风力发电机组消防系统升级改造措施探讨

西藏消防救援总队拉萨支队哲蚌寺大队 桑旦多吉

截至2020年底，我国累计风电装机容量达2.8亿kW，而其中运行超过5年的风电机组将超过累计装机的50%[1]。在我国“双碳”目标下，风电设备的安全稳定运行是实现我国电力减碳、能源减碳目标的重要保障。然而我国风电设备火灾事故的发生频率正在逐步上升，传统的风电消防措施已经不能够适应当前风电机组运作的需求[2]。

然而，由于风力发电机工作环境特殊（温差大、震动大等），其火灾特性规律与普通民用建筑和工业建筑大不相同，常规的灭火装置难以满足其要求。同时，多数风电机组由于投产较早，不具备火灾在线检测及自动灭火功能，而仅在塔筒一层和机舱安装手提式灭火器，一旦发生火灾，由于风力发电机组地处偏远、不易救援，机舱距地面较高（65米以上）、灭火困难，外部救援灭火无能为力，将会造成机组烧毁的重大损失。因此，对传统风电机组开展消防系统升级改造，加强风电场的消防管理，是预防风电场及风电设备火灾、减少火灾危害，保护人身和财产安全的重要手段。

1 传统机组火灾事故原因分析

传统风力发电机组上采用的可燃物品种类较多，包括各类润滑油脂、液压油、高压胶管、通风管、电气元件、电线电缆、密封材料、机舱罩和叶片材料等，这些可燃物品分布在叶轮、机舱和塔架的不同部位，其中机舱罩内的可燃物品种类和数量最多，机器设备也多，布置密集、空间窄小，由于内部过热、电气设备故障、雷击等火灾危险性最高，造成风力发电机组火灾事故的原因众多，针对国内外造成风力发电机组火灾爆发和蔓延事件，分析火灾的事故原因：

雷击。风力发电机组处于70m 以上的高空，如避雷设施若出现问题，因雷击导致火灾的风险就特别高。大量火灾数据显示，雷击是引起风力发电机组火灾的主要原因之一。近年来，在暴露场所(通常具有高海拔)、大规模高建筑物及其他场合遭受雷击的风险都有所上升。

电气安装不当。风力发电机组电气安装不当也是引起火灾的主导原因之一[3]。接地故障、电路短路及产生的电弧等造成部件过载，继而过热引起火灾。

表面炙热。在风力发电机组的空气动力制动系统发生故障时，常采用机械制动的方式使转子减速，而产生的热量易使可燃金属燃烧。在发生紧急制动现象时，机械制动产生的飞溅火花也能点燃远处的可燃物，产生较高的火灾风险。风力发电机组或其中部件的缺陷，如冷却油泄漏或液压系统受污染，也会增加火灾风险。另外，由于过载或电机润滑故障等原因使风力发电机组设备过热，从而使润滑油等易燃材料与高温表面接触也能引起易燃物燃烧。

机组内大量的可燃、易燃材料。机组内易燃材料不仅增加了火灾隐患，同时也会加快火焰蔓延的速度[4]。主要可燃、易燃材料包括：齿轮箱油和其他润滑用油(如发电机轴承、低速轴轴承处)；由玻璃增强热固性塑料或玻璃钢、玻璃纤维增强塑料制成的机舱罩及叶片；液压系统(如角度调整器和制动系统)用液压油；各种线缆外包橡胶皮等。

2 传统机组消防系统升级改造必要性

风力发电机组火灾危害巨大，包括：风力发电机组内可燃物种类多，火灾荷载密度大；风力发电机组火灾隐患多，易发生电气火灾、固体火灾和液体火灾等；风力发电机组发生火灾后，通风换气迅速，火焰蔓延速度快；风力发电机组设备价值高，一旦发生火灾将造成巨大的直接损失和间接损失；风电场多地处自然保护区，发生火灾后容易引起附近森林火灾和草原火灾；风力发电机组火灾扑救难度大，且火灾坠落物严重威胁救援人员人身安全。

为降低风电机组火灾频率及危害，2014年国家能源局下发的《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（国能安全〔2014〕161号）中，对风电机组消防系统提出了相应要求[5]。因此，应采取相应手段及时探知着火点并将其扼杀在萌芽状态，从而提升风力发电机组自身的防火灭火能力，对风力发电机组开展消防系统升级改造十分必要。

3 风电机组消防系统升级改造目标及措施

电机组消防系统升级改造，应结合风电场运维特点以及消防系统不完善之处，采用针对性的措施，以实现以下目的：

针对风电机组火灾原因采取相应主动防护措施，尽可能消除火灾隐患；对火灾的初级阶段（如过热、阴燃、或低温热辐射等）的早期信号进行探测，对潜在的火情提供尽可能早的预警；采用高效清洁灭火剂，对各防火分区实行全淹没灭火保护。为提高灭火效率，机舱通风口应能迅速关闭，灭火后控制系统将打开机舱各风口，机舱内烟气和残留灭火药剂应便于清理和排出；风力发电机组的工况环境复杂，如高温、低温、振动等，自动消防系统应能在各种恶劣环境条件下长期可靠工作；自动消防系统将火灾报警信号、设备运行状态、设备故障等信息远传至集控中心和风电场监控中心，同时能接收监控中心发出的控制指令。

为实现上述改造目标，应充分应用现代传感技术及自动化技术，采取在线/离线消防设施，主动/被动消防相结合的理念，针对性的开展相应升级改造措施。如：

在电缆上敷设线性感温探测装置，并将温度信号接至远程监控系统及现场自动灭火系统；在风力发电机组机舱电控柜、齿轮箱、制动器、发电机非驱动端、塔基控制柜、变频柜安装探测装置和自动灭火喷头；采用接地系统监测报警仪对接地系统状况实时监测报警，并建立响应机制，一旦发现接地电阻超过设定值或断线接地系统监测报警仪发出报警信号，并远传至监控中心，及时提醒维修人员进行检修。

针对刹车闸与制动圆盘摩擦可能会产生的大量热量及火花，将机械刹车过热保护装置安装在风力发电机组的增速箱端面，使刹车闸和圆盘置于护罩中，并在护罩上设置强制散热的风扇；在机舱安装灭火装置，感温、感烟和红外探测器；合理选择机舱及塔筒灭火器，确保灭火器在安全使用区间，并优化灭火器放置位置；安装通讯线路、风机塔基火灾控制器、风电场中控室火灾控制柜。

建立风机现场传感装置、自动灭火系统与远程集控系统间的通讯网络，其数据流如图1所示；在风电机组远程监控系统中开发消防系统监控模块，并定期验证风电机组消防系统的可靠性；针对升级改造后的消防系统，建立相应的设备设施管理制度[6]。

图1 现场数据采集装置、自动灭火系统与集控系统间的数据流示意图

综上，本文在分析风力发电机组火灾原因、消防系统升级改造必要性的基础上，提出了基于离线/在线设施辅助、主动/被动方式结合、技术/管理并重的消防系统升级改造措施，以提高风电设备防火灾能力，降低风电机组火灾风险和损失。