一起1.5MW風力發(fā)電機組火災(zāi)事故調(diào)查與分析

殷豪

摘? 要：伴隨風力發(fā)電機組投運數(shù)量及運行時間的不斷增加，各類火災(zāi)事故日益頻發(fā)。應(yīng)當重視對風力發(fā)電機組火災(zāi)特性和消防系統(tǒng)的應(yīng)用研究，確保風電機組的安全運行。通過對內(nèi)蒙古某風電場一起1.5MW風力發(fā)電機組火災(zāi)事故的調(diào)查，深入剖析事故起因和形成機理，并結(jié)合風電機組火災(zāi)特性研究，提出整改和防范措施。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機組;火災(zāi)特性;機艙火災(zāi);事故調(diào)查

中圖分類號：TM614? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）23-0082-03

Abstract： With the continuous increase of the number and running time of wind turbines， all kinds of fire accidents are becoming more and more frequent. Attention should be paid to the research on the fire characteristics of wind turbine and the application of fire control system to ensure the safe operation of wind turbine. Based on the investigation of a 1.5MW wind turbine fire accident in a wind farm in Inner Mongolia， this paper deeply analyzes the cause and formation mechanism of the accident， and puts forward the rectification and preventive measures based on the study of wind turbine fire characteristics.

Keywords： wind turbine; fire characteristics; engine room fire; accident investigation

引言

2019年1月，國家能源局發(fā)布行業(yè)統(tǒng)計消息：2018年，全國新增并網(wǎng)風電裝機2059萬千瓦，累計并網(wǎng)裝機容量達到1.84億千瓦，占全部發(fā)電裝機容量的9.7%。2018年風電發(fā)電量3660億千瓦時，占全部發(fā)電量的5.2%，比2017年提高0.4個百分點。風電已成為我國繼煤電、水電之后的第三大電源。

風力發(fā)電機組空間狹小，而且容納了各種高昂的電子、電氣設(shè)備及液壓油、變壓器油、齒輪箱油、潤滑油、隔音泡沫、電線電纜和塑料機艙罩等多種可燃和易燃材料，因此潛在火災(zāi)危險性很高。伴隨風電機組投運數(shù)量及運行時間的不斷增加，各類火災(zāi)事故日益頻發(fā)[1]。根據(jù)英國Caithness Windfarm Information Forum不完全統(tǒng)計[2]，截止到 2014 年 9 月 30 日，在世界范圍內(nèi)公開報道并經(jīng)證實的1614起風機安全事故中，火災(zāi)有 236 起，占事故總起數(shù)的14.6%，是僅次于葉片損壞事故（18.5%）的第二大常見意外事故。風機火災(zāi)事故往往造成機艙全部燒毀，經(jīng)濟損失巨大。因此，應(yīng)當重視對火災(zāi)特性和消防系統(tǒng)的應(yīng)用研究，確保風電機組的安全運行。

1 風電場和風機介紹

內(nèi)蒙古某風電場位于內(nèi)蒙古克什克騰旗，地貌類型為起伏較大的山丘地帶，平均海拔高度為1400米;安裝SL1500型風電機組33臺，容量49.5MW;安裝FD70B型風電機組33臺，容量49.5 MW，共安裝35kV風機變66臺，由4回35kV 集電線路匯集至升壓站，安裝主變1臺，容量120000kVA，由1回220kV線路送入一次變，送出線路長度94.63km。

1.1 風機結(jié)構(gòu)

某1.5MW系列風電機組是引進德國Repower公司MD70/77型風力發(fā)電機組的三葉片、水平軸式風力發(fā)電機組，采用變槳、變速恒頻、雙饋異步的發(fā)電技術(shù)。主要由葉片、輪轂、變槳軸承、變槳控制系統(tǒng)、主軸、主軸承、齒輪箱、液壓及制動系統(tǒng)、聯(lián)軸器、發(fā)電機、主控制系統(tǒng)、偏航軸承、塔筒、變頻器等部分組成[3]，如圖1所示。

1.2 風機參數(shù)

FD70B低溫型風力發(fā)電機組，額定功率1.5MW，輪轂中心高度65m，風輪直徑70m，掃風面積3850m2，切入風速3.5m/s，額定風速11.5m/s（靜態(tài)），切出風速25m/s，生存風速59.5m/s，風區(qū)類型IECⅡA，轉(zhuǎn)速范圍10.6～19rpm（+10%），額定轉(zhuǎn)速19rpm，運行溫度-30℃～40℃，生存溫度-40℃～50℃，機艙尺寸10200×3725×3910mm，機艙重量61t，輪轂16t。

1.3 技術(shù)特點

該1.5MW風力發(fā)電機組的主要技術(shù)特點如下：1.5MW風力發(fā)電機組采用水平軸、三葉片、變槳距調(diào)節(jié)、雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)。采用電氣驅(qū)動變槳結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)單葉片獨立變槳。制動系統(tǒng)采用葉片順槳實現(xiàn)空氣制動，降低風輪轉(zhuǎn)速，同時配備轉(zhuǎn)子制動器做輔助剎車。傳動鏈主要由主軸、主軸軸承、主軸軸承座、齒輪箱、聯(lián)軸器及發(fā)電機組成。風電機組變速恒頻，欠功率狀態(tài)下為轉(zhuǎn)速控制，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率，輸出最大功率。發(fā)電機-變頻器系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子電路部分功率變頻技術(shù)，采用四極帶滑環(huán)的雙饋異步發(fā)電機。機組自動偏航系統(tǒng)能夠根據(jù)風向標所提供的信號自動確定風機的方向。塔底與機艙之間采用光纖通信，設(shè)計了電動提升裝置。

2 事故及運維概況

8月22日，風電場接到當?shù)啬撩駡缶娫挕?5：41運行人員到達現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)A風機機艙著火，立即啟動應(yīng)急預(yù)案，對A風機所在集電路線進行了停電隔離，并委派人員警戒隔離區(qū)、監(jiān)控后臺事故信號、對相關(guān)數(shù)據(jù)進行記錄。

A風機發(fā)生事故前已安全運行8年時間。3月26日巡檢時發(fā)現(xiàn)該發(fā)電機轉(zhuǎn)動異音較大，通過對不同轉(zhuǎn)速的設(shè)定，并對發(fā)電機軸承進行檢查，前后軸承震動較大。檢修人員于3月30日更換發(fā)電機前后軸承，更換后風機試運行，發(fā)電機異音消除。A風機近期檢修情況如表1。

3 事故調(diào)查與分析

3.1 現(xiàn)場勘驗

三只葉片全部回槳，其中一只葉片燒斷后掉落地面基本燒完，另兩只葉片根部部分過火;輪轂罩殼部分燒毀;機艙罩殼全部燒毀。風機殘骸如圖2所示。

變頻器：從變頻器故障時序及故障分析認為送至機艙的UPS電源短路故障或因機艙火災(zāi)導致主控與變頻器間的開關(guān)量或模擬量電纜燒毀導致各種故障引發(fā)。變頻器外觀完好，并網(wǎng)柜內(nèi)部正常，定子接觸器、斷路器正常斷開，反饋觸點正常，未發(fā)現(xiàn)任何異常損壞，認為變頻器執(zhí)行了規(guī)定的停機動作，功能正常。

主控故障信息：結(jié)合變頻器故障記錄，按理OPC遠程系統(tǒng)應(yīng)該出現(xiàn)兩次變頻器故障，但只出現(xiàn)一次。結(jié)合OPC數(shù)據(jù)截止時間8月22日05：29：43，結(jié)合機艙溫度數(shù)據(jù)如圖3，認為此時主控制柜已燒毀或因UPS電源線路短路導致主控制器及通訊模塊斷電。

機艙：剎車罩殼完好，剎車盤、剎車片無嚴重摩擦現(xiàn)象，排除剎車嚴重磨損、機械摩擦發(fā)熱導致火災(zāi)的嫌疑;齒輪箱側(cè)聯(lián)軸器疑似在燃燒前強行剝離、撕裂現(xiàn)象;拆開蓋板后檢查接線，沒有發(fā)現(xiàn)線鼻子松動情況，沒有發(fā)現(xiàn)疑似短路、放電、電纜燒灼現(xiàn)象，檢查所有發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子接線盒蓋板，未發(fā)現(xiàn)放電痕跡;定子回路電纜檢查未發(fā)現(xiàn)明顯短路、燒灼點;轉(zhuǎn)子回路電纜檢查，除接線盒下部位置存在異常外，機艙內(nèi)其他部位為發(fā)現(xiàn)明顯短路、燒灼點;發(fā)電機后軸承內(nèi)部端蓋處氧化物附著嚴重，氧化嚴重或油脂碳化堆積，軸承內(nèi)部溫度高，發(fā)電機軸系已抱死;塔筒內(nèi)部電纜完好，穿孔處保護良好。

發(fā)電機解體：前軸承內(nèi)圈、外圈滑道光滑，滾珠光亮，油脂正常、無嚴重碳化現(xiàn)象;后軸承小端蓋外部安裝螺栓取下后，小端蓋仍然無法取下，硬性敲擊后才取下，發(fā)現(xiàn)小端蓋粘連在軸承油封上，再行盤車，發(fā)現(xiàn)可以盤動。發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)部、油封、端蓋均無油漬，只有氧化、碳化痕跡。后軸承內(nèi)圈滑道上多處有凹槽，高低不平，數(shù)量與滾珠數(shù)量一致。積油盒經(jīng)過了充分燃燒或氣化，只有氧化、碳化的痕跡。

3.2 原因分析

風機事故前較長時間內(nèi)，風機因變頻器參數(shù)設(shè)置問題，以及變頻器與機艙主控間力矩值模擬量問題等原因，風機功率一致存在較大振蕩現(xiàn)象。

風機事故時，發(fā)電機后軸承突然嚴重損壞，軸系振動增大，同時導致發(fā)電機定轉(zhuǎn)子間間隙周期變化，加劇功率振蕩，并呈發(fā)散現(xiàn)象;此時發(fā)電機后軸承嚴重損壞、擋圈與小端蓋摩擦、產(chǎn)生持續(xù)高溫，導致軸承內(nèi)油脂快速熔化、流出，然后燃燒，在機場尾部引發(fā)火災(zāi)，燒至發(fā)電機轉(zhuǎn)子電纜處時，燒毀多根轉(zhuǎn)子電纜的絕緣，導致轉(zhuǎn)子電纜多處同時短路，風機報變頻器故障停機。

風機在停機過程中，發(fā)電機后部嚴重振動，聯(lián)軸器經(jīng)受很大的沖擊，導致玻鋼間打滑、撕裂，撕裂瞬間，風機報振動開關(guān)動作，風機緊急收槳、停機。

風機因火災(zāi)燒毀整個機艙，機艙內(nèi)所有部件全部報廢，燒糊部分輪轂罩殼，輪轂內(nèi)所有部分因高溫燒損報廢。

風機未報發(fā)電機后軸承溫度高故障：該故障觸發(fā)條件為后軸承溫度超過100℃且持續(xù)5秒延時，分析認為后軸承嚴重損壞時，軸承處溫度快速升高，尤其出現(xiàn)摩擦現(xiàn)象時，傳感器處溫度急劇升高，導致線路因高溫燒致短路，未能引發(fā)故障。經(jīng)過試驗驗證，當發(fā)電機軸承溫度傳感器信號線短路時，風機不報故障。

風機未報環(huán)境溫度高故障：該故障觸發(fā)條件為環(huán)境溫度超過45℃且持續(xù)50秒延時，分析認為可能因為設(shè)置原因，該故障不能正常工作，從OPC數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度在8月20日14：57：08后一直大于45℃。

4 風電機組火災(zāi)特性

風電機組頻繁發(fā)生火災(zāi)的原因有：（1）風電機組內(nèi)部

使用了大量的可燃、易燃材料，機艙罩的玻璃鋼、玻璃纖維增強塑料和隔音泡沫;齒輪箱用油和軸承潤滑用油;變壓器油等易燃材料不僅是火災(zāi)隱患，還能加快火勢蔓延。（2）風電機組運行時間長，電氣元件及電纜存在不同程度老化，機械部件在非正常磨損過程中，容易產(chǎn)生高溫達到油脂閃點。（3）機艙位于六、七十米高空，易受雷擊，密閉高溫的機艙起火后借助風勢，常造成嚴重事故。（4）受低價中標的影響，國內(nèi)大多風電機組沒有配置自動消防系統(tǒng)。在火災(zāi)前期無法有效遏制火勢發(fā)展。（5）風機監(jiān)控管理水平有待提高，運維人員缺乏故障處理經(jīng)驗和檢修現(xiàn)場條件復(fù)雜。就本次事故而言，筆者查詢《故障代碼記錄》得知A風機從6月5日至8月20日期間，一共出現(xiàn)了48次“1323故障報警”（1323：齒輪箱低速軸軸承溫度過高）。盡管運維人員一直對該風機進行常規(guī)巡檢和故障處理（如表1），但始終無法真正解決問題，就在廠家人員給出“繼續(xù)觀察一段時間”的處理意見2周后，A風機發(fā)生了火災(zāi)事故。

5 結(jié)束語

為了避免類似事故的再次發(fā)生，整改和防范措施如下：

（1）對全場風機軸承進行專項檢查，發(fā)現(xiàn)異常的，需打開軸承端蓋檢查軸承滾道內(nèi)部情況。

（2）增加風機廢油脂的清理頻次。

（3）在機組發(fā)生超速、振動等故障時，應(yīng)仔細檢查機組各部件是否有異常，嚴禁后臺直接復(fù)位啟機運行。

（4）嚴格按照機組維護手冊對機組進行定期維護，應(yīng)完善維護記錄，維護記錄應(yīng)能體現(xiàn)出每次維護的實際工作內(nèi)容。

（5）為了進一步加強主軸承狀態(tài)監(jiān)控，建議對該風場機組增加主軸承溫度和振動監(jiān)控。

（6）考慮風電場當?shù)貧鉁貤l件，建議拆除機艙保溫材料。

（7）建議進行風機改造，增加自動消防系統(tǒng)。

參考文獻：

[1]王振華，等.某850kW水平軸風力發(fā)電機機艙火災(zāi)模擬與分析[J].安全與環(huán)境學報，2017，17（1）：133-140.

[2]Caithness Windfarm Information Forum 2014.Summary of wind turbine accident data to 30 september 2014[EB/OL].[2015-04-13].http：//www.caithnesswindfarms.co.uk./.

[3]東方汽輪機有限公司風電事業(yè)部.1500kW風力發(fā)電機組檢修服務(wù)指南[Z].四川德陽，2016.

[4]張琛，郭盛，高偉，等.基于可靠度的風電機組機會維修策略[J]. 廣東電力，2016，29（2）：40-44.

[5]劉德利，黃志強.一起進口風力發(fā)電機火災(zāi)事故調(diào)查[J].消防科學與技術(shù)，2009，28（7）：546-548.