換流站壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)配置探討

程懷宇，孫國中，宋 明，李康偉

(國家電網(wǎng)有限公司特高壓建設(shè)分公司，北京 100052)

0 引言

近年來，為解決西部和中東部地區(qū)之間的電力大規(guī)?？鐓^(qū)輸送問題，國內(nèi)規(guī)劃建設(shè)了眾多超大規(guī)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(tái)換流變壓器，單臺(tái)換流變壓器充油達(dá)200 t以上。理論和實(shí)際運(yùn)行情況表明，換流變壓器較常規(guī)交流變壓器運(yùn)行工況更加復(fù)雜，出現(xiàn)故障和發(fā)生火災(zāi)的概率更高，而早期工程配備的氮?dú)怛?qū)動(dòng)泡沫噴淋系統(tǒng)并不能快速有效地?fù)錅鐡Q流變壓器油燃燒導(dǎo)致的火災(zāi)。為此，相關(guān)部門組織開展特高壓換流站消防系統(tǒng)提升研究，提出基于壓縮空氣泡沫滅火原理的滅火系統(tǒng)配置方案，并在實(shí)際工程上進(jìn)行應(yīng)用，同時(shí)對應(yīng)用過程中存在的問題和相關(guān)應(yīng)用場景進(jìn)行了探討。

1 CAFS 簡述

1.1 CAFS 介紹

壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)(compressed-air foam systems，CAFS)是一種新型消防滅火系統(tǒng)，主要組成為水泵、空氣壓縮機(jī)、泡沫泵組以及對應(yīng)的管路和閥門等。與傳統(tǒng)的水系統(tǒng)壓力相比，其驅(qū)動(dòng)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(dòng)的物質(zhì)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(yuǎn)。

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(jìn)行滅火，泡沫液發(fā)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(dāng)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(dá)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(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)原則

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)程的要求，換流站內(nèi)的每一臺(tái)換流變壓器均需設(shè)置壓縮空氣泡沫固定噴淋滅火系統(tǒng)以替換原有的水噴霧滅火系統(tǒng)，設(shè)置壓縮空氣泡沫消防炮滅火系統(tǒng)以替換原有的泡沫炮滅火系統(tǒng)，且需滿足兩套系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作的要求。

2.2 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

對于成套的壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)國內(nèi)暫無相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范可供參考，其設(shè)計(jì)主要以GB 50151—2010《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 15308—2006《泡沫滅火劑》、GB 50338—2003《固定消防炮滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 7956.6—2015《消防車 第6 部分：壓縮空氣泡沫消防車》等規(guī)范作為參照。

2.3 系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)應(yīng)急管理部天津消防研究所撲救特高壓換流變?nèi)好嬉缌骰鹪囼?yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇如下。

1) 壓縮空氣泡沫固定噴淋滅火系統(tǒng)的泡沫混合液供給強(qiáng)度按照12 L/(min·m2)考慮，單個(gè)壓縮空氣泡沫消防炮的泡沫混合液流量為22 L/s，每臺(tái)換流變壓器設(shè)置2 門泡沫消防炮，且能同時(shí)進(jìn)行滅火。

2) 保護(hù)面積按換流變壓器本體及油池的平面投影面積計(jì)算(重疊部分不重復(fù)計(jì)算)，該換流站變壓器按照220 m2投影計(jì)算，泡沫混合液供給強(qiáng)度按照行業(yè)最高標(biāo)準(zhǔn)18 L/(min·m2)考慮(行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求為15～18 L/(min·m2)），系統(tǒng)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(tǒng)持續(xù)時(shí)間按1 h 考慮；消防設(shè)備間內(nèi)的泡沫罐設(shè)計(jì)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(shí)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(tǒng)設(shè)計(jì)

固定式壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)主要由壓縮空氣泡沫產(chǎn)生裝置、末端釋放裝置、聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)、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(shè)計(jì)了2 個(gè)消防設(shè)備間，分布于雙極高端直流側(cè)；2 個(gè)消防閥門間，分布于雙極低端直流側(cè)；4 臺(tái)額定流量4 000 L/min 的壓縮空氣泡沫產(chǎn)生裝置，布置于兩個(gè)消防設(shè)備間內(nèi)，每個(gè)設(shè)備間配置2 臺(tái)，一主一備；設(shè)備間除產(chǎn)生裝置外還布置有泡沫液罐和水罐以及聯(lián)動(dòng)控制柜等；系統(tǒng)末端釋放裝置分為噴淋管與消防炮兩種，每種均有對應(yīng)的管路及閥箱；全站共裝配24 個(gè)噴淋分管道閥與28個(gè)消防炮分管道閥，相關(guān)噴淋或消防炮管路均設(shè)計(jì)有對應(yīng)的總管道閥。根據(jù)換流站設(shè)計(jì)要求，每臺(tái)換流變壓器的防火墻兩側(cè)設(shè)置有噴淋管，通過1 個(gè)噴淋分管道閥控制；每個(gè)換流變設(shè)置2 臺(tái)消防炮，每臺(tái)消防炮負(fù)責(zé)左右兩個(gè)變壓器的滅火工作，且每臺(tái)消防炮只通過1 個(gè)分管道閥控制。

消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)包含PCS-9119 聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)(主控樓主機(jī)柜+就地子機(jī)柜+主控制CAFS后臺(tái))、消防炮控制系統(tǒng)、閥門就地操作箱、CAFS本體就地控制系統(tǒng)、消防水泵就地控制柜等，并采用先進(jìn)的分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫技術(shù)以及跨平臺(tái)可視化技術(shù)等，全面支持IEC 60870-5-103、IEC 61850 等國際標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 工作流程

由專業(yè)人員模擬火災(zāi)報(bào)警信號，通過火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)將火警信號傳至CAFS 后臺(tái)和消防炮琴臺(tái)，CAFS 后臺(tái)與消防炮琴臺(tái)收到火災(zāi)報(bào)警信號后發(fā)出聲光報(bào)警，并根據(jù)內(nèi)部設(shè)置邏輯自動(dòng)啟動(dòng)噴淋滅火流程，具體為：以CAFS 后臺(tái)為核心，下達(dá)指令至對應(yīng)的管路閥門與設(shè)備；隨后由運(yùn)行人員在琴臺(tái)操作消防炮到達(dá)預(yù)置位并發(fā)送到位信號至CAFS后臺(tái)，自動(dòng)啟動(dòng)消防炮滅火流程。

3 問題與改進(jìn)探索

3.1 存在的問題

現(xiàn)場設(shè)計(jì)、安裝以及調(diào)試過程暴露出壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)在應(yīng)用方面還存在一些問題需要進(jìn)一步改進(jìn)，相關(guān)問題總結(jié)如下。

1) 成套系統(tǒng)對裝置中單一設(shè)備的可靠性要求較高，如空壓機(jī)等。

2) 對站區(qū)遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，要求具備更高的戰(zhàn)勤保障力量。

3) 系統(tǒng)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)要求高，站區(qū)遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)的啟動(dòng)邏輯較為復(fù)雜。

4) 在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主泵容易頻繁啟動(dòng)，對管網(wǎng)沖擊較大，增加了末端回傳水錘、危害消防水系統(tǒng)等不可預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)。

5) 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)邏輯復(fù)雜，需冷啟動(dòng)的設(shè)備及部件較多，不僅增加了系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，對設(shè)備及部件的要求也較高。

6) 日常巡檢維護(hù)工作量大。

3.2 方案拓展

1) 獨(dú)立切換控制設(shè)計(jì)。水泵和泡沫泵各自組成獨(dú)立的泵組(泡沫泵組多留2 臺(tái)備用泵，實(shí)現(xiàn)特殊工況下的備用切換)，空壓機(jī)一主一備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障后在泵組內(nèi)自動(dòng)切換?；旌涎b置設(shè)置2 臺(tái)泵，并分別配置管路連接水泵泵組、泡沫泵泵組和空壓機(jī)，混合裝置之間通過三通閥實(shí)現(xiàn)泵組故障后的自動(dòng)切換。若混合裝置故障，則打開對應(yīng)的三通閥即實(shí)現(xiàn)故障切換。

2) 優(yōu)化系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。泵互為備用，自動(dòng)切換；空壓站常勤帶壓，互為備用，自動(dòng)切換；混合裝置互為備用，自動(dòng)切換；整套系統(tǒng)處于常勤帶壓工況，啟動(dòng)CAFS 的時(shí)間只是相關(guān)閥的執(zhí)行動(dòng)作時(shí)間，約5～15 s，最大限度地縮短消防系統(tǒng)作戰(zhàn)投入時(shí)間。

3.3 運(yùn)行形式優(yōu)化

CAFS 采用一體式設(shè)計(jì)，將CAFS 產(chǎn)生裝置、空壓機(jī)、水泵以及聯(lián)動(dòng)控制組裝在集裝箱內(nèi)，由于相關(guān)設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)在廠內(nèi)就已固定并調(diào)試完畢，站內(nèi)無需再進(jìn)行改動(dòng)，有效降低了站內(nèi)的安裝難度，提升系統(tǒng)的可靠性，該方案在某換流站作為消防提升措施進(jìn)行應(yīng)用。

4 結(jié)束語

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