基于光纤测温的风电机组火灾监控系统

陈博 许宗幸 葛伟青

【摘要】 随着风电行业的迅猛发展，大功率机组不断投入使用，火灾事故也由此日益频发，对风机造成了毁灭性的破坏。火灾一旦发生，放置在机舱和塔筒内的手提灭火器就成了摆设，因而急需寻求一种智能化、快速化的风电机组火灾监控方案。该系统包含了光纤传感器、视频监控系统、数据处理系统、消防报警控制器和灭火系统，它实现了实时化、快速化和智能化的风电机组火灾监控，可实现火情记录、故障分析、火灾预警报警和灭火控制功能。

【关键词】 风电机组 火灾监控 自动灭火装置 光纤传感

随着风电行业的迅猛发展，风力发电机组由陆地走到海洋[1]，由传统的1.5兆瓦风机发展到6兆瓦风机，由2007年风电机组装机容量世界第五发展到2011年世界第一，累计装机容量达到62.7吉瓦。过去几年间爆炸式增长把中国风电产业推上世界第一的位置，但产业的精细化、成熟度还远没有达到应有的水平，质量和运行可靠性问题逐渐凸显，安全事故频发[2、3]。据不完全统计，从2011年1月到7月底，国内已经有大约8台风机由于各种不同的原因被火灾彻底烧毁，所造成的损失更是触目惊心。为了保证风力发电机组的可靠稳定运行，降低维护成本，最有效的方法是监控风力发电机组的运行状态[4、5]。近年来，随着光纤传感技术的快速发展，光纤传感器其在电力系统中的应用不断出现[6、7]。该风力发电机组火灾监控系统由光纤传感器、视频监控系统、数据处理系统、消防报警控制器和灭火系统构成。光纤传感器实时在线监测风力发电机组的温度信息；数据处理系统存储和处理来自光纤传感器和视频监控系统的数据信息，并发送控制信息给视频监控系统、消防报警控制器和灭火系统；消防报警控制器实现消防报警功能；灭火系统实现灭火功能。该监控系统实现了风电机组火灾的预警、报警功能；实现了风电机组火灾监控的实时话、快速化和智能化；记录风电机组火灾的发生部位、发生过程，为分析火灾起因提供依据；实现了风电机组快速灭火，减少因火灾造成的毁灭性损失。

一、风电机组的火灾特性

我国的风力发电机组一般安装在“三北”地区和东南沿海风力资源储量丰富的地区，其偏远型性决定了火灾发生时，消防救援无法及时赶到现场；风电机组一般都安装在几十米的高空，一旦失火，无法扑救；风电机组烧毁以后也很难判断着火原因，一般只能推测风电机组着火原因以及着火点。因此，风电机组需要一个对火灾具有预警报警功能、记录功能和灭火功能的智能化、快速化的实时在线监控系统。

1.1 风电机组的组成

1、叶轮。叶轮是将风能转化为机械能的装置，由叶片、整流罩、轮毂、叶片调节电机与控制系统等组成。雷击、超负荷运行、控制系统老化使叶片、调剂电机与控制系统成为风电机组火灾发生的隐患部位。2、机舱。机舱是风电机组的核心部位，由主轴轴承、润滑散热系统、齿轮箱、刹车系统、发电机、提升机、偏航轴承、偏航驱动、机舱底座、照明系统、传输电缆、控制柜等组成。由于机舱空间相对封闭，高温运行、通风不良、过热老化、润滑油泄露、高速制动等都成了火灾发生的原因。其隐患部位为润滑散热系统、齿轮箱、刹车系统、机舱底座、传输电缆、控制柜等。3、塔架。塔架一般为中空圆柱形，设有数个平台，内有爬梯、传输控制电缆，塔架底层设有变频柜、控制柜等。由于控制柜空间狭小、通风不良、电气元件过热老化击穿，电缆过流绝缘降低，使传输控制电缆、变频柜、控制柜等成为其隐患部位。

1.2 风电机组的火灾特性

（1）可燃物种类多，火灾荷载密度大；（2）火灾隐患多，容易发生电气火灾、固体火灾和液体火灾； （3）通风换气迅速，火焰蔓延速度快；（4）容易引起附近建构筑物火灾，诱发森林火灾和草原火灾；（5）火灾扑救难度大，外部救援几无可能，且火灾坠落物严重威胁救援人员人身安全；（6）设备价值高，火灾损失大，一旦发生火灾，将造成巨大的直接损失和间接损失。（7）风力发电机组多位于偏远山区、丘陵和近海，消防救援无法及时赶到、救援难度大。（8）风电机组火灾起火原因、着火点均无从查起，同样的火灾事故屡屡发生。因此，早期火灾的预警、报警、监控和灭火显得无比重要，必须立足自救、防患于未然。

二、火灾监控系统

由于目前风电机组的火灾报警系统只有报警功能，当消防人员赶到现场时，火灾已经无法控制。因此，需要一个能够对风电机组火灾进行预警、报警、灭火、火灾记录的智能化、快速化的火灾监控系统，以避免或减少火灾造成的损失。

2.1 组成与结构

本文所提出的新型智能化、快速化火灾监控系统主要由光纤传感器、视频监控系统、数据处理系统、消防报警控制器和灭火系统等组成。其中，光纤传感器主要是耐高温、高灵敏度的特种光缆；视频监控系统主要是具有过程记录、图像识别的摄像系统；数据处理系统主要是采集、处理来自光纤传感器和视频监控系统的数据，控制消防报警控制器和灭火系统；消防报警控制器和灭火系统主要是实现预警、报警和灭火功能。其主要结构如上图1所示。

2.2 工作原理

将光纤传感器敷设在风电机组的叶轮、机舱和塔架中需要监测的设备和环境中，快速感知其温度信息，并将携带温度信息的光信号传至数据处理系统；经采集处理后得到温度数据，将其存储和显示；判断温度是否异常，如果异常，数据处理系统将联动火灾报警控制器，并启动视频监控系统和灭火系统，由视频监控系统监视火灾发展变化的状况，由灭火系统将火灾消灭在萌芽状态；数据处理系统将温度数据、图像数据和报警信息通过通信模块传送至远端监控中心，也可以短信的方式发送给相关责任人，实现远程监控。

2.3 主要功能特点

（1）分布式监测：将探测光缆沿塔架壁、机舱顶正弦波敷设，进行环境温度变化实时分布式监测，无监测盲区。（2）分区监测：根据风机结构特点分为三个分区：塔架、机舱、叶轮；据此划分防火分区，分段防护。（3）重点监测：根据风机火灾起因，对润滑散热系统、齿轮箱、刹车系统、机舱底座、传输电缆、控制柜、调节电机与控制系统、传输控制电缆、变频柜、控制柜等重点监测。（4）多级报警：定温报警：60℃、70℃、85℃、105℃、138℃、180℃；差温报警：10℃/min、20℃/min、30℃/min，可按分区设置报警方式、报警阈值。（5）联动控制：利用消防联动控制器联动灭火设备、视频监控设备，将火灾消灭在早期。

三、结论

该风力发电机组火灾监控系统具备了分布式监测、分区监测、重点监测、多级报警和联动控制等功能特点。它实现了风电机组火灾监控的实时化、快速化、智能化，具有火灾监测、火情记录和灭火控制功能，实现了风电机组的故障分析、火灾预警报警和灭火功能。为风力发电机组的火灾监控，降低火灾造成的损失提供了保证。

参 考 文 献

[1] 张礼达、任腊春.恶劣气候条件对风电机组的影响分析[J].水力发电，2007（10）：67-69.

[2] 刘德利、黄志强.一起进口风力发电机组火灾事故调查[J].消防科学与技术，2009（7）：546-548.

[3] 吴华珠、唐宝莲.风电机组失火原因及解决方案[J].水利水电技术 2011（2）：86-89.

[4] 徐大军、张晋、刘连喜等.风力发电机组火灾特性与消防系统应用研究[J].消防科学与技术，2010，29（12）：1081-1083

[5] 杨旭坤.风力发电机组火灾危险性及防范措施[J].消防技术与产品信息，2011（5）：10-12.

[6] 魏鹏、张志强、历秉强等.光纤传感技术及其在电力系统中的应用前景[J].山东电力高等专科学校学报，2010（1）：38-42.

[7] 王虎、李永倩、李欢等.光纤温度传感器在电力电缆监测中的应用[J].电力系统通信，2012（3）：56-60.