應急響應：美國底特律水電站火災災后恢復的經(jīng)驗教訓

美國·David M.Bardy，Thomas Voldbaek，Harley Grosvenor，David C.Shank

（美國陸軍工程師兵團）

應急響應：美國底特律水電站火災災后恢復的經(jīng)驗教訓

美國·David M.Bardy，Thomas Voldbaek，Harley Grosvenor，David C.Shank

（美國陸軍工程師兵團）

底特律水電站火災響應暴露了應對突發(fā)事件時可用數(shù)據(jù)和遵循程序的不足之處，災后恢復過程中總結的經(jīng)驗教訓可供每一個水電工程業(yè)主借鑒。

經(jīng)過底特律水電站電氣火災，美國陸軍工程師兵團波特蘭區(qū)域工作人員在確定事故發(fā)生的根本原因、制定適當?shù)膽表憫胧┑确矫娣e累了許多寶貴經(jīng)驗。

火災發(fā)生于2007年6月18日，造成廠房下廊道兩個13.8 kV斷路器、限流電抗器及相關總線的損壞。濃煙和煙塵顆粒充滿了廠房，后續(xù)清理和現(xiàn)代化改造耗資2 500萬美元。

底特律水電站；應急響應；火災；經(jīng)驗教訓

1 事件背景

美國陸軍工程師兵團波特蘭區(qū)運營著俄勒岡州威拉米特河流域上13座大壩，每座大壩都有助于水資源管理系統(tǒng)，發(fā)揮著洪水風險管理、發(fā)電、水質改善、灌溉、魚類和野生動物棲息地和威拉米特河及其支流的休閑娛樂等效益。

底特律大懸崖工程（Detroit-Big Cliff Project）由底特律大壩及其廠房、大懸崖大壩及裝機20 MW的發(fā)電廠房組成，工程位于North Santiam河上。底特律大壩位于俄勒岡州塞勒姆東南40英里處，大懸崖大壩是個遠程運行的反調節(jié)工程，位于底特律大壩下游約2.8英里處，在底特律電站峰值發(fā)電期泄水時控制河流水位。這些工程于1953年開始運行。

兩個電廠所發(fā)電量通過Bonneville電力局（以下簡稱BPA）的底特律開關站以230 kV向外送出。大懸崖電站與底特律廠房13.8 kV廠用電系統(tǒng)通過一個13.8 kV輸電線連接?；馂陌l(fā)生前，開關站由電站13.8 kV的電力及兩個電站連接線上13.8 kV輔助架空電源供電。底特律工程為BPA變電站提供站用電力。2004年安裝了新的13.8 kV站用開關斷路器、避雷器、電容器和相關的高壓電纜。

底特律水電站事故發(fā)生時，一家承包商正在現(xiàn)場重繞1號發(fā)電機。這臺機組由于重繞而停止運行，掛了標識。底特律電站2號機組和大懸崖電站唯一的機組在運行，控制室有人值守。

廠用電系統(tǒng)通過內(nèi)部載荷和服務BPA開關站的升壓變壓器連接底特律電站2個50 MVA主機組和大懸崖電站20 MVA機組。這是一個采用總線支撐結構和金屬殼開關柜的三線不接地三角形接線制。從2007年4月開始，電廠工作人員就發(fā)現(xiàn)了一系列間歇性接地故障警報，但沒有一個能觸發(fā)發(fā)電機組的接地故障保護。針對這一問題做了許多努力，但沒有成功。

就在火災發(fā)生前，13.8 kV系統(tǒng)由于接地故障啟動了報警和保護電路。XJ2、XJ3、XJ31和XJ5斷路器跳閘，大多數(shù)13.8 kV總線斷電，底特律電站的2號機組跳閘脫機。這個問題后來被確定為底特律-大懸崖線BPA變電站輔助架空饋電線上一個15 kV絕緣體受損。

接地故障發(fā)生90 min后，底特律電站控制室操作員重啟了輸電系統(tǒng)，試圖驗證接地故障是否仍存在。在這個過程中，XJ5斷路器被關閉。安裝于2004年的避雷器災難性地失事，造成一個開關柜起火，進而導致整個底特律電站停止運行。由于火災發(fā)生時沒有發(fā)電機組在運行，13.8 kV總線不接地，接地故障仍然存在，造成全電壓偏移，處于非故障相。后來，調查委員會確認廠用電開關柜中的避雷器和電纜僅額定為相電壓，它們在13.8 kV時迅速、災難性地失事。

雖然設計者沒有預見到設備故障，但已經(jīng)注意到這個區(qū)域潛在的電氣故障，提供了四個層面的保護：主機組接地、大懸崖機組接地和13.8 kV總線接地檢測及主變壓器差動保護。

正常運行期間發(fā)生避雷器故障導致線路接地故障，造成所有三個接地探測系統(tǒng)的繼電器啟動。故障區(qū)安裝了兩套避雷器，無論哪一套出現(xiàn)故障都會導致變壓器差動繼電器運行：機組接地和變壓器差動繼電器通過打開XJ斷路器來自動清除故障。差動器也會打開BPA開關站的斷路器。

保護系統(tǒng)在首次故障發(fā)生時按預期啟動。由于機組沒有回到線上，在電力恢復時，接地檢測系統(tǒng)的兩部分不可用。13.8 kV的總線接地檢測系統(tǒng)運行并發(fā)出信號。第二次發(fā)生故障時，接地信號仍然活躍，但操作人員沒有采取手動斷開斷路器的糾正措施。為進行1號機組的重繞，關閉了第四級保護。

故障逐漸從避雷器室擴大到XJ5斷路器隔間，再到相鄰的XJ9隔間，最終通過一小段總線到限流電抗器。那時，BPA開關站繼電器檢測到故障，并清理了線路。

2 即時響應：6月18日

火災造成的濃煙充滿了多層廠房和控制室。按照既定政策，電廠運行人員和其他機組人員撤離廠房，清點所有人員，撥打911求助，并通知管理部門。消防部門趕到后，確定了沒有明火。由于已經(jīng)清點了所有人員，所以沒有必要進行救援行動，也不需要進入廠房。

控制室工作人員開啟底特律大壩溢洪道閘門，保持下游所需流量。當廠用電系統(tǒng)中斷時，應急柴油發(fā)電機會自動啟動，為大懸崖電站供電。觀測到河流流量有一些波動，但沒有對下游造成顯著的影響。

3 災后第一天：6月19日

由工程師、安全專家、第一響應者和支持人員組成的團隊在早晨聚齊，陸軍工程師兵團啟動了事故指揮機構（Incident Command Structure），實行標準化、現(xiàn)場化、覆蓋所有風險的災害事件管理辦法，有利于確?；馂捻憫挠行蜻M行。

事件指揮官明確了團隊負責人來處理各方面的響應，包括運行、物流、公共信息、安全、水資源管理（流量、漁業(yè)等）和技術等方面。事故指揮機構團隊為每天工作開始和結束前的會議建立了一個標準的操作程序。

進入廠房是當務之急，但由于尚不知曉煙霧和煙塵的特性，首先要確保電站是安全的。在處理火災的同時，保持水流流量、監(jiān)測溶解氧含量等漁業(yè)關注的問題也很重要，以確保陸軍工程師兵團的環(huán)境管理任務。

在與Marion縣消防局局長討論后，陸軍工程師兵團同意消防人員進入電廠評估狀況。帶著安全和方位簡報，火災調查員攜帶自給式呼吸器進入廠房。他們檢測了氧氣和一氧化碳的濃度，并確定了火災的大體位置。調查認為主發(fā)電機樓層和上層辦公室的氧氣和一氧化碳濃度可以攜帶空氣過濾面罩進入。但是廠房低樓層的一氧化碳濃度超過可接受的限度，需要攜帶自給式呼吸器進入。消防人員利用這些設備進入廠房，獲取圖紙、無線電設備和關鍵設備的鑰匙，并查看控制室儀器，以評估其狀態(tài)。

團隊討論了電廠低樓層的通風選擇，打開了外部門和頂部艙口。1號機組由于重繞處于未充水狀態(tài)，有希望通過其壓力管道進行低樓層的通風。在其壓力管道頂部放置了一個風扇，通過打開的導流管和蝸殼門通風。

波特蘭地區(qū)締約互助小組發(fā)起了幾項行動，包括動員第一響應承包商啟動保障電站穩(wěn)定的初步階段，承包商需要有專業(yè)知識、設備和訓練有素的人員進入工廠，評估危險性，監(jiān)測空氣質量和收集煙塵樣品。西北消防獲得了這一合同，合同還包括提供移動式廁所、洗滌設施、飲用水、燈、辦公拖車和應急發(fā)電機。

區(qū)域安全人員與西北消防一起重新評估廠房內(nèi)的空氣后確認，經(jīng)過幾個小時的通風，一氧化碳含量已經(jīng)下降到足以讓受過訓練的響應者進入廠房的較低樓層。項目安全人員和承包商共同確定工作人員的個人防護裝備的類型和等級。個人防護裝備包括全面罩呼吸防護罩、Tyvek防護服以及適當?shù)膬艋绦颉?/p>

煙塵和懸浮空氣顆粒的組成尚不知曉。由于隔間內(nèi)部的設備已被燒毀，假定其組成中含有汞和其他重金屬。

調查人員發(fā)現(xiàn)廠房集水井內(nèi)充滿了水。幸運的是，幾年前已經(jīng)安裝了潛水泵。從另一個廠房運來了一個60 kW便攜式柴油發(fā)電機為水泵供電。盡管有泵，集水井內(nèi)水位仍繼續(xù)上升，1英尺深的水外溢進入電廠，淹沒了較低的廊道。工作人員發(fā)現(xiàn)，排水管道存在問題，停止了泵排水，之后情況得到糾正。

現(xiàn)場也發(fā)現(xiàn)由于缺少速控壓力、導葉松弛，2號機組轉速接近同步轉速。工作人員關閉了進水閘，阻止水流，但幾個小時后機組仍未停止轉動，這可能是由于伺服活塞環(huán)泄漏，導致油流回調速器，這反過來又導致執(zhí)行器罐最終失去壓力，溢流到調速器。

4 災后第二天：6月20日

區(qū)域指揮官和事故指揮機構團隊成員抵達底特律電站聽取了簡要匯報，成立了調查委員會，以記錄狀況并確定事故的根本原因。導致失事的主要原因尚未排除，需要查明主要和其他可能的原因。

柴油發(fā)電機容量有限，要將可用的電力用于照明、排水泵以及為電站蓄電池充電的電動機發(fā)電機組，難度很大。工作人員試圖通過廠用電系統(tǒng)供電，但失敗了。顯然，將繼續(xù)通過各種延長電線為各種設備供電，獨立于電站總線。

工作重點再次集中在2號機組。隔離執(zhí)行器罐，在通過柴油發(fā)電機向調速泵提供臨時電力后，迫使閘門關閉。這樣關閉了該機組，啟動了手動伺服鎖。工作人員發(fā)現(xiàn)進水閘下限開關設置不正確，在門檻以上約1英尺。6月20日對此進行了糾正，但機組持續(xù)轉動到那天，導致軸承過熱。

隨著工作的推進，HSE人員更新了安全計劃，包括凈化程序、進入現(xiàn)場的合適程序、工作/休息周期及適當?shù)膫€人防護裝備。他們將覆蓋在廠房表面的煙灰樣品送檢，以確定其組成，確保工作人員使用足夠防護等級的防護用品。

在確保電站安全的同時，團隊其他成員討論和審查了水資源管理問題。North Santiam河為各種魚類和野生動物提供棲息地，因此，需要關注由于流量變化引起的下游水溫和總溶解氧濃度的問題。在與部落、州和聯(lián)邦機構協(xié)調后，實施了一些措施來緩解這些問題，并監(jiān)測和抵消產(chǎn)生的影響。例如，為了保護魚類，利用大壩不同的出口嘗試影響水溫及溶解氧，并部署人員監(jiān)測下游棲息地。

另有團隊專注于維護其余的設施，包括柴油發(fā)電機、溢洪道閘門，以及大懸崖大壩的運行。采取了人員計劃、燃油供應、下游監(jiān)測和設立臨時控制室等措施。

截至6月20日下午5時，已確保電站安全，工作的重點集中在清理、改善工作條件（包括照明和凈化）以及為關鍵系統(tǒng)提供臨時電力。團隊也開始著手進行長期修復工作，如下文所述。

5 恢復階段

在接下來的幾周里，開展的工作由應急響應轉向設備狀況評估和電站修復規(guī)劃。需要進行以下幾項工作，使電站恢復到原先的工作狀態(tài)：

（1）恢復廠用電總線部分；

（2）恢復變壓器氮氣層；

（3）獲取更大容量的柴油發(fā)電機；

（4）設置臨時控制室；

（5）為員工辦公提供活動房間；

（6）改善臨時照明；

（7）利用大懸崖大壩恢復電力。

顯然，恢復廠房所需進行的工作超出了原先應急響應承包商的能力。在5周內(nèi)，與肖恩環(huán)境公司簽署了第二份合同，來完成電廠的凈化和清理工作。凈化工作始于7月，一直持續(xù)到9月11日。承包商員工用手擦或手洗了所有內(nèi)部建筑物表面、設備、控制板和許多系統(tǒng)組件。承包商沒有進行大規(guī)模凈化工作，而是清除和處理了空調管道和設備、被污染的辦公家具和隔音墻。這么做的原因是，比起更換這些設施，這樣的處理方法更便宜或更安全。在電氣設備的清理中使用了特殊的清潔溶劑，防止漏電，進而導致故障。

同時也開展了設計和規(guī)劃工作，恢復部分廠用電系統(tǒng)總線，并修建臨時總線支撐結構，以便從大懸崖廠房引電。這需要建造總線、開關柜及繼電器保護，這可以為廠用電系統(tǒng)提供雙電源，通過主變壓器從大懸崖電站或BPA線供電。底特律電站在9月18日恢復供電。

底特律電站1號機組的發(fā)電機必須完全拆卸，以將線圈、軸承表面和其他發(fā)電機系統(tǒng)中的金屬煙塵清除。重繞承包商美國國家線圈公司雇用一家消除石棉和鉛的分包商完成了這項工作。

在恢復階段，資源管理人員與陸軍工程師兵團在努力獲取工作所需的資金。BPA提供了約200萬美元直接資金用于繼續(xù)恢復工作。對幾個已有的子協(xié)議進行了修訂，以涵蓋總共需要耗費約1 300萬美元的附加工作。此外，一份約1 000萬美金的火災恢復協(xié)議獲得資助，使資本和費用資金的結合成為可能。

一旦廠用電系統(tǒng)總線恢復，就可以開始電廠其余部分的恢復或升級工作，包括13.8 kV開關柜的現(xiàn)代化改造、升級廠用電系統(tǒng)總線和電站電池、繼續(xù)1號發(fā)電機組重繞，以及加快改善空調和消防系統(tǒng)合同的推進（火災發(fā)生時正在進行中）。

與Metal Benders公司簽署的電廠消防和空調系統(tǒng)合同解決了火災期間確定的幾個關鍵項目，包括煙霧屏障、控制室加壓、自動防火門、防火和煙霧報警器、防火板、分割廠房以限制煙霧穿過電廠、煙霧探測器及其他保護工作人員的系統(tǒng)。因此在陸軍工程師兵團所有安裝了消防系統(tǒng)的電站中，底特律電站的系統(tǒng)是最全面的之一。它將作為陸軍工程師兵團所轄的其他設施的一個模板。

雖然大部分工作已于2010年完成，但恢復工作仍在繼續(xù)。在底特律電站安裝臨時總線后，大懸崖電站機組于2007年9月恢復。在兩個機組完成重繞后，底特律電站1號和2號機組分別于2008年4月和2009年3月恢復工作。電站總線、開關柜和消防系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造工作讓底特律電廠和大懸崖電廠躋身陸軍工程師兵團最現(xiàn)代化電站的行列。

6 經(jīng)驗教訓

經(jīng)過底特律水電站火災和隨后的恢復工作，陸軍工程師兵團收獲了許多可供其他項目參考的經(jīng)驗。

6.1 根本原因

更新圖紙。在許多情況下，圖紙沒有反映現(xiàn)場實際情況。這導致運行人員在清理其他設備時，無意間關閉保護系統(tǒng)。

改進檢驗和調試程序。在以前的工作中，設備安裝不符合相關規(guī)程或標準。當遇到初始接地故障的情況，設備失事，引發(fā)火災。陸軍工程師兵團加強了調試和測試要求。

改進故障排除程序。工作人員沒有充分理解發(fā)生接地故障繼電器保護動作后中壓系統(tǒng)激勵的差動。需要充分理解通電前的測試程序。

就新設備提供培訓和操作維護手冊。電廠運行人員就新設備的操作沒有獲得足夠的培訓。舊手冊沒有更新關于新設備的內(nèi)容，因此很少使用。

重新評估保護方案。雖然原來的設計提供了足夠的保護，但沒有實施基于新技術的加強保護。定期檢查所有廠房保護計劃十分重要。

6.2 響應行動

確?？色@取關鍵設備的圖紙和鑰匙。對重要設備圖紙及運行該設備所需的關鍵工具、鑰匙的可獲取性十分重要。其中一部分工具和鑰匙存放在控制室，疏散電廠時無法獲取。

聘請知識和經(jīng)驗豐富的安全人員。允許安全人員進入電廠，確保員工安全。沒有他們的專業(yè)知識，進入電廠將十分危險，并可能造成長期影響。工作條件艱苦、疲勞和過熱是重要的問題。安全人員制定的計劃解決了這一問題。

隨身攜帶便攜式發(fā)電機和電源線?？色@取便攜式電源和配送電力的手段是一個關鍵因素。

建立事件應急指揮機構。這一機構可以讓陸軍工程師兵團在混亂的事件中保持秩序，有助于引進正確的資源，在知曉其他區(qū)域已經(jīng)適當緩解后，可以使這些資源專用于特定的區(qū)域。這可以實現(xiàn)讓一個人監(jiān)督一項大型復雜的操作。

通訊至關重要。在最初的響應中有良好的通訊條件很重要。因為無法使用固定電話線，使用手機特別重要。

提供基本設施，滿足人員需求。有一群人專注于提供現(xiàn)場物資和滿足基本需求非常重要。這可以使工作人員和響應者專注于他們的職責范圍。

確定環(huán)境后果。重要的是，不僅要著眼于廠房，也要關注對水流的影響。有一個團隊專注于下游水質、溶解氧和水溫，可有助于減輕兩個電廠發(fā)電損失的影響。

制定疏散程序。有合適的疏散計劃并演習對保證員工安全是至關重要的。幸運的是，火災發(fā)生在晚上，大多數(shù)工作人員已下班，承包商也不在現(xiàn)場。如果該事件發(fā)生時有人員在低廊道內(nèi)，將極有可能發(fā)生傷亡事故。

測試調速器。當調速器長時間斷電時，測試液壓系統(tǒng)保持閘門關閉的能力是很重要的。雖然這一事件很少發(fā)生，但它可能導致閘門松動，進而可能造成機組失控。

定期維護。在應急運行前，應將驗證閘門能否完全封閉作為定期維護的一部分。在沒有進行驗證前，永遠不要假定它可以正常工作。

應急訓練。對工作人員及承包商進行應急計劃的培訓和協(xié)調至關重要，應將其納入疏散演習中。

應急設備使用培訓。需要記錄應急泵和管道安裝方法，所有的人員都要接受正確操作的培訓?！?/p>

Emergency response：lessons learned during recovery from a fire in the Detroit powerhouse

David M.Bardy,Thomas Voldbaek,Harley Grosvenor and David C.Shank//U.S.Army Corps of Engineers

The response to a fire in the 100-MW Detroit powerhouse brought to light several inadequacies in data available and procedures followed during emergencies.The lessons learned during the recovery process are valuable for every hydro project owner.

As a result of an electrical fire at the 100-MW Detroit hydro project,personnel with the Portland District of the U.S.Army Corps of Engineers learned many valuable lessons with regard to determining the root cause of the incident and formulating proper emergency response actions.

The fire,on June 18,2007,resulted in the destruction of two 13.8-kV breakers,current limiting reactors and associated bus in the lower gallery of the powerhouse.(A sustained feed of this magnitude is equivalent to lifting a 3 000-pound car 140 miles in 2.5 minutes or driving an average-sized car more than 3 300 miles.)Heavy smoke and charged soot particles filled the powerhouse and led to a$25 million cleanup and modernization effort.

Detroit powerhouse;emergency response;fire;lessons

TV697.1

B

1671-1092（2017）03-0070-05

2017-04-27

文獻來源：HYDRO REVIEW

編譯：邱祥興

校核：許傳桂