風電機組自動消防系統設計及聯動試驗研究

矯宇航 王雪麗 王鵬

摘要：自動消防系統作為風力發電機組中的安防系統，隨著近些年機型不斷擴大、項目配置不斷優化，自動消防系統已成為風電領域不可或缺的一環，如果在前期方案設計時過多考慮成本壓縮而降低工藝、質量、配置選型等要求，一旦風機出現消防系統誤報、誤噴、有火災無法啟動等問題，不僅會造成更大的財產損失，也會造成周邊環境的破壞。因此，對于自動消防系統當前較為全面的方案設計和聯動試驗進行了分析探討，以期降低風機機組中火災事故造成的損失。

關鍵詞：風電機組；消防系統；設計；試驗

中圖分類號：X913.4? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2023）12-0029-03

風電機組消防系統的設計應用需從多個角度進行考慮，包含滅火裝置的規格選用、消防控制器的性能、各路信號的反饋、消防主機的遠程控制等。

1 風電機組火災的特殊性

風電機組較多處于人煙偏僻的荒郊野外，無法24h值守，且隨著機型不斷擴大，塔筒高度也隨之增大[1]，目前普遍都在90m以上，最大甚至可達到140m，使得維護救援極為不便。風電機組內引起火災可燃物較多，無論哪一種引起火災都會給機組帶來巨大損失[2]，難以完全從根源上得到解決。風場處于開闊且風力較大的地方，周邊沒有遮擋物，因而一旦發生火災就會具有非常快的蔓延速度，導致整個機組乃至風場內發生嚴重火災事故，著火后往往使得整個風電機組報廢。

2 自動消防系統方案設計及防護區域

2.1? 方案設計

自動消防系統從方案設計上可分為主動式與被動式，即機艙區域報警和機艙獨立報警兩種方式。其中機艙區域報警方式為每臺風電機組上安裝一臺帶有聯動功能的消防控制器，探測系統、滅火裝置連接至控制器后，可通過頁面顯示各部件的狀態信息、報警信號，并可通過消防控制器對設備進行實時控制，具備與視頻監控系統聯動功能，在預報警、主報警時均能自動啟動視頻系統，視頻監控系統將機組攝像頭轉至火情區域，查看風機發生報警區域火情。在中控室視頻監控系統顯示器上同時彈出發生火災的機組現場實際火災區域的火情。中控室人員可根據視頻查看火情，遠程控制風機。現地設置各類探測元件和執行元件，接入自動消防系統，實現實時監控和消防聯動控制。機艙獨立報警方式：機艙柜采用機械式感溫磁發電探測器和滅火裝置結合的方式進行消防，并配套反饋裝置，當滅火裝置狀態變化時主控系統可接收到相關信號；火探管式自動探火滅火裝置在機艙機械區內采用隱患點布置方式進行消防保護，并將狀態信息反饋至主控系統中，最終上傳回升壓站。火探管式自動探火滅火裝置有兩種，一種為直接式探火管滅火裝置，另一種為間接式探火管滅火裝置。其工作原理是由通過裝置連接并延展分布在周邊防護區域的火探管，火探管經充壓進行探測火情并可在火災時將滅火介質通過火探管噴放到被保護空間，達到滅火的效果。在行進過程中遇到火苗或高溫時（超過170℃時）將自動破口形成喇叭口形狀噴嘴，管內壓力泄漏的同時，觸發閥門釋放鋼瓶內滅火劑進行滅火。綜合來看，被動式方案在成本把控上具有較大優勢，而主動式方案在操控性、安全性上更符合當前風電機組的應用。

2.2? 防護區域

機艙內的火災隱患點主要包括潤滑系統、齒輪箱、高速軸剎車盤、液壓站、發電機接線盒以及動力電纜、控制電纜等。這些設備處于機艙內的開放區域，采用在火災隱患點布置自動滅火裝置的局部滅火方案。電氣柜可分為輪轂電氣保護區、機艙電氣保護區。輪轂電氣保護區主要包含變槳柜，機艙電氣保護區主要包含機艙動力柜、機艙控制柜、偏航變頻器柜。

3 滅火介質分類及選型

3.1? S型熱氣溶膠

S型熱氣溶膠作為綠色環保的滅火介質，由于其滅火速度快、重量小、無污染等特點，可用于風電機組密封結構的電氣柜防護，如機艙動力柜、機艙控制柜、輪轂柜等。氣溶膠所選的容量則根據氣溶膠本身的滅火設計密度、電氣柜的容積、容積修正系數來決定，最終的容量不會造成氣溶膠介質額外的浪費，而且可以實現全淹沒的效果。S型熱氣溶膠的選型根據GB50370—2005《氣體滅火系統設計規范》中規定，柜內氣溶膠裝置的用量遵循公式：

固體表面火災的滅火密度為0.1kg/m3；通信機房和電子計算機房等場所的電氣設備火災的滅火密度為0.13kg/m3；V＜500m3時，Kv=1.0；500m3≤V＜1000m3時，Kv=1.1；V≥1000m3時，Kv=1.2[3]。以風力發電機組中長、寬、高為600mm×600mm×1600mm的機艙柜為例，V防護區域容積為0.576m3，C2產品滅火設計密度為0.13kg/m3，Kv容積修正系數為1.0，數量為1，則機艙柜如要實現全淹沒，則選用氣溶膠的容量不小于100kg。

3.2? 超細干粉

超細干粉滅火裝置在安裝方式上可分為懸掛式及壁掛式，根據風電機組特性，較多使用懸掛式，可有效覆蓋防護區域。超細干粉與普通的干粉滅火劑相比，粒徑更小，滅火效率更高、具有良好的流動性、彌散性、結構緊湊、性能可靠，且無毒無害，便于安裝維護。快速覆蓋在可燃物的表面，通過物理和化學抑制來阻斷可燃物的繼續燃燒，快速滅火。可用于封閉或半封閉場所全淹沒滅火，也可用于局部保護滅火。在風電機組中適合用在機艙機械區，防護潤滑系統、齒輪箱、高速軸剎車盤、液壓站、發電機等部件。超細干粉滅火裝置在選擇時需考慮風電場特殊工作環境要求，如高低溫、潮濕、振動等，所以應選擇風電專用型。超細干粉滅火裝置采用局部滅火方案時的用量規格根據CECS322—2012《干粉滅火裝置技術規程》中規定，滅火劑用量計算公式：

以長、寬、高為12.7m×4.7m×5m的機艙為例，因機艙空間相對封閉，機艙空間的高與寬已確定，參照發電機整體長度及高速軸剎車盤位置距離長度方向取值為3m，滅火設計密度130g/m3，保護區域體積為70.5m3，單具滅火裝置的充裝量最大不超過5kg，則所需超細滅火裝置數量為1.83具，機艙機械區需配置2具超細干粉滅火裝置。

3.3? 火探管式自動探火滅火裝置

火探管式自動探火滅火裝置的應用相比S型氣溶膠和超細干粉較少，滅火介質可選擇七氟丙烷或二氧化碳。七氟丙烷具有無色、無味、不導電、環保的特點，通過化學抑制的原理來進行滅火，密度大于空氣，壓力下呈液態。當滅火劑噴放，液態則變成氣態，從而吸收大量的熱能來降低所保護區域的溫度。滅火效率高、成本低且工作可靠。二氧化碳的密度同樣大于空氣，具有不可燃、不助燃特性，能夠實現快速隔絕已燃物與空氣間的接觸，從而達到滅火的效果。根據保護區域不同及保護區域空間不同，直接式火探管滅火裝置用于電氣保護區防護，而間接式火探管滅火裝置用于機艙機械區防護。

4 消防監控系統及軟件

4.1? 監控系統

消防監控系統包括火災探測系統、消防控制器、消防控制主機。消防控制主機安裝在風場中控室，通過消防監控軟件與每臺風機的火災報警控制器相連接。消防監控軟件是一個獨立于風機中央監控軟件之外的專用軟件，用于與整個風場的消防控制器通信，監視各個風機內部運行時的消防相關環境參數，通過消防主機可對風機內的消防設備的報警信息進行相關處理，包含復位、啟動等動作信號處理，從而使消防設備做出響應動作。消防控制器是一種專門為自動消防控制系統實施可靠控制而設計的多線型或總線型火災自動報警和自動控制滅火的控制器，采用TCP/IP通信方式，可通過RJ45網絡接口連接至交換機，并可選配氣體滅火防護區的控制區數，控制器具有延時啟動功能，時間可在0～30s內隨意設置，并且每一路控制區都有倒計時，運維人員可通過控制器上的手自動切換按鈕實現切換功能，同時控制器還具備線路故障檢測、信號接收與反饋、備用電源等功能。

火災探測系統包括感溫、感煙探測器，用來監測機組內煙霧和溫度等是否有超限，如其中一種探測器監測超限，消防控制器接收到報警信號后向主控系統上傳預報警，如兩種探測器監測均超限，則感溫、感煙探測器同時向消防控制器報警，消防控制器向主控系統傳遞主報警。機械式感溫磁發電探測器用于電氣保護區監測，通過機械式動作產生探測器所需的啟動能量，當監測溫度超過探測器設置的溫度界限時，熱敏元件啟動內部儲能元件，將儲存的機械能轉化為電能，電脈沖在回路中形成電流經過連接線從而啟動滅火裝置。機械式感溫磁發電探測器動作時，可反饋狀態信號。

4.2? 消防系統后臺軟件

為確保風電機組自動消防系統可靠運行，所用軟件應該滿足并不限于以下需求：①可在中控室客戶端界面顯示所有風機消防設備狀態，并能夠顯示機組各探測器的狀態信息；②在機組發生報警時，需在客戶端界面顯示機組的報警信息，探測器的報警狀態信息，并發出報警信號；③在中控室客戶端，應該能夠對消防設備的報警信息進行相關的處理，包含復位、啟動等動作信號處理，風機端消防設備做出響應動作；④對用戶的操作及登錄有記錄及查詢功能；⑤對消防設備的報警信息有記錄及查詢功能；⑥軟件系統對消防指令的響應速度要在毫秒級別；⑦可以對用戶進行管理，完成增刪改查，并能夠設置相關用戶權限；⑧對風機消防設備進行管理、配置；⑨對消防設備的動作有記錄及查詢功能；⑩所有系統軟件必須是授權或正版操作軟件，涉及第三方軟件的需取得正式使用權；?在軟件系統實施中包含服務器、服務器軟件、顯示器及鼠標；?自動消防軟件系統具有獨立性，自動消防應該在交換機提供RJ45網絡接口的情況下，能夠自己組網，完成自動消防系統需要實現的所有功能。

5 自動消防系統性能及聯動功能試驗

自動消防系統又分為監控系統及滅火裝置，而監控系統與滅火裝置的生產廠商、品牌往往不同，因此經常會出現滅火裝置與監控系統無法聯動、設備故障的情況，如供電、報警信號、線纜連接的不匹配，造成消防控制器誤報警、滅火裝置無法啟動、誤動作，探測器故障無法進行檢測等結果，不僅給現場運維人員的維修清理工作增加困難，也會導致機組頻繁停機。為避免出現此類問題，自動消防系統聯動試驗愈發具有必要性。消防系統的聯動控制，特別是滅火裝置的試噴，對試驗環境、試驗人員有著一定的要求，避免周邊引起火災或誤傷人。首先在試驗場地上應選擇有專業的封閉式試驗室，由專業技術人員進行試驗并記錄試驗數據，測試項目及測試要求內容見表1。

6 結語

由于風力發電機組火災的特殊性，機組中產生的火災通常會帶來巨大的損失，甚至可能燒毀整個機組，嚴重影響風電場的運行，因此針對風電機組制定一種穩定、可靠、高效、環保的自動消防系統已成為風電行業可持續發展的前提之一，也是風電人需要不斷分析研究的重要領域。

參考文獻：

[1]易劍暉，彭力，李凱松，等.風電機組火災現象、原因、防范淺析[J].風能，2015（9）：48-51.

[2]孫成忠，黨玲.風力發電機組滅火系統的設計[J].廣東公安科技，2014（6）：45-46.

[3]孫樂場，習書廣，張文林.風電機組自動消防系統優化設計方案探究[J].機電信息，2021（9）：43-45.

Research on the design and linkage test of automatic fire protection system for wind turbines

Jiao Yuhang， Wang Xueli， Wang Peng

（CRRC Shandong Wind Power Co.， Ltd.， Shandong Jinan 250100）

AbstraCt： As a security system in wind turbines， automatic fire protection systems have become an indispensable part of the wind power field with the continuous expansion of models and the continuous optimization of project configurations in recent years. If cost compression is considered too much in the early design of the program to reduce the process， quality， configuration selection and other requirements， once the fan has problems such as false alarms， mistaken spraying， and failure to start a fire， it will not only cause greater property damage， but also cause damage to the surrounding environment. Therefore， the current comprehensive program design and linkage test of automatic fire protection systems are analyzed and discussed， hoping to reduce the loss caused by fire accidents in wind turbines.

Keywords： wind turbine; fire protection system; design; test