動切換。混合裝置設置2 臺泵，并分別配置管路連接水泵泵組、泡沫泵泵組和空壓機，混合裝置之間通過三通閥實現泵組故障后的自動切換。若混合裝置故障，則打開對應的三通閥即實現故障切換。

2) 優化系統反應時間。泵互為備用，自動切換；空壓站常勤帶壓，互為備用，自動切換；混合裝置互為備用，自動切換；整套系統處于常勤帶壓工況，啟動CAFS 的時間只是相關閥的執行動作時間，約5～15 s，最大限度地縮短消防系統作戰投入時間。

3.3 運行形式優化

CAFS 采用一體式設計，將CAFS 產生裝置、空壓機、水泵以及聯動控制組裝在集裝箱內，由于相關設備間的聯動在廠內就已固定并調試完畢，站內無需再進行改動，有效降低了站內的安裝難度，提升系統的可靠性，該方案在某換流站作為消防提升措施進行應用。

4 結束語

CAFS 作為一種新型高效的消防滅火系統，通過選用不同的設備和運行形式，提高了滅火效率、增加了射程、節約了用水，可為新擴建和已投運換流站提供安全可靠的消防滅火處置能力，有效保障運維人員的人身安全和重要輸電設施設備的運行安全。