换流站压缩空气泡沫灭火系统配置探讨

程怀宇，孙国中，宋 明，李康伟

(国家电网有限公司特高压建设分公司，北京 100052)

0 引言

近年来，为解决西部和中东部地区之间的电力大规模跨区输送问题，国内规划建设了众多超大规模特/超高压直流输电工程，其中换流站是输电工程中的重要枢纽。以送受端换流站为例，一般配置约24 台换流变压器，单台换流变压器充油达200 t以上。理论和实际运行情况表明，换流变压器较常规交流变压器运行工况更加复杂，出现故障和发生火灾的概率更高，而早期工程配备的氮气驱动泡沫喷淋系统并不能快速有效地扑灭换流变压器油燃烧导致的火灾。为此，相关部门组织开展特高压换流站消防系统提升研究，提出基于压缩空气泡沫灭火原理的灭火系统配置方案，并在实际工程上进行应用，同时对应用过程中存在的问题和相关应用场景进行了探讨。

1 CAFS 简述

1.1 CAFS 介绍

压缩空气泡沫灭火系统(compressed-air foam systems，CAFS)是一种新型消防灭火系统，主要组成为水泵、空气压缩机、泡沫泵组以及对应的管路和阀门等。与传统的水系统压力相比，其驱动压力除了水泵压力外，还包括了空气压缩泵的压力，且所推动的物质只是含有水分的气泡，因此，在相同条件下，所喷射出的泡沫比水或是泡沫混合液都要高和远。

1.2 CAFS 灭火原理

CAFS 主要利用隔离热辐射、吸热、隔绝空气等原理进行灭火，泡沫液发泡后覆盖在燃烧物表面形成一定厚度的泡沫层，有效隔离火焰对燃烧物的热辐射；因泡沫中带有一定量的空气和水，当泡沫覆盖到燃烧物表面后，析出的泡沫水分子大量吸收燃烧物的热量，可达到迅速降温的目的；泡沫层对燃烧物形成很好的表面覆盖，有效隔绝空气，从而使燃烧快速停止。

2 CAFS 在换流站的应用

2.1 设计原则

依据相关标准和技术规程的要求，换流站内的每一台换流变压器均需设置压缩空气泡沫固定喷淋灭火系统以替换原有的水喷雾灭火系统，设置压缩空气泡沫消防炮灭火系统以替换原有的泡沫炮灭火系统，且需满足两套系统同时动作的要求。

2.2 执行标准

对于成套的压缩空气泡沫灭火系统国内暂无相应的规程规范可供参考，其设计主要以GB 50151—2010《泡沫灭火系统设计规范》、GB 15308—2006《泡沫灭火剂》、GB 50338—2003《固定消防炮灭火系统设计规范》、GB 7956.6—2015《消防车 第6 部分：压缩空气泡沫消防车》等规范作为参照。

2.3 系统参数

根据应急管理部天津消防研究所扑救特高压换流变全液面溢流火试验的相关数据，系统设计参数选择如下。

1) 压缩空气泡沫固定喷淋灭火系统的泡沫混合液供给强度按照12 L/(min·m2)考虑，单个压缩空气泡沫消防炮的泡沫混合液流量为22 L/s，每台换流变压器设置2 门泡沫消防炮，且能同时进行灭火。

2) 保护面积按换流变压器本体及油池的平面投影面积计算(重叠部分不重复计算)，该换流站变压器按照220 m2投影计算，泡沫混合液供给强度按照行业最高标准18 L/(min·m2)考虑(行业标准要求为15～18 L/(min·m2)），系统的额定流量为4 000 L/min。

3) 参照换流站消防提升措施，压缩空气泡沫系统持续时间按1 h 考虑；消防设备间内的泡沫罐设计为15 m3，可满足1 h 泡沫供给；配备20 m3水箱，水箱连接4 000 m3的消防水池，同时连接了可提供120 m3/h 消防水的站外水源，保证了水源的充足供给。

2.4 系统设计

固定式压缩空气泡沫灭火系统主要由压缩空气泡沫产生装置、末端释放装置、联动控制系统、消防水池、泡沫液罐、双电源柜和喷淋、消防炮管道等组成。

某换流站设计了2 个消防设备间，分布于双极高端直流侧；2 个消防阀门间，分布于双极低端直流侧；4 台额定流量4 000 L/min 的压缩空气泡沫产生装置，布置于两个消防设备间内，每个设备间配置2 台，一主一备；设备间除产生装置外还布置有泡沫液罐和水罐以及联动控制柜等；系统末端释放装置分为喷淋管与消防炮两种，每种均有对应的管路及阀箱；全站共装配24 个喷淋分管道阀与28个消防炮分管道阀，相关喷淋或消防炮管路均设计有对应的总管道阀。根据换流站设计要求，每台换流变压器的防火墙两侧设置有喷淋管，通过1 个喷淋分管道阀控制；每个换流变设置2 台消防炮，每台消防炮负责左右两个变压器的灭火工作，且每台消防炮只通过1 个分管道阀控制。

消防联动控制系统包含PCS-9119 联动控制系统(主控楼主机柜+就地子机柜+主控制CAFS后台)、消防炮控制系统、阀门就地操作箱、CAFS本体就地控制系统、消防水泵就地控制柜等，并采用先进的分布式网络技术、面向对象的数据库技术以及跨平台可视化技术等，全面支持IEC 60870-5-103、IEC 61850 等国际标准。

2.5 工作流程

由专业人员模拟火灾报警信号，通过火灾报警系统将火警信号传至CAFS 后台和消防炮琴台，CAFS 后台与消防炮琴台收到火灾报警信号后发出声光报警，并根据内部设置逻辑自动启动喷淋灭火流程，具体为：以CAFS 后台为核心，下达指令至对应的管路阀门与设备；随后由运行人员在琴台操作消防炮到达预置位并发送到位信号至CAFS后台，自动启动消防炮灭火流程。

3 问题与改进探索

3.1 存在的问题

现场设计、安装以及调试过程暴露出压缩空气泡沫灭火系统在应用方面还存在一些问题需要进一步改进，相关问题总结如下。

1) 成套系统对装置中单一设备的可靠性要求较高，如空压机等。

2) 对站区远程供水系统的稳定性要求较高，要求具备更高的战勤保障力量。

3) 系统协调联动要求高，站区远程供水系统的启动逻辑较为复杂。

4) 在系统运行过程中，主泵容易频繁启动，对管网冲击较大，增加了末端回传水锤、危害消防水系统等不可预见的风险。

5) 系统联动逻辑复杂，需冷启动的设备及部件较多，不仅增加了系统的反应时间，对设备及部件的要求也较高。

6) 日常巡检维护工作量大。

3.2 方案拓展

1) 独立切换控制设计。水泵和泡沫泵各自组成独立的泵组(泡沫泵组多留2 台备用泵，实现特殊工况下的备用切换)，空压机一主一备，实现设备故障后在泵组内自动切换。混合装置设置2 台泵，并分别配置管路连接水泵泵组、泡沫泵泵组和空压机，混合装置之间通过三通阀实现泵组故障后的自动切换。若混合装置故障，则打开对应的三通阀即实现故障切换。

2) 优化系统反应时间。泵互为备用，自动切换；空压站常勤带压，互为备用，自动切换；混合装置互为备用，自动切换；整套系统处于常勤带压工况，启动CAFS 的时间只是相关阀的执行动作时间，约5～15 s，最大限度地缩短消防系统作战投入时间。

3.3 运行形式优化

CAFS 采用一体式设计，将CAFS 产生装置、空压机、水泵以及联动控制组装在集装箱内，由于相关设备间的联动在厂内就已固定并调试完毕，站内无需再进行改动，有效降低了站内的安装难度，提升系统的可靠性，该方案在某换流站作为消防提升措施进行应用。

4 结束语

CAFS 作为一种新型高效的消防灭火系统，通过选用不同的设备和运行形式，提高了灭火效率、增加了射程、节约了用水，可为新扩建和已投运换流站提供安全可靠的消防灭火处置能力，有效保障运维人员的人身安全和重要输电设施设备的运行安全。