风力发电场海上升压变电站消防灭火系统设计

2022-01-11袁金霖骆育真

水电与抽水蓄能 2021年6期

许钢，许峥，袁金霖，骆育真

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

1 海上风电发展概况

1.1 全球海上风电现状及展望

近年来，海上风电增长势头良好，根据全球风能理事会（GWEC）统计数据，2019年全球海上风电新增装机容量6.1×106kW，累计装机容量达到2.914×107kW，比2018年增长了35.5%。2015～2019年，全球海上风电市场年均增长近16%。[1]

全球海上风电发展前景及趋势：全球风能理事会（GWEC）近日发布的《2021全球海上风电报告》中指出，在过去一年中，全球海上风电装机保持稳定增长势头，2020年全球海上风电新增装机容量6.1GW，比2019年的6.24GW略有降低，但GWEC预计2021年将是全球海上风电装机容量创纪录的一年。GWEC预测，到2030年，全球海上风电将新增装机容量205GW。

1.2 我国海上风电现状及展望

中国海上风能资源丰富，5～25m水深、50m高度海上风电开发潜力具备2亿kW的开发潜力，5～50m水深、70m高度具备5亿kW的开发潜力，另外，近岸潮间带、深远海也具备较为丰富的风能资源。根据《2021全球海上风电报告》，我国在2020年实现了3GW以上的海上风电新增并网，连续第三年成为全球最大的海上风电市场。

我国海上风电发展前景：“十三五”以来，我国海上风电快速发展，截至2019年底，累计并网容量593万kW，提前一年完成规划目标。

“十四五”是实现2030年非化石能源占一次能源消费比重20%目标的关键期，在此期间，我国海上风电仍将继续保持快速发展，成为新能源发电新的增长极。[2]

2 海上升压变电站火灾特点

（1）海上升压变电站（见图1）位于海上，环境恶劣，电气设备易受盐雾腐蚀，容易发生短路事故从而引发火灾；场地狭窄布置紧凑，热量容易聚集；可燃物密度高，火灾容易发生蔓延。

图1 国内某已建成海上升压站效果图Figure 1 Effect diagram of one offshore substation of wind farms

（2）离岸距离远，扑救困难。海上升压变电站一般距岸十几公里甚至是几十公里，远离陆地，无人值守。一旦发生火灾，没有工作人员第一时间展开扑救，消防船及专业人员也无法在短时间内抵达火场展开救援。火灾借助风势迅速蔓延，火灾很快就进入失控的局面。且扑救困难，对其只能是望洋兴叹。

（3）海上升压变电站面积虽小，但精密仪器、贵重设备多，施工成本高。单个升压站造价动辙过亿元，火灾造成的直接经济损失远远高于陆上升压站。运维船出海成本非常高且按日计算，火灾后维修费用远高于陆上。海上风电场装机容量大，因火灾造成停发的间接经济损失巨大。

3 消防灭火系统选择分析

基于海上升压变电站的火灾特点分析，要选择一种或者几种有效灭火系统对海上升压变电站进行有效、迅速、全方位的保护。

3.1 消防灭火系统的选择要遵循的思路

（1）无人值守，离岸距离远，因此要选择自动灭火系统。

（2）施工船租赁费用高，海上施工不便，因此要选择更换方便、使用周期长的灭火剂。

（3）必须选择对环境友好、对人员安全、对设备无干扰的灭火系统和灭火剂。

（4）海上平台面积狭小，寸土寸金。所选择的灭火系统必须占地面积小，使用效率高，不能占用太多设备用房，因此不能选用太多灭火系统，选择的灭火系统一定要有广泛的适用性，以便于维护管理。

系统必须能及时有效扑灭火灾，把相关的火灾损失降到最低。

3.2 消防灭火系统选择参考的设计规范

（1）《风电场工程110kV～220kV海上升压变电站设计规范》（NB/T 31175—2017）已发布，并于2018年3月1日起实施。

（2）《海上风力发电场设计标准》（GB/T 51308—2019）已发布，并于2019年10月1日起实施。

（3）挪威船级社编制的《Offshore substations》（DNVGLST-0145），欧洲的海上风电研究与实践开展得比较早，已有相关的设计规范供参考。

（4）各系统设计（例如细水雾、气体）国内均有系统设计规范，对国内规范有详细规定的，从其规定；对国内规范没有详细规定的，参考NFPA（美国）规范执行。

4 主要灭火系统的选择

基于对消防灭火系统选择的分析，针对变电站内的危险源，大致分为以下几类：以主变压器为代表的充油设备；以开关柜、继电保护器为代表的柜式电气设备；直升机平台（如有）；避难室、空调机房和内走廊等其他用房。

4.1 含油设备消防保护分析

针对主变压器等含油设备，根据《火力发电厂与变电站设计防火标准》（GB 50229—2019）11.5.4条规定：推荐采用水喷雾灭火系统或其他固定式灭火装置。[3]

对于海上升压变电站主变压器，如果利用泡沫灭火系统对其进行灭火，会取得比较好的灭火效果。但是泡沫更换周期短，不符合维保方便、使用周期长的原则，而且对平台上第三类场所消防的兼容性较差。同时，主变压器室为层高远超过6.5m的高大空间，不适合用气体灭火系统保护。[4]因此，只能选择水作为灭火剂的选项。

考虑到海水的腐蚀性，国内的主流电气设备供货商都反对使用海水作为灭火剂对电气火灾进行灭火。因此，虽然身处汪洋大海之中，也不能使用便捷的海水作为消防水源，只能选择淡水作为灭火剂，而升压站空间狭小，不能储备大量淡水。雨淋、水喷雾、水喷淋、细水雾等各个水系统中又以细水雾灭火系统一次灭火用水量最小。因此，推荐采用细水雾灭火系统。

4.2 柜式电气设备消防保护分析

海上升压变电站中的高压开关柜、低压配电柜、应急配电盘、接地变压器及电阻柜、GIS柜、二次继保柜等电气盘柜设备是升压站正常运行的重要保证，一旦发生故障导致风电场停发，将造成较大经济损失。因此，要求所有主要电气用房均设固定式灭火装置。

根据《Offshore substations》（DNVGL-ST-0145）及《风电场工程110kV～220kV海上升压变电站设计规范》（NB/T 31175—2017）要求，以上设备及设置场所推荐采用气体灭火系统进行保护。目前的海上石油平台电气类房间也是采用气体灭火系统进行保护。

气体灭火系统设计目前存在两种方式：一是采用全淹没气体灭火方式；二是采用新兴的火探管式气体灭火方式。基于海上升压变电站的特点，对以上两种方式进行比较。

4.2.1 灭火针对性、有效性

全淹没气体灭火方式保护的是整个设备用房，而火探管式气体灭火方式保护的是相对封闭的电气盘柜。

电气设备一般均有防护等级较高的外壳保护，尤其是充气柜防护和密封等级更高，当柜体内部元件发生过热（过载、短路、接触电阻大引起的发热）进而引起燃烧时，由于有柜体的保护且电气室空间较大，设在电气室内的烟感和温感探测器不会很快探测到火灾的发生。当柜内的火燃烧到较大程度时，电气室内的烟感和温感才会动作，但此时现场的热容值已经很高。此时启动电气室内的气体灭火系统进行灭火，其效果均不理想，如果室内密封不严或通风系统未能及时关闭，往往造成灭火失败。即使将火灾扑灭，其造成的损失（设备损失、停机损失、环境影响）将是巨大的。

而利用火探管式气体灭火方式对电气设备内部进行保护，情况将完全不一样，根据系统的特点，其火焰预警管可以伸进狭小的电气设备内部进行保护，当电气设备内部元件发生温度异常或火灾时，系统可在第一时间感知到火灾的发生（温度异常）并快速启动将火灾扑灭，现场无须清理，只需更换少量的元件即可恢复工作。

可见，选用火探管式气体灭火方式针对性强，灭火时间快，过火面积小，损失低，设备可快速恢复工作。

4.2.2 系统可靠性

全淹没气体灭火方式依赖的是火灾报警系统探头探测而后判断启动；而火探管式气体灭火方式依靠的是自身火焰预警管具有灵敏的热源探测功能。

火灾报警系统会因盐雾、灰尘、电磁干扰等影响而导致误报误喷，甚至是不动作。而火焰预警管是一种专利复合材料，没有任何电气元器件，在异常温度达到火焰预警管设定值，其火焰预警管会快速动作并形成喷口，不受任何空间和使用环境的限制且绝无误报和误动。

可见，选用火探管式气体灭火方式在海上气象条件下系统可靠性要高许多。

4.2.3 维保

采用全淹没气体灭火方式根据药剂类型的不同，存储压力从4.5MPa到15MPa不等，近几年已发生多起爆瓶的事故。其本身属于压力容器，根据国家《气瓶安全监察规定》的要求，业主每3～5年要送到指定地点测试压力容器安全性能，重新充装药剂。[5]在管理上给业主带来很大麻烦，还需要在后续持续投入维保费用。

火探管式灭火方式，选用Novec 1230作为药剂，存储压力为1.3MPa，系统安全性有较大提高。规避了压力容器管理上麻烦，药剂寿命10～15年，升压站全寿命周期更换一次即可。

可见，维保方面无论从方便程度、费用来看，火探管式气体灭火方式都更具优势。

4.2.4 系统造价

电气设备空间大，采用全淹没气体灭火方式需要的药剂量较大，需要单独设置气瓶间，且压力钢瓶荷载较大。海上平台寸土寸金，气瓶间的设置将增加土建的成本。

火探管式灭火方式因采用贴近式火源且均为初期火灾，故系统所需的药剂量很少，进而可以节省药剂的存储空间，无须单独的气瓶间。

可见，在选用相同药剂的前提下，火探管式气体灭火方式系统造价更低。

综合以上几点分析，推荐火探管式气体灭火方式。

4.3 直升机停机坪

直升机停机坪为室外露天平台，可能发生火灾的成因主要是航空煤油发生泄漏或直升机降落发生事故引发火灾。根据《海上固定平台安全规则》14.4.2.4条，应配置一套固定式泡沫灭火系统。[6]水成膜泡沫由于具有良好的流动及覆盖等特性，可以快速降低油面温度和隔绝空气，扑灭油火及有机物火灾，因此，推荐采用设置一套水成膜泡沫灭火装置。

4.4 其他设备用消防保护分析

高压细水雾灭火系统有广泛的适用性，对于相对封闭空间内的可燃固体表面火灾、可燃液体火灾和带电设备的火灾都有良好的效果。因此，适用于升压站平台上的应急避难室、暖通用房、工具间、备品备件间等场所。由于已有高压泵组、水箱等主要核心设备，增加一些防护区不会大幅增加投资，却可以大幅度降低火灾蔓延风险。同时，根据火灾模拟试验证明，设置了高压细水雾灭火系统的房间，顶棚温度低于200℃，不会对钢结构的安全造成较大影响。因此，建议电气盘柜室也布置了高压细水雾喷头，保证最不利工况下主体结构的安全。

《风电场工程110kV～220kV海上升压变电站设计规范》（NB/T 31175—2017）对灭火系统的选择要求见表1[7]。与本文的分析及设计理念十分契合。

表1 海上升压站变电站灭火系统选择Table 1 Selection of fire extinguishing system in offshore substation

5 典型站主要消防系统设计

5.1 高压细水雾灭火系统

高压细水雾灭火系统由高压泵组（包括主/备泵、稳压泵、调节水箱、补水装置、泵控制柜）、开式区域阀组（高压进/出水球阀、电动球阀、压力开关、压力表、接线盒、手动启动按钮、调试放水阀等）、开式喷头、不锈钢管及配件、火灾自动报警联动控制系统等组成。在海上变电站水泵房内设置一套高压细水雾泵组，采用组合分配方式对多个防护区进行细水雾保护，每个防护区设置一套区域阀组，区域阀组设置在防护区外的附近便于观察及操作的地方。海上升压站细水雾系统应用三维效果图如图2所示。

图2 海上升压站细水雾系统应用三维效果图Figure 2 3D diagram of water mist extinguishing system in offshore substation of wind farms

变压器防护区采用高压细水雾开式局部保护方式，喷头分三层布置在围绕变压器的矩形环管上。喷头侧向安装喷口方向使水雾直接喷射并能覆盖变压器的外表面。

其他设备用房仅在房间顶部设开式喷头，设计为全淹没系统保护，喷头布置间距小于3.0m。高压细水雾灭火系统供水水质应满足现行国家标准《生活饮用水卫生标准》（GB 5749）的规定。由消防水箱储存，为了水质（主要是浊度和电导率）能满足要求，消防用水定期从陆上运输进行更换。为方便供水，在甲板层配备一个符合《国际海上人命安全公约》规定的国际通岸接头。水箱放空用水排入大海。系统持续喷雾时间30min，系统管网水力计算采用Darcy-Weisbach（达西—魏斯巴赫）公式。[8]

5.2 火探管式气体灭火系统

火探管式气体灭火系统由装有专用高效灭火剂的压力容器、集成容器阀组、无源报警器以及能自动释放灭火剂的火焰检测管等组成。将火焰检测管置于靠近或在火源最可能发生处的上方，同时火焰检测管上诸多灵敏的线性温度检测点对周围情况进行检测，其火焰检测管材料具有灵敏的热源探测功能。一旦着火时，火焰检测管在受热温度最高处会自动爆裂并形成喷口，将灭火介质通过火焰检测管本身（直接系统）或喷嘴（间接系统）释放到被保护区域完成灭火，同时给主控发报警信号。

火焰检测管布置在盘柜内侧，结合电气盘柜具体设计分层绕行，装有专用高效灭火剂的压力容器、集成容器阀组放置在柜子侧面或是顶部。火探管电气盘柜应用原理图如图3所示。

图3 火探管电气盘柜应用原理图Figure 3 Schematic diagram of fire trace automatic fire suppression system in electrical cabinet

5.3 直升机停机坪

直升机平台设置一套固定泡沫灭火系统。其中，消防水源单独考虑，在平台上设置水箱及消防泵组供水与泡沫发生器混合。直升机平台设置45kg干粉灭火剂、18kg二氧化碳灭火器各一具。系统采用固定式泡沫灭火装置作为主要灭火方式，在直升夹板两侧各设置一个泡沫消火栓。泡沫混合液供给强度为6L/（min·m2），连续供应时间5min。