海上升壓變電站電纜層的鋼結構防火研究

周 焱

（上?？睖y設計研究院有限公司，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機。但直到2000年前，歐洲各國的海上風電項目仍帶有研究和示范的性質，普遍具有規(guī)模小、離岸近、水深淺的特點。該階段的海上風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海上風電場的建成為標志，歐洲海上風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電機組與陸上變電站，會導致線路壓降大、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電場項目的標準配置。

在國家政策支持和技術進步的推動下，我國的海上風電事業(yè)發(fā)展突飛猛進。截至到2021年9月底，中國海上風電累計并網(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電場不可或缺的一部分。

1 電纜層防火設計的意義

海上升壓變電站作為海上風電場的樞紐建筑，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電場的有效運行，確保了風機所產(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、電氣設備等高度集中，若沒有一定的防范措施，容易發(fā)生火災、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構建筑，一旦火災現(xiàn)場溫度超過540℃，鋼結構就會迅速失去承載力，在短時間內出現(xiàn)較大的形變，甚至整體坍塌?？紤]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構防火應該引起設計及運維人員的重視。

2 電纜層防火設計存在的難點

2.1 電纜層防火設計要點

海上升壓變電站經(jīng)過多年的技術升級迭代，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備室和蓄電池室等。

海上升壓變電站上兩層的設備房間層考慮到電氣設備比較精細，為防止海上鹽霧的腐蝕，一般采用全封閉結構，并且配備微增壓系統(tǒng)，保證室內的氣壓高于室外，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置圍護結構，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)不能用于電氣設備，高壓細水噴霧系統(tǒng)可以用于電氣設備，但使用條件必須為封閉空間，故電纜層只能依靠鋼結構被動防火。

2.2 電纜層設計規(guī)范

現(xiàn)有的涉及到海上升壓變電站防火的國內外規(guī)范主要有:《風電場工程110kV~220kV海上升壓變電站變電站設計規(guī)范》（NB/T 31115-2017）、《海上風力發(fā)電場設計標準》（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《風電場工程110kV~220kV海上升壓變電站變電站設計規(guī)范》為例，海上升壓變電站防火設計的主要流程為：

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

（2）根據(jù)不同艙室的火災危險性類別，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，選擇相應的防火措施。

2.3 設計規(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)域的火災危險性分類不明確。業(yè)內一直對電纜層區(qū)域的火災危險性分類有爭議。有認為電纜易燃，屬于升壓站中的主要風險點，應該歸類為火災危險性較大的處所；也有認為電纜層四面開敞，應歸類為開敞甲板。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)?！薄稖\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?！薄逗Ｉ瞎潭ㄆ脚_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、風障和甲板等結構，以致其自然通風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?！薄秶H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，上方應無遮擋；②無火災風險。電纜層既非露天甲板，本身又有較大的火災風險，電纜上方的甲板與梁形成了一個半圍蔽的空間，一旦發(fā)生火災后，高溫煙氣集聚在甲板下方難以擴散，故認為其不具有風險性，歸類為開敞甲板是不合理的。

（2）海上升壓變電站相關的規(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“凡暴露在火災中，一旦垮塌斷裂使火災危險性升級的結構，應考慮結構防火措施?！薄逗Ｉ瞎潭ㄆ脚_入級與建造規(guī)范》（1992年版）中提到“平臺框架支承結構的構件如橫梁、立柱、拉撐等構件應為A-60耐火級”。這兩部規(guī)范明確提出了應該對海洋平臺上的梁柱、斜撐等構件采取防火措施，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，給電纜層的鋼結構防火帶來了難題，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構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合使用。

3.1 絕緣材料防火

國內早期的海上升壓變電站電纜層的結構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）在絕緣材料外側加設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：江蘇響水近海風電場項目、河北樂亭菩提島海上風電場項目。

3.2 敷設耐火甲板敷料

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：一種是復合結構型敷料，由下層的輕質耐火絕熱材料及上層的乳膠敷料構成，下層負責隔熱，上層負責防水，具有良好的綜合性能；一種是單層結構敷料，是利用水泥和一定級配的輕質骨料配制而成的水硬性膠凝材料，輕質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。

甲板敷料敷設于甲板之上，位于電纜層上方支撐上部結構的梁與柱均暴露于火災風險中，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電場項目、廣東湛江外羅海上風電場項目。

3.3 防火涂料與耐火敷料結合使用

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?；蠘渲梢云鸬綄⑵渌慕M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，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、導熱系數(shù)低的蜂窩狀炭質層，厚度可以達到原來涂層的幾十倍。炭質層在火源和基材之間形成一道屏障，從而減緩了鋼結構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#海上風電場項目、上海奉賢海上風電場項目。

4 結束語

我國在2020年提出了“30.60”雙碳目標。到2030年為止，風電、太陽能發(fā)電裝機容量將達到12億千瓦以上，并加快構建新型電力系統(tǒng)。海上風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)新和技術迭代來起到降本增效的效果。對海上風電產(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，導致多種防火策略的出現(xiàn)，這種矛盾給設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電產(chǎn)業(yè)的內耗，也給現(xiàn)場生產(chǎn)管理帶來了安全隱患。

為解決這一問題，應盡快組織有關人員對海上升壓變電站的鋼構件防火情況進行調查研究，在結合國外先進經(jīng)驗的基礎上，制定切實有效措施，盡快出臺相關規(guī)范，對海上升壓變電站的鋼構件防火設計進行指導，為海上升壓變電站的安全加一把鎖，也為早日實現(xiàn)雙碳目標貢獻力量。