風力發(fā)電變頻器消防安全研究與應(yīng)用探討

摘要：

風力發(fā)電作為可再生能源的重要組成部分，在全球范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。然而，風力發(fā)電變頻器作為風力發(fā)電機組的核心部件，其消防安全問題日益凸顯。本文對風力發(fā)電變頻器火災的風險源與特性進行詳細分析，探討當前風力發(fā)電變頻器消防系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了針對性的消防安全改進措施。通過強化火災探測與報警系統(tǒng)、優(yōu)化滅火裝置配置、完善聯(lián)動控制程序、加強環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計以及強化日常維護與管理，可以有效提升風力發(fā)電變頻器的消防安全水平，保障風力發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電；變頻器；消防安全

引言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，風力發(fā)電作為清潔、可再生的能源形式，其裝機容量和發(fā)電量持續(xù)增長。然而，風力發(fā)電機組在運行過程中面臨著諸多安全挑戰(zhàn)，其中變頻器的消防安全問題尤為突出。變頻器作為風力發(fā)電機組的關(guān)鍵部件，負責將風能轉(zhuǎn)化為電能，并控制機組的運行狀態(tài)。然而，由于其內(nèi)部電氣元件密集、運行環(huán)境惡劣以及人為操作不當?shù)纫蛩?，變頻器火災風險較高。一旦發(fā)生火災，不僅會導致機組停機，還可能導致更嚴重的安全事故，對人身和財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重威脅。

一、風力發(fā)電變頻器火災風險源及特性分析

（一）風力發(fā)電變頻器火災風險源

1.電氣故障

變頻器內(nèi)部包含大量電氣元件，如IGBT模塊、電容器、電阻器等。這些元件在持久運作期間可能會出現(xiàn)磨損、短路故障，從而導致火災。尤其是在高溫、潮濕或腐蝕性環(huán)境中，電氣元件的耐用期限會縮減，提升了火災危險性等級。

2.散熱不良

變頻器工作期間產(chǎn)生大量熱量，若散熱系統(tǒng)設(shè)計不當或維護不當，會導致局部溫度數(shù)據(jù)上升，若溫度值超過電氣元件的承受力限制值時，會導致火災風險。與此同時，塵埃和污垢積累也會影響散熱效率，提高了火災風險發(fā)生概率。

3.環(huán)境因素

風力發(fā)電機組安裝在鄉(xiāng)村地區(qū)，環(huán)境惡劣，塵埃、侵蝕性氣體、鹽蝕等外界因素會對變頻器造成損害，如腐蝕電氣元件、減弱絕緣能力等，增加火災風險。特別是在沿海地區(qū)和工業(yè)聚集區(qū)，環(huán)境因素對變頻器的影響特別顯著。

4.人為因素

操作失誤或保養(yǎng)缺失同樣會導致火災隱患。運維人員在操作過程中，可能誤觸電氣元件，導致短路或電弧放電；未定期對變頻器進行清潔和維護，導致灰塵和污垢積累，影響散熱效果。

（二）風力發(fā)電變頻器火災特性

1.發(fā)展迅速

鑒于變頻器內(nèi)置的電氣元件體積小，若出現(xiàn)火情，火焰會快速擴散，尤其在高溫條件環(huán)境中，富氧條件下火勢擴散迅速。

2.隱蔽性強

變頻器一般設(shè)置在設(shè)備內(nèi)，容積有限，直至火情擴散才能被察覺，給火災撲救工作帶來極大挑戰(zhàn)。

3.危害嚴重

變頻器作為設(shè)備核心組件，若設(shè)備出現(xiàn)故障，會造成設(shè)備停運，干擾風電場的順暢運作，甚至會導致重大故障，如機組倒塌、火災蔓延至周邊區(qū)域等。

二、風力發(fā)電變頻器消防系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）國內(nèi)外風力發(fā)電變頻器消防標準與規(guī)范

目前，國內(nèi)外在風力發(fā)電機組消防方面已制定了一系列標準和規(guī)范。德國在消防安全規(guī)范行業(yè)處于領(lǐng)先地位，如DINEN50308-2005規(guī)范、VdS-3523標準，對風電變頻器的滅火設(shè)備有明確要求與檢測手段，保證其在遇到火災時，順利開展滅火工作。美國的NFPA850標準也在2009年增補了風能、太陽能及地熱能發(fā)電的消防安全要求。該規(guī)范專門針對風力發(fā)電站的消防規(guī)劃、消防設(shè)備配備以及運維人員的培訓等作出了詳盡規(guī)定，旨在提高風力發(fā)電站的消防安全水平。我國也制定了一系列區(qū)域標準，如寧夏版本DB64/T524-2008。然而，在實操過程中，大多數(shù)只在設(shè)施內(nèi)配備滅火設(shè)備，缺少自動滅火機制，導致在火災發(fā)生時，難以及時有效開展滅火作業(yè)，導致重大經(jīng)濟損失^[1]。

（二）現(xiàn)有風力發(fā)電變頻器消防系統(tǒng)

1.設(shè)施簡陋

當前，某些風電場的變頻器消防安全系統(tǒng)設(shè)備比較粗糙，消防設(shè)施配備不足。眾多風力發(fā)電站只在風力發(fā)電機組的機艙內(nèi)配備若干滅火設(shè)備，這些滅火器能夠應(yīng)對初期火災，但缺少更為專業(yè)且全面的自動滅火系統(tǒng)。各種消防設(shè)備，如自動噴淋系統(tǒng)、氣體消防系統(tǒng)，在火災初期迅速采取行動，遏制火勢擴散。然而，一些風電發(fā)電設(shè)施尚未配備基礎(chǔ)應(yīng)急滅火設(shè)備，導致風力發(fā)電站遇到火災時，只能手動介入，增加了應(yīng)急滅火操作難度和不確定性。

2.適應(yīng)性差

現(xiàn)有風力發(fā)電變頻器消防系統(tǒng)在設(shè)計時，往往未能充分考慮風力發(fā)電機組所處的特殊環(huán)境對消防系統(tǒng)的影響。風力發(fā)電機組經(jīng)常處于強磁場環(huán)境中，設(shè)備運行時會引起顯著振動，若干要素對消防系統(tǒng)的穩(wěn)固性和可靠度提出了更為嚴格的要求。目前的防火系統(tǒng)未全面考慮各種要素，使得在實際操作過程中防火效果受限，無法妥善應(yīng)對各類突發(fā)狀況^[2]。

3.聯(lián)動性差

在火災事故發(fā)生時，滅火設(shè)施需要與企業(yè)安全生產(chǎn)體系緊密協(xié)作，即刻斷開電源、停運通風設(shè)備等重要機械，以避免火情進一步蔓延。消防安全設(shè)施必須與火警自報系統(tǒng)完成有效協(xié)同，保證在火災初期可以及時發(fā)現(xiàn)并觸發(fā)警報。然而，在實施過程中，聯(lián)動控制體系存在缺陷，防火設(shè)施往往未能及時和其他設(shè)備有效協(xié)同，進而出現(xiàn)誤操作情況。

三、風力發(fā)電變頻器消防安全改進措施

（一）風力發(fā)電變頻器消防系統(tǒng)設(shè)計原則

消防系統(tǒng)應(yīng)能夠快速響應(yīng)火災，有效控制火勢蔓延。要全方位考慮風力發(fā)電機組對火災撲救的影響，確保設(shè)備正常運行。優(yōu)化消防安全設(shè)施、工業(yè)安全保障工具、火警預警系統(tǒng)之間的協(xié)同流程，防止錯誤操作。滅火劑應(yīng)環(huán)保無污染、易于清理，不會對機組設(shè)備造成潛在損害和二次污染^[3]。

（二）風力發(fā)電變頻器消防安全具體優(yōu)化措施

1.強化火災探測與報警系統(tǒng)

火災探測器是消防系統(tǒng)的“眼睛”，其靈敏度直接關(guān)系到火災的早期發(fā)現(xiàn)和處置。目前，傳統(tǒng)火災探測器時常出現(xiàn)反應(yīng)遲鈍、頻繁誤報問題，難以適應(yīng)風力發(fā)電機組的復雜環(huán)境。因此，設(shè)計高度敏感的煙霧探測器如VESDA（極早期氣態(tài)監(jiān)測）是合適的選擇。一旦測量到煙霧濃度異常數(shù)據(jù)，立刻觸發(fā)警報，完成火情的首次報告。VESDA設(shè)備具有高準確性探測、快速響應(yīng)的優(yōu)點，能夠在火災初期及時發(fā)現(xiàn)火情征兆，預防火情擴散。另外，消防安全預警設(shè)備需要具有分級別報警機制?；馂某跗?，常常煙霧較少，溫度迅速升高，分級別報警系統(tǒng)可以隨著火災火情蔓延，逐漸激活相應(yīng)的警報等級，防止造成混亂和誤操作。

2.優(yōu)化滅火裝置配置

針對風力發(fā)電變頻器的火災特性，優(yōu)化滅火裝置配置是確保消防安全的關(guān)鍵措施。風力發(fā)電變頻器內(nèi)電氣元件眾多，如果發(fā)生火災，擴散快速。因此，挑選合適的滅火設(shè)備至關(guān)重要。七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)（HFC-227ea）是一種理想的選擇。七氟丙烷清澈透明、無味，具有滅火性能優(yōu)良、不導電、不損害機械設(shè)備等優(yōu)點。在火災發(fā)生之際，七氟丙烷通過化學抑制和物理隔離迅速滅火，不會對風力發(fā)電機組的電氣設(shè)備造成損害，也不會造成二次污染。因此，應(yīng)在變頻器周圍合理布置滅火裝置，確?；馂陌l(fā)生時能夠迅速啟動并有效撲滅火災。消防安全設(shè)施應(yīng)包括煙霧感應(yīng)器、控制中心和噴射設(shè)備等，構(gòu)建全面的消防安全體系。當煙霧報警器監(jiān)測到火災情況時，及時通過控制單元激活滅火系統(tǒng)，噴射滅火介質(zhì)，快速滅火^[4]。

3.完善聯(lián)動控制程序

需統(tǒng)籌考慮各系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系，建立全面的協(xié)作架構(gòu)。煙霧感知主動警報裝置探測到火災情況時，必須立刻激活安全監(jiān)管體系，立即斷開電力供應(yīng)、停止運作重要機械并啟動滅火系統(tǒng)，聯(lián)合調(diào)控流程，在火情初期快速切斷火源，避免火情擴散，減少設(shè)備損失。強化消防系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)集成能力和遠距離信號傳輸能力，完成風電基地風力發(fā)電機組的統(tǒng)一監(jiān)管和檢修工作。構(gòu)建統(tǒng)一的消防監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)管各種工作狀況和消防設(shè)施運作情況。如果有設(shè)備出現(xiàn)火災情況，可以立即報警，制訂處置措施，指導運維人員立即采取應(yīng)急行動^[5]。

4.加強環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

優(yōu)化環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計是增強風力發(fā)電機變頻器消防安全的關(guān)鍵因素。風力發(fā)電機組經(jīng)常安裝在野外，面臨高溫天氣、低溫環(huán)境、沙塵、鹽霧等各類極端環(huán)境。風力發(fā)電機組在運行過程中會產(chǎn)生顯著的機械振動，導致消防安全裝備的固定構(gòu)件脫落，甚至干擾機械正常運轉(zhuǎn)。因此，需要利用減震架、加固設(shè)施等，保障機器在振動條件下的穩(wěn)定性與信賴度^[6]。因此，消防設(shè)施的容器需要具有優(yōu)良的密封功能，避免塵埃與水分滲入內(nèi)部，干擾其正常運作。與此同時，需要考慮防銹策略，特別是在海濱地帶，鹽分侵蝕對機械設(shè)備具有明顯的損害性，必須使用抗腐蝕材質(zhì)，增加機械的使用期限^[7]。

5.強化日常維護與管理

加強定期檢修是保障風力發(fā)電變頻器消防系統(tǒng)長期有效運行的關(guān)鍵措施。風力發(fā)電機組的工作環(huán)境多變、復雜，設(shè)備常常處于高負荷工作狀態(tài)，消防安全設(shè)施性能和可靠性也會逐漸降低。定期對消防安全設(shè)備進行檢驗，特別注重火警感應(yīng)器、消防設(shè)備、控制單元等重要部件，確保其保持正常運轉(zhuǎn)。針對消防設(shè)備，應(yīng)經(jīng)常檢驗儲氣容器壓力值、噴嘴狀況等，預防設(shè)備問題。與此同時，應(yīng)進行電路系統(tǒng)的連通、信號線的檢測，確保系統(tǒng)順暢運作。加強員工訓練，強化運維人員對滅火設(shè)備的認識和操作能力。運維人員是消防安全系統(tǒng)的關(guān)鍵操作者與責任承擔者，其技術(shù)素養(yǎng)和操作水平直接關(guān)系到防火效能。因此，需要開展消防安全培訓和實際操作演練，增強運維人員的應(yīng)急處理能力和操作能力，促使其熟練掌握消防設(shè)施的操作步驟和維護要點，一旦火災發(fā)生，能立即進行應(yīng)對^[8]，如表1。

結(jié)語

風力發(fā)電變頻器作為風力發(fā)電機組的核心部件，其消防安全對風力發(fā)電站的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。本文通過對風力發(fā)電變頻器火災的風險源及特性進行詳細分析，探討了當前風力發(fā)電變頻器消防系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出了針對性的消防安全改進措施。研究結(jié)果表明，通過強化火災探測與報警系統(tǒng)、優(yōu)化滅火裝置配置、完善聯(lián)動控制程序、加強環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計以及強化日常維護與管理，可以有效提升風力發(fā)電變頻器的消防安全水平，保障風力發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行。

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作者簡介：米鑫（1998— ），男，回族，吉林長春人，本科，初級職稱，研究方向：風電機組運行檢修與管理。