風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)及聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)研究

矯宇航 王雪麗 王鵬

摘要：自動(dòng)消防系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的安防系統(tǒng)，隨著近些年機(jī)型不斷擴(kuò)大、項(xiàng)目配置不斷優(yōu)化，自動(dòng)消防系統(tǒng)已成為風(fēng)電領(lǐng)域不可或缺的一環(huán)，如果在前期方案設(shè)計(jì)時(shí)過多考慮成本壓縮而降低工藝、質(zhì)量、配置選型等要求，一旦風(fēng)機(jī)出現(xiàn)消防系統(tǒng)誤報(bào)、誤噴、有火災(zāi)無法啟動(dòng)等問題，不僅會(huì)造成更大的財(cái)產(chǎn)損失，也會(huì)造成周邊環(huán)境的破壞。因此，對(duì)于自動(dòng)消防系統(tǒng)當(dāng)前較為全面的方案設(shè)計(jì)和聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行了分析探討，以期降低風(fēng)機(jī)機(jī)組中火災(zāi)事故造成的損失。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；消防系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：X913.4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2023）12-0029-03

風(fēng)電機(jī)組消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用需從多個(gè)角度進(jìn)行考慮，包含滅火裝置的規(guī)格選用、消防控制器的性能、各路信號(hào)的反饋、消防主機(jī)的遠(yuǎn)程控制等。

1 風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)的特殊性

風(fēng)電機(jī)組較多處于人煙偏僻的荒郊野外，無法24h值守，且隨著機(jī)型不斷擴(kuò)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(dá)到140m，使得維護(hù)救援極為不便。風(fēng)電機(jī)組內(nèi)引起火災(zāi)可燃物較多，無論哪一種引起火災(zāi)都會(huì)給機(jī)組帶來巨大損失[2]，難以完全從根源上得到解決。風(fēng)場處于開闊且風(fēng)力較大的地方，周邊沒有遮擋物，因而一旦發(fā)生火災(zāi)就會(huì)具有非常快的蔓延速度，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組乃至風(fēng)場內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)事故，著火后往往使得整個(gè)風(fēng)電機(jī)組報(bào)廢。

2 自動(dòng)消防系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及防護(hù)區(qū)域

2.1? 方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)消防系統(tǒng)從方案設(shè)計(jì)上可分為主動(dòng)式與被動(dòng)式，即機(jī)艙區(qū)域報(bào)警和機(jī)艙獨(dú)立報(bào)警兩種方式。其中機(jī)艙區(qū)域報(bào)警方式為每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組上安裝一臺(tái)帶有聯(lián)動(dòng)功能的消防控制器，探測系統(tǒng)、滅火裝置連接至控制器后，可通過頁面顯示各部件的狀態(tài)信息、報(bào)警信號(hào)，并可通過消防控制器對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，具備與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能，在預(yù)報(bào)警、主報(bào)警時(shí)均能自動(dòng)啟動(dòng)視頻系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)將機(jī)組攝像頭轉(zhuǎn)至火情區(qū)域，查看風(fēng)機(jī)發(fā)生報(bào)警區(qū)域火情。在中控室視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯示器上同時(shí)彈出發(fā)生火災(zāi)的機(jī)組現(xiàn)場實(shí)際火災(zāi)區(qū)域的火情。中控室人員可根據(jù)視頻查看火情，遠(yuǎn)程控制風(fēng)機(jī)。現(xiàn)地設(shè)置各類探測元件和執(zhí)行元件，接入自動(dòng)消防系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和消防聯(lián)動(dòng)控制。機(jī)艙獨(dú)立報(bào)警方式：機(jī)艙柜采用機(jī)械式感溫磁發(fā)電探測器和滅火裝置結(jié)合的方式進(jìn)行消防，并配套反饋裝置，當(dāng)滅火裝置狀態(tài)變化時(shí)主控系統(tǒng)可接收到相關(guān)信號(hào)；火探管式自動(dòng)探火滅火裝置在機(jī)艙機(jī)械區(qū)內(nèi)采用隱患點(diǎn)布置方式進(jìn)行消防保護(hù)，并將狀態(tài)信息反饋至主控系統(tǒng)中，最終上傳回升壓站?；鹛焦苁阶詣?dòng)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(hù)區(qū)域的火探管，火探管經(jīng)充壓進(jìn)行探測火情并可在火災(zāi)時(shí)將滅火介質(zhì)通過火探管噴放到被保護(hù)空間，達(dá)到滅火的效果。在行進(jìn)過程中遇到火苗或高溫時(shí)（超過170℃時(shí)）將自動(dòng)破口形成喇叭口形狀噴嘴，管內(nèi)壓力泄漏的同時(shí)，觸發(fā)閥門釋放鋼瓶內(nèi)滅火劑進(jìn)行滅火。綜合來看，被動(dòng)式方案在成本把控上具有較大優(yōu)勢，而主動(dòng)式方案在操控性、安全性上更符合當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用。

2.2? 防護(hù)區(qū)域

機(jī)艙內(nèi)的火災(zāi)隱患點(diǎn)主要包括潤滑系統(tǒng)、齒輪箱、高速軸剎車盤、液壓站、發(fā)電機(jī)接線盒以及動(dòng)力電纜、控制電纜等。這些設(shè)備處于機(jī)艙內(nèi)的開放區(qū)域，采用在火災(zāi)隱患點(diǎn)布置自動(dòng)滅火裝置的局部滅火方案。電氣柜可分為輪轂電氣保護(hù)區(qū)、機(jī)艙電氣保護(hù)區(qū)。輪轂電氣保護(hù)區(qū)主要包含變槳柜，機(jī)艙電氣保護(hù)區(qū)主要包含機(jī)艙動(dòng)力柜、機(jī)艙控制柜、偏航變頻器柜。

3 滅火介質(zhì)分類及選型

3.1? S型熱氣溶膠

S型熱氣溶膠作為綠色環(huán)保的滅火介質(zhì)，由于其滅火速度快、重量小、無污染等特點(diǎn)，可用于風(fēng)電機(jī)組密封結(jié)構(gòu)的電氣柜防護(hù)，如機(jī)艙動(dòng)力柜、機(jī)艙控制柜、輪轂柜等。氣溶膠所選的容量則根據(jù)氣溶膠本身的滅火設(shè)計(jì)密度、電氣柜的容積、容積修正系數(shù)來決定，最終的容量不會(huì)造成氣溶膠介質(zhì)額外的浪費(fèi)，而且可以實(shí)現(xiàn)全淹沒的效果。S型熱氣溶膠的選型根據(jù)GB50370—2005《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，柜內(nèi)氣溶膠裝置的用量遵循公式：

固體表面火災(zāi)的滅火密度為0.1kg/m3；通信機(jī)房和電子計(jì)算機(jī)房等場所的電氣設(shè)備火災(zāi)的滅火密度為0.13kg/m3；V＜500m3時(shí)，Kv=1.0；500m3≤V＜1000m3時(shí)，Kv=1.1；V≥1000m3時(shí)，Kv=1.2[3]。以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中長、寬、高為600mm×600mm×1600mm的機(jī)艙柜為例，V防護(hù)區(qū)域容積為0.576m3，C2產(chǎn)品滅火設(shè)計(jì)密度為0.13kg/m3，Kv容積修正系數(shù)為1.0，數(shù)量為1，則機(jī)艙柜如要實(shí)現(xiàn)全淹沒，則選用氣溶膠的容量不小于100kg。

3.2? 超細(xì)干粉

超細(xì)干粉滅火裝置在安裝方式上可分為懸掛式及壁掛式，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組特性，較多使用懸掛式，可有效覆蓋防護(hù)區(qū)域。超細(xì)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(dòng)性、彌散性、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠，且無毒無害，便于安裝維護(hù)?？焖俑采w在可燃物的表面，通過物理和化學(xué)抑制來阻斷可燃物的繼續(xù)燃燒，快速滅火?？捎糜诜忾]或半封閉場所全淹沒滅火，也可用于局部保護(hù)滅火。在風(fēng)電機(jī)組中適合用在機(jī)艙機(jī)械區(qū)，防護(hù)潤滑系統(tǒng)、齒輪箱、高速軸剎車盤、液壓站、發(fā)電機(jī)等部件。超細(xì)干粉滅火裝置在選擇時(shí)需考慮風(fēng)電場特殊工作環(huán)境要求，如高低溫、潮濕、振動(dòng)等，所以應(yīng)選擇風(fēng)電專用型。超細(xì)干粉滅火裝置采用局部滅火方案時(shí)的用量規(guī)格根據(jù)CECS322—2012《干粉滅火裝置技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，滅火劑用量計(jì)算公式：

以長、寬、高為12.7m×4.7m×5m的機(jī)艙為例，因機(jī)艙空間相對(duì)封閉，機(jī)艙空間的高與寬已確定，參照發(fā)電機(jī)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(shè)計(jì)密度130g/m3，保護(hù)區(qū)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(xì)滅火裝置數(shù)量為1.83具，機(jī)艙機(jī)械區(qū)需配置2具超細(xì)干粉滅火裝置。

3.3? 火探管式自動(dòng)探火滅火裝置

火探管式自動(dòng)探火滅火裝置的應(yīng)用相比S型氣溶膠和超細(xì)干粉較少，滅火介質(zhì)可選擇七氟丙烷或二氧化碳。七氟丙烷具有無色、無味、不導(dǎo)電、環(huán)保的特點(diǎn)，通過化學(xué)抑制的原理來進(jìn)行滅火，密度大于空氣，壓力下呈液態(tài)。當(dāng)滅火劑噴放，液態(tài)則變成氣態(tài)，從而吸收大量的熱能來降低所保護(hù)區(qū)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?qū)崿F(xiàn)快速隔絕已燃物與空氣間的接觸，從而達(dá)到滅火的效果。根據(jù)保護(hù)區(qū)域不同及保護(hù)區(qū)域空間不同，直接式火探管滅火裝置用于電氣保護(hù)區(qū)防護(hù)，而間接式火探管滅火裝置用于機(jī)艙機(jī)械區(qū)防護(hù)。

4 消防監(jiān)控系統(tǒng)及軟件

4.1? 監(jiān)控系統(tǒng)

消防監(jiān)控系統(tǒng)包括火災(zāi)探測系統(tǒng)、消防控制器、消防控制主機(jī)。消防控制主機(jī)安裝在風(fēng)場中控室，通過消防監(jiān)控軟件與每臺(tái)風(fēng)機(jī)的火災(zāi)報(bào)警控制器相連接。消防監(jiān)控軟件是一個(gè)獨(dú)立于風(fēng)機(jī)中央監(jiān)控軟件之外的專用軟件，用于與整個(gè)風(fēng)場的消防控制器通信，監(jiān)視各個(gè)風(fēng)機(jī)內(nèi)部運(yùn)行時(shí)的消防相關(guān)環(huán)境參數(shù)，通過消防主機(jī)可對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)的消防設(shè)備的報(bào)警信息進(jìn)行相關(guān)處理，包含復(fù)位、啟動(dòng)等動(dòng)作信號(hào)處理，從而使消防設(shè)備做出響應(yīng)動(dòng)作。消防控制器是一種專門為自動(dòng)消防控制系統(tǒng)實(shí)施可靠控制而設(shè)計(jì)的多線型或總線型火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)控制滅火的控制器，采用TCP/IP通信方式，可通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口連接至交換機(jī)，并可選配氣體滅火防護(hù)區(qū)的控制區(qū)數(shù)，控制器具有延時(shí)啟動(dòng)功能，時(shí)間可在0～30s內(nèi)隨意設(shè)置，并且每一路控制區(qū)都有倒計(jì)時(shí)，運(yùn)維人員可通過控制器上的手自動(dòng)切換按鈕實(shí)現(xiàn)切換功能，同時(shí)控制器還具備線路故障檢測、信號(hào)接收與反饋、備用電源等功能。

火災(zāi)探測系統(tǒng)包括感溫、感煙探測器，用來監(jiān)測機(jī)組內(nèi)煙霧和溫度等是否有超限，如其中一種探測器監(jiān)測超限，消防控制器接收到報(bào)警信號(hào)后向主控系統(tǒng)上傳預(yù)報(bào)警，如兩種探測器監(jiān)測均超限，則感溫、感煙探測器同時(shí)向消防控制器報(bào)警，消防控制器向主控系統(tǒng)傳遞主報(bào)警。機(jī)械式感溫磁發(fā)電探測器用于電氣保護(hù)區(qū)監(jiān)測，通過機(jī)械式動(dòng)作產(chǎn)生探測器所需的啟動(dòng)能量，當(dāng)監(jiān)測溫度超過探測器設(shè)置的溫度界限時(shí)，熱敏元件啟動(dòng)內(nèi)部儲(chǔ)能元件，將儲(chǔ)存的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電脈沖在回路中形成電流經(jīng)過連接線從而啟動(dòng)滅火裝置。機(jī)械式感溫磁發(fā)電探測器動(dòng)作時(shí)，可反饋狀態(tài)信號(hào)。

4.2? 消防系統(tǒng)后臺(tái)軟件

為確保風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)可靠運(yùn)行，所用軟件應(yīng)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(fēng)機(jī)消防設(shè)備狀態(tài)，并能夠顯示機(jī)組各探測器的狀態(tài)信息；②在機(jī)組發(fā)生報(bào)警時(shí)，需在客戶端界面顯示機(jī)組的報(bào)警信息，探測器的報(bào)警狀態(tài)信息，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；③在中控室客戶端，應(yīng)該能夠?qū)ο涝O(shè)備的報(bào)警信息進(jìn)行相關(guān)的處理，包含復(fù)位、啟動(dòng)等動(dòng)作信號(hào)處理，風(fēng)機(jī)端消防設(shè)備做出響應(yīng)動(dòng)作；④對(duì)用戶的操作及登錄有記錄及查詢功能；⑤對(duì)消防設(shè)備的報(bào)警信息有記錄及查詢功能；⑥軟件系統(tǒng)對(duì)消防指令的響應(yīng)速度要在毫秒級(jí)別；⑦可以對(duì)用戶進(jìn)行管理，完成增刪改查，并能夠設(shè)置相關(guān)用戶權(quán)限；⑧對(duì)風(fēng)機(jī)消防設(shè)備進(jìn)行管理、配置；⑨對(duì)消防設(shè)備的動(dòng)作有記錄及查詢功能；⑩所有系統(tǒng)軟件必須是授權(quán)或正版操作軟件，涉及第三方軟件的需取得正式使用權(quán)；?在軟件系統(tǒng)實(shí)施中包含服務(wù)器、服務(wù)器軟件、顯示器及鼠標(biāo)；?自動(dòng)消防軟件系統(tǒng)具有獨(dú)立性，自動(dòng)消防應(yīng)該在交換機(jī)提供RJ45網(wǎng)絡(luò)接口的情況下，能夠自己組網(wǎng)，完成自動(dòng)消防系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的所有功能。

5 自動(dòng)消防系統(tǒng)性能及聯(lián)動(dòng)功能試驗(yàn)

自動(dòng)消防系統(tǒng)又分為監(jiān)控系統(tǒng)及滅火裝置，而監(jiān)控系統(tǒng)與滅火裝置的生產(chǎn)廠商、品牌往往不同，因此經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)滅火裝置與監(jiān)控系統(tǒng)無法聯(lián)動(dòng)、設(shè)備故障的情況，如供電、報(bào)警信號(hào)、線纜連接的不匹配，造成消防控制器誤報(bào)警、滅火裝置無法啟動(dòng)、誤動(dòng)作，探測器故障無法進(jìn)行檢測等結(jié)果，不僅給現(xiàn)場運(yùn)維人員的維修清理工作增加困難，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)組頻繁停機(jī)。為避免出現(xiàn)此類問題，自動(dòng)消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)愈發(fā)具有必要性。消防系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制，特別是滅火裝置的試噴，對(duì)試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)人員有著一定的要求，避免周邊引起火災(zāi)或誤傷人。首先在試驗(yàn)場地上應(yīng)選擇有專業(yè)的封閉式試驗(yàn)室，由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測試項(xiàng)目及測試要求內(nèi)容見表1。

6 結(jié)語

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組火災(zāi)的特殊性，機(jī)組中產(chǎn)生的火災(zāi)通常會(huì)帶來巨大的損失，甚至可能燒毀整個(gè)機(jī)組，嚴(yán)重影響風(fēng)電場的運(yùn)行，因此針對(duì)風(fēng)電機(jī)組制定一種穩(wěn)定、可靠、高效、環(huán)保的自動(dòng)消防系統(tǒng)已成為風(fēng)電行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提之一，也是風(fēng)電人需要不斷分析研究的重要領(lǐng)域。

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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