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    風力發電消防技術現狀與趨勢分析
    時間:2019-05-07

    近年來,風能發電已經成為全世界可再生能源發展的重要方向。從2006年《中華人民共和國可再生能源法》實施以來,我國風能的開發利用發展迅猛2006-2009年連續4年實現全國風電累計裝機容量年增長率100%以上,2010年以來,依然保持了良好的快速發展勢頭。據統計,截止到2012年,我國(不包括臺灣地區)新增安裝風電機組7872臺,裝機容量12960MW;共累計安裝風電機組53764臺,總裝機容量75324.2MW,年增長率20.8%。我國總裝機容量已連續3年位居世界第一位。

    根據我國《可再生能源“十二五”規劃》,到2015年,累計并網風電裝機達到1億KW,年發電量超過1900億千瓦時。其中,海上風電裝機達到500萬KW,基本形成完整的、具有國際競爭力的風電裝備制造產業。到2020年,累計并網風電裝機達到2億KW,年發電量超過3900億千瓦時。其中,海上風電裝機達到3000萬KW,風電成為電力系統的重要電源。

    目前,我國1.5MW和2MW風電機組已是主力機型,3MW風電機組已投入運行,5~6MW風電機組樣機也已下線,我國已經成為全球發展最迅猛的風電設備研發和制造基地,吸引了美國GE、丹麥Vestas、德國No-dex、西班牙Gamesa、印度Suzlon等全球有實力的風電企業進入我國投資辦廠,研發生產。

    但是,風電建設運營管理和風電設備可靠性已是不容忽視的問題。短時間內大批新型風電機組產品投入規模化生產和裝機運行后,質量和運行可靠性問題突出,安全事故頻發。在最近幾年發生的風電機組運行安全事故中,火災事故占有相當大的比例,且往往造成整個機組被全部燒毀,經濟損失巨大。隨著機組運轉時間的增加,機組各個系統的零部件逐漸磨損老化,故障率將會不斷升高,火災風險也將顯著增大。

    2、風力發電火災情況分析

    一、國內外風電火災事故情況

    根據有關資料,瑞典曾對1487臺風電機組運行一年中發生事故進行統計分析。其中,雷電事故有86次,年故障率為5.8%;控制系統3次,年故障率為2.6%;動力系統25次,年故障率為1.7%。德國和丹麥風力發電機的總事故率分別為3%和8%,其中,控制系統的事故率分別占30%和52%,電氣系統的事故分別占27%和12%。而雷電事故、控制系統和電氣設備事故往往引發火災。據報道,全球每年約有2%的風力發電機發生火災,其中很大一部分是毀滅性火災。

    英國某風能機構發表的截止到2013年6月30日的全球風電安全事故的統計報告顯示,在1405起風電機組安全事故中,毀滅性的火災事故202起,占風機總事故的14.4%,位列第二,僅次于風機葉片損壞事故(265起,18.9%),其導致的損失則是最大的,幾乎都導致整個機組全部燒毀。風力發電機逐年火災事故統計見表1所示(2013年截止到6月30日)。然而,正如該報告所述,由于事故單位保密等各種原因,能夠收集到并經證實的事故數量往往很少,很可能只是冰山一角。事實上,在2006-2010年的5年中,僅英國的風力發電機事故就可能超過1500起(《每日電訊報》報道),但大部分都無法得到可靠證實,在該統計報告中僅僅列出了142起,只有實際發生數量的10%左右。

    2009年7月14日,內蒙古錫林浩特市某風電場一臺1.5MW的風力發電機組發生火災,機艙和葉片全部燒毀。起火原因是在維修過程中,維修工在機艙內電焊,不慎引燃機艙內泄漏積存的油脂而引發火災。

    2010年1月24日,內蒙古通遼寶龍山某風電場發生火災事故和機組倒塌事故,損毀1.5MW機組一臺,火災原因是由于機械或電氣設備故障,無法制動剎車,風機嚴重超速飛車,摩擦產生大量熱量導致輪轂著火,火勢在大風中迅速蔓延。隨后超速飛車產生劇烈震動引起機艙和塔筒共振,機艙和塔筒轟燃倒塌。

    2011年7月初,某集團公司下屬的江蘇南通某風電場,燒毀1.5MW進口機組一臺。筆者曾前往協助調查分析事故原因。經分析查明,由于機艙內照明線路和照明燈具設置安裝存在嚴重問題,事故中燈具故障過熱(鎮流器)引燃導線和機艙頂部的隔熱吸音棉而引發火災,且火災發展異常迅速,艙內溫度在40s內急速上升了近400℃。據悉,該集團同型號機組在國內已安裝500余臺,經排查,所有機組大多存在類似問題。

    2008年以來,我國共發生風力發電機組毀滅性的火災事故40余起,造成直接經濟損失5億元和傷亡10余人的慘痛代價。由于發生事故的風機生產廠家和運營單位出于自身利益考慮,往往對發生事故嚴格保密,而且風力發電機組大多安裝在人員稀少的地區,導致對風力發電事故很難全面統計。據估計,我國實際發生的風電火災事故已達數百起之多,比國外的火災事故率還要高,且主要發生在近幾年研制生產的兆瓦級以上風機,損失相當慘重,已引起國家能源局的高度重視。

    二、風電火災特性分析

    經過對國內外風力發電機組火災事故案例的調查分析以及開展的大量試驗研究,概括起來,風電火災原因主要包括以下幾個方面。

    (1)雷擊,這是引起風力發電機組火災的主要原因之一。近年來,國內外大量火災數據顯示,由雷擊導致風機火災的風險率呈上升趨勢。當風力發電機組遭受雷擊時,強大的雷電流通常是從機組的葉片葉尖或機艙頂端注入,雷電流會沿機組的葉片、滑環、電刷,流過主軸承,進入塔體頂部,然后經塔體導入接地裝置散入大地。如果機組沒有避雷設施或避雷設施安裝和維護不當、避雷針接觸不良或接地電阻過大等,任一環節出現問題都可能引發火災。對于處于野外的風力發電機組來說,雷擊幾乎是無法避免的,因此雷擊導致的火災風險特別高。

    (2)電氣設備安裝不當,也是引起風機火災的主要原因之一。由于技術錯誤和安裝不當,出現連接件接觸不良、電路短路、接地故障、絕緣強度不夠、過載保護裝置選用錯誤或裝置失效、電子元器件和控制部件選用或安裝錯誤等,都可能導致火災發生。

    (3)正常運行溫度較高的裝置表面和高溫飛濺物,具有較高的火災風險。變速箱和機械制動裝置產生大量的熱量導致裝置表面溫度顯著升高,可引燃靠近的可燃物,機械制動裝置緊急制動時產生的大量飛濺火花也可能引燃附近積存的滲出油品等易燃物,液壓油管爆裂,高溫油品噴濺遇靜電自燃而引發火災。

    (4)失控狀態下的高速飛車,具有很高的火災風險和機組倒塌風險。由于變槳電機故障、變槳控制柜蓄電池嚴重虧電或其他機械故障導致順漿不成功,空氣制動失效,引起機組高速飛車。輪轂高速運轉摩擦產生的大量熱量可引燃輪轂內的可燃物,變速箱高速運轉可損毀發電機滑環引起發電機內部短路起火,若此時采取機械制動,制動裝置可能產生大量飛濺火花引燃周圍的油污和其他可燃物。甚至于高速飛車還有可能引起機艙和塔筒產生劇烈共振,導致機艙和塔筒的倒塌事故。

    (5)泄漏油品和其他易燃廢棄物,具有較高的火災風險。液壓油、潤滑油長期泄漏積存,如不及時清理,積存越來越多且容易污染附近的其他物品,如電線電纜、吸音棉和維護用的棉紗紙張等,不但使火災風險顯著增加,而且增加火災荷載、加快火焰蔓延速度。

    (6)裝置和設備故障,如電機潤滑故障、齒輪箱故障、發電機滑環故障、變槳電機故障、設備過負荷運轉、液壓油管爆裂等,都可能引發火災,具有較高的火災風險。

    (7)設備維護、維修和安裝、拆卸工作也有較高的火災風險,尤其是在機艙的狹窄空間中進行電氣焊、切割、磨削等熱工作業,火災風險更高。在維修施工中,一旦維修人員麻痹大意,不按規定操作,未采取必要的防火保護措施,未及時清理高溫碎屑、潤滑油品及其他易燃廢棄物等,都極易導致火災事故的發生。

    3、國內外風力發電消防技術現狀與發展趨勢

    風力發電機組火災事故不斷,損失越來越大,世界各國對風力發電的消防安全問題越來越重視。德國制訂了國家標準DINEN50308-2005《風力發電機組防護措施的設計、操作和維修要求》、測試認證標準Vds3523-2008《風力發電機組消防指南》、勞埃德船級社GL-2008《風力發電機組消防系統評定規程》;歐洲消防協會聯合會制定了CFPA-ENo22:2012F《風力發電機防火導則》;美國NFPA-2010《發電廠和高壓直流轉換站的防火推薦規程》修訂版中增加了有關風力發電場、太陽能發電廠和地熱能發電廠3個章節。2008年,我國寧夏制訂了地標DB64/T524-2008《寧夏風力發電機組消防系統設計、施工、驗收規范》。2011年,中國工程建設標準化協會下達了CECS標準《風力發電組防火技術規程》的制訂任務,由公安部天津消防研究所主編,預計該標準將于2013年底制訂完成。2011年公安部下達了重點科研任務“風力發電機組專用消防系統環境適應性研究”,預計該項目將于2014年中期完成。

    德國安防認證機構Vds和勞埃德船級社(GL)已經對外開展風力發電機組消防系統檢測認證工作,重點對風力發電機組使用的消防設備進行產品質量認證、對風電消防系統工程進行檢測認證,還將對風電消防系統的設計、施工和管理使用單位和人員進行資格認證。據悉,目前部分進口風力發電機組經過GL和Vds等相關國際機構認證。

    歐美發達國家憑借在風力發電領域的技術優勢,又有很強的消防產品研發能力,未來幾年將會在風力發電機組專用消防設備的研發上投入更多力量,一些高技術產品已在新建的大型風力發電機組中推廣使用。

    目前,我國對風力發電機組的消防安全問題重視程度有所提高。隨著公安部天津消防研究所對風力發電機組消防問題的關注、相關標準的制訂和研究項目的實施,已經取得了大量的試驗數據和研究成果,有一些企業也已經投入力量研發風電專用消防設備。現在,我國在新建的風電場中,有些項目在招投標中已加入了防火要求的內容。但目前全國僅僅只有2%的機組安裝了消防設備,而且其消防設計安裝工作還很不規范。

    一、當前風電消防面臨的問題

    機組運行工況環境問題。電氣設備要有適宜的運行工況條件才能長期穩定地工作。高溫會導致電器元件設備的性能下降,如絕緣性能降低、電器元件損壞擊穿、加速材料熱老化、低熔點焊縫開裂、焊點脫落、使用壽命縮短等。低溫會引起電容、電感、電阻器、蓄電池的功能和參數改變,加速材料脆化,嚴重影響設備的工作穩定性和可靠性。此外,濕度對電氣設備和電子器件的影響也很大,濕度偏高會加速金屬材料氧化腐蝕和銹蝕,并使得絕緣材料的絕緣強度顯著降低,尤其是高溫高濕會帶來更加嚴重的后果。

    風力發電機組運行工況和環境條件惡劣,與普通工業與民用建筑差異很大。根據我國有關風電標準以及筆者開展的試驗研究表明:標準型(常溫型)風力發電機組工作溫度為-20~+45℃,生存溫度為-30~+50℃;低溫型風力發電機工作溫度為-30~+45℃,生存溫度為-40~+50℃;高溫型風力發電機組工作溫度為0~+50℃,生存溫度為-10~+65℃。此外,機組工作環境晝夜溫差大、北方尤其是西北風沙重、南方潮濕度大、海邊鹽霧腐蝕嚴重、機組工作時的長期持續震動和強電磁場等惡劣工況條件,都嚴重影響到消防系統設備長期運行的可靠性和使用壽命。

    筆者對遼寧省朝陽市某風電場的7#和8#風電機組進行了為期1年的運行工況和環境參數在線測試,測試記錄了包括機艙、主控制柜和塔底設備層等多個部位的溫度、濕度和電磁場強度等數據。其最高溫度45.96℃,最低溫度-20.39℃,最高濕度95.26%,最大電磁場強度為25.7MG,已經大大超出了有關國家標準和行業標準的相關規定。

    在我國更加偏北的新疆甘肅等西北地區和內蒙黑龍江等地區,冬季氣溫更低,而我國南方地區夏季更加炎熱潮濕。為此,筆者在項目研究中已著手對黑龍江省、海南省和新疆等地的風電機組運行工況開展測試研究工作。

    二、風電專用消防系統開發應用問題

    在風力發電機組專用消防系統的開發和工程應用中,既要注重設備選型,盡量選擇比較適宜機組工況環境的產品,也要注重系統的集成優化設計等技術問題。筆者認為,應著重解決以下三方面的問題:

    三大解決方案

    (1)在火災報警系統設備的選擇上,感溫電纜、吸氣式感煙探測器在采取必要的保護措施后比較適宜機組運行工況,圖像型火災探測報警系統集視頻監控和火災報警功能于一身,對風電場距離分散、無人值守的各個機組的火災探測與視頻監控管理極為有利。

    (2)在滅火系統類型的選擇上,一定要與風機所處的地域環境相適應,尤其要注意到北方的寒冷冬季和南方的夏季酷暑對滅火系統運行的有效性、可靠性和安全性的重要影響,同時還要考慮到使用空間狹窄、管道安裝困難、設備存儲空間有限等問題。最好選擇預制式滅火系統和懸掛式滅火裝置。

    (3)在滅火藥劑的選擇上,既要滿足機組特殊工況環境條件要求,又要盡量避免對設備帶來二次損害和環境污染。在現有的成熟滅火技術中,雖然超細干粉和氣溶膠在噴放滅火后不大容易清理干凈,但由于其耐高低溫性能好、安裝方式簡便,投入和維護成本低,在風電消防保護中仍然是一種比較好的選擇。細水霧滅火技術在我國南方的風電機組上比較適宜,而在北方使用就面臨很大的防凍抗凍問題,且在噴放滅火后可能造成水漬損失,降低電氣設備的絕緣性能。七氟丙烷和六氟丙烷也是比較好的選擇,但在低溫環境下不氣化或氣化不完全,嚴重影響滅火效果,所以低溫環境下不宜使用;另外,還要注意滅火劑遇火焰后可能會產生一定量的氫氟酸而帶來的設備腐蝕問題。惰性氣體和高壓二氧化碳等的滅火劑用量和瓶組較多,在機組中難于找到存儲空間,且系統管道安裝困難;系統貯存裝置的壓力高,高壓瓶組和閥門長期在高低溫變化大的環境中具有安全隱患;另外,兩類滅火劑都是靠窒息作用滅火,所需滅火時間長,在機組所處的高風速和強氣流環境下滅火劑很容易散失,很難達到預期的滅火效果。

    三、下一步的研究工作方向

    結合國內外情況和自身從事的研究工作經驗,筆者認為,現階段我們應重點圍繞風力發電機組的工況環境、結構布局、可燃物品種類及火災荷載分布、火災成因等方面開展攻關研究工作。在風力發電機組火災風險分析與辨識技術、消防安全綜合評價技術、機組關鍵部件阻燃防火技術、風電專用消防設備及試驗測試平臺技術等方面取得突破。

    (1)開展大型風電機組火災特性規律與防范對策研究。依據國內外風力發電的技術現狀與發展趨勢,針對我國大型風電機組技術特點和運行工況,在對國內外發生的眾多風電機組火災事故開展廣泛調查分析基礎上,運用計算機模擬與實體火災試驗研究相結合的方法,探尋大型海上與陸地風電機組的火災特性規律,對機組的火災成因、火災風險加以辨識,提出火災風險防范對策。

    (2)開展大型風電機組防火關鍵技術研究與開發。圍繞風力發電行業的特殊需要,充分利用現有的各類成熟的消防技術和手段,采取理論分析與應用研究相結合,測試平臺建設與模擬火災試驗研究相結合,通過技術引進和消化吸收,開發出符合我國國情的大型風電機組專用的防火與滅火關鍵技術,滿足不同地域條件的多種類型的風力發電機組的現實需要,如低溫機型(-40℃)、高溫機型(65℃)和海上機型(高鹽腐)的不同需求。

    (3)大型海上與陸地風電場消防技術應用研究及示范。根據各個地區的現實情況需要,對風電機組消防技術裝備的應用開展綜合、集成與優化研究,在我國風電發展前景廣闊、風資源豐富的地區,選擇具有代表性的典型地域,如北方寒冷地區、南方濕熱地區和沿海高鹽腐地區,建成多個國家級大型海上及陸地風電場消防工程示范項目,為制訂適合我國國情的風電消防技術標準,促進消防技術在風電行業的全面推廣應用奠定基礎。


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