风电机组自动消防系统设计及联动试验研究

矫宇航 王雪丽 王鹏

摘要：自动消防系统作为风力发电机组中的安防系统，随着近些年机型不断扩大、项目配置不断优化，自动消防系统已成为风电领域不可或缺的一环，如果在前期方案设计时过多考虑成本压缩而降低工艺、质量、配置选型等要求，一旦风机出现消防系统误报、误喷、有火灾无法启动等问题，不仅会造成更大的财产损失，也会造成周边环境的破坏。因此，对于自动消防系统当前较为全面的方案设计和联动试验进行了分析探讨，以期降低风机机组中火灾事故造成的损失。

关键词：风电机组；消防系统；设计；试验

中图分类号：X913.4      文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2023）12-0029-03

风电机组消防系统的设计应用需从多个角度进行考虑，包含灭火装置的规格选用、消防控制器的性能、各路信号的反馈、消防主机的远程控制等。

1 风电机组火灾的特殊性

风电机组较多处于人烟偏僻的荒郊野外，无法24h值守，且随着机型不断扩大，塔筒高度也随之增大[1]，目前普遍都在90m以上，最大甚至可达到140m，使得维护救援极为不便。风电机组内引起火灾可燃物较多，无论哪一种引起火灾都会给机组带来巨大损失[2]，难以完全从根源上得到解决。风场处于开阔且风力较大的地方，周边没有遮挡物，因而一旦发生火灾就会具有非常快的蔓延速度，导致整个机组乃至风场内发生严重火灾事故，着火后往往使得整个风电机组报废。

2 自动消防系统方案设计及防护区域

2.1  方案设计

自动消防系统从方案设计上可分为主动式与被动式，即机舱区域报警和机舱独立报警两种方式。其中机舱区域报警方式为每台风电机组上安装一台带有联动功能的消防控制器，探测系统、灭火装置连接至控制器后，可通过页面显示各部件的状态信息、报警信号，并可通过消防控制器对设备进行实时控制，具备与视频监控系统联动功能，在预报警、主报警时均能自动启动视频系统，视频监控系统将机组摄像头转至火情区域，查看风机发生报警区域火情。在中控室视频监控系统显示器上同时弹出发生火灾的机组现场实际火灾区域的火情。中控室人员可根据视频查看火情，远程控制风机。现地设置各类探测元件和执行元件，接入自动消防系统，实现实时监控和消防联动控制。机舱独立报警方式：机舱柜采用机械式感温磁发电探测器和灭火装置结合的方式进行消防，并配套反馈装置，当灭火装置状态变化时主控系统可接收到相关信号；火探管式自动探火灭火装置在机舱机械区内采用隐患点布置方式进行消防保护，并将状态信息反馈至主控系统中，最终上传回升压站。火探管式自动探火灭火装置有两种，一种为直接式探火管灭火装置，另一种为间接式探火管灭火装置。其工作原理是由通过装置连接并延展分布在周边防护区域的火探管，火探管经充压进行探测火情并可在火灾时将灭火介质通过火探管喷放到被保护空间，达到灭火的效果。在行进过程中遇到火苗或高温时（超过170℃时）将自动破口形成喇叭口形状喷嘴，管内压力泄漏的同时，触发阀门释放钢瓶内灭火剂进行灭火。综合来看，被动式方案在成本把控上具有较大优势，而主动式方案在操控性、安全性上更符合当前风电机组的应用。

2.2  防护区域

机舱内的火灾隐患点主要包括润滑系统、齿轮箱、高速轴刹车盘、液压站、发电机接线盒以及动力电缆、控制电缆等。这些设备处于机舱内的开放区域，采用在火灾隐患点布置自动灭火装置的局部灭火方案。电气柜可分为轮毂电气保护区、机舱电气保护区。轮毂电气保护区主要包含变桨柜，机舱电气保护区主要包含机舱动力柜、机舱控制柜、偏航变频器柜。

3 灭火介质分类及选型

3.1  S型热气溶胶

S型热气溶胶作为绿色环保的灭火介质，由于其滅火速度快、重量小、无污染等特点，可用于风电机组密封结构的电气柜防护，如机舱动力柜、机舱控制柜、轮毂柜等。气溶胶所选的容量则根据气溶胶本身的灭火设计密度、电气柜的容积、容积修正系数来决定，最终的容量不会造成气溶胶介质额外的浪费，而且可以实现全淹没的效果。S型热气溶胶的选型根据GB50370—2005《气体灭火系统设计规范》中规定，柜内气溶胶装置的用量遵循公式：

固体表面火灾的灭火密度为0.1kg/m3；通信机房和电子计算机房等场所的电气设备火灾的灭火密度为0.13kg/m3；V＜500m3时，Kv=1.0；500m3≤V＜1000m3时，Kv=1.1；V≥1000m3时，Kv=1.2[3]。以风力发电机组中长、宽、高为600mm×600mm×1600mm的机舱柜为例，V防护区域容积为0.576m3，C2产品灭火设计密度为0.13kg/m3，Kv容积修正系数为1.0，数量为1，则机舱柜如要实现全淹没，则选用气溶胶的容量不小于100kg。

3.2  超细干粉

超细干粉灭火装置在安装方式上可分为悬挂式及壁挂式，根据风电机组特性，较多使用悬挂式，可有效覆盖防护区域。超细干粉与普通的干粉灭火剂相比，粒径更小，灭火效率更高、具有良好的流动性、弥散性、结构紧凑、性能可靠，且无毒无害，便于安装维护。快速覆盖在可燃物的表面，通过物理和化学抑制来阻断可燃物的继续燃烧，快速灭火。可用于封闭或半封闭场所全淹没灭火，也可用于局部保护灭火。在风电机组中适合用在机舱机械区，防护润滑系统、齿轮箱、高速轴刹车盘、液压站、发电机等部件。超细干粉灭火装置在选择时需考虑风电场特殊工作环境要求，如高低温、潮湿、振动等，所以应选择风电专用型。超细干粉灭火装置采用局部灭火方案时的用量规格根据CECS322—2012《干粉灭火装置技术规程》中规定，灭火剂用量计算公式：

以长、宽、高为12.7m×4.7m×5m的机舱为例，因机舱空间相对封闭，机舱空间的高与宽已确定，参照发电机整体长度及高速轴刹车盘位置距离长度方向取值为3m，灭火设计密度130g/m3，保护区域体积为70.5m3，单具灭火装置的充装量最大不超过5kg，则所需超细灭火装置数量为1.83具，机舱机械区需配置2具超细干粉灭火装置。

3.3  火探管式自動探火灭火装置

火探管式自动探火灭火装置的应用相比S型气溶胶和超细干粉较少，灭火介质可选择七氟丙烷或二氧化碳。七氟丙烷具有无色、无味、不导电、环保的特点，通过化学抑制的原理来进行灭火，密度大于空气，压力下呈液态。当灭火剂喷放，液态则变成气态，从而吸收大量的热能来降低所保护区域的温度。灭火效率高、成本低且工作可靠。二氧化碳的密度同样大于空气，具有不可燃、不助燃特性，能够实现快速隔绝已燃物与空气间的接触，从而达到灭火的效果。根据保护区域不同及保护区域空间不同，直接式火探管灭火装置用于电气保护区防护，而间接式火探管灭火装置用于机舱机械区防护。

4 消防监控系统及软件

4.1  监控系统

消防监控系统包括火灾探测系统、消防控制器、消防控制主机。消防控制主机安装在风场中控室，通过消防监控软件与每台风机的火灾报警控制器相连接。消防监控软件是一个独立于风机中央监控软件之外的专用软件，用于与整个风场的消防控制器通信，监视各个风机内部运行时的消防相关环境参数，通过消防主机可对风机内的消防设备的报警信息进行相关处理，包含复位、启动等动作信号处理，从而使消防设备做出响应动作。消防控制器是一种专门为自动消防控制系统实施可靠控制而设计的多线型或总线型火灾自动报警和自动控制灭火的控制器，采用TCP/IP通信方式，可通过RJ45网络接口连接至交换机，并可选配气体灭火防护区的控制区数，控制器具有延时启动功能，时间可在0～30s内随意设置，并且每一路控制区都有倒计时，运维人员可通过控制器上的手自动切换按钮实现切换功能，同时控制器还具备线路故障检测、信号接收与反馈、备用电源等功能。

火灾探测系统包括感温、感烟探测器，用来监测机组内烟雾和温度等是否有超限，如其中一种探测器监测超限，消防控制器接收到报警信号后向主控系统上传预报警，如两种探测器监测均超限，则感温、感烟探测器同时向消防控制器报警，消防控制器向主控系统传递主报警。机械式感温磁发电探测器用于电气保护区监测，通过机械式动作产生探测器所需的启动能量，当监测温度超过探测器设置的温度界限时，热敏元件启动内部储能元件，将储存的机械能转化为电能，电脉冲在回路中形成电流经过连接线从而启动灭火装置。机械式感温磁发电探测器动作时，可反馈状态信号。

4.2  消防系统后台软件

为确保风电机组自动消防系统可靠运行，所用软件应该满足并不限于以下需求：①可在中控室客户端界面显示所有风机消防设备状态，并能够显示机组各探测器的状态信息；②在机组发生报警时，需在客户端界面显示机组的报警信息，探测器的报警状态信息，并发出报警信号；③在中控室客户端，应该能够对消防设备的报警信息进行相关的处理，包含复位、启动等动作信号处理，风机端消防设备做出响应动作；④对用户的操作及登录有记录及查询功能；⑤对消防设备的报警信息有记录及查询功能；⑥软件系统对消防指令的响应速度要在毫秒级别；⑦可以对用户进行管理，完成增删改查，并能够设置相关用户权限；⑧对风机消防设备进行管理、配置；⑨对消防设备的动作有记录及查询功能；⑩所有系统软件必须是授权或正版操作软件，涉及第三方软件的需取得正式使用权；?在软件系统实施中包含服务器、服务器软件、显示器及鼠标；?自动消防软件系统具有独立性，自动消防应该在交换机提供RJ45网络接口的情况下，能够自己组网，完成自动消防系统需要实现的所有功能。

5 自动消防系统性能及联动功能试验

自动消防系统又分为监控系统及灭火装置，而监控系统与灭火装置的生产厂商、品牌往往不同，因此经常会出现灭火装置与监控系统无法联动、设备故障的情况，如供电、报警信号、线缆连接的不匹配，造成消防控制器误报警、灭火装置无法启动、误动作，探测器故障无法进行检测等结果，不仅给现场运维人员的维修清理工作增加困难，也会导致机组频繁停机。为避免出现此类问题，自动消防系统联动试验愈发具有必要性。消防系统的联动控制，特别是灭火装置的试喷，对试验环境、试验人员有着一定的要求，避免周边引起火灾或误伤人。首先在试验场地上应选择有专业的封闭式试验室，由专业技术人员进行试验并记录试验数据，测试项目及测试要求内容见表1。

6 结语

由于风力发电机组火灾的特殊性，机组中产生的火灾通常会带来巨大的损失，甚至可能烧毁整个机组，严重影响风电场的运行，因此针对风电机组制定一种稳定、可靠、高效、环保的自动消防系统已成为风电行业可持续发展的前提之一，也是风电人需要不断分析研究的重要领域。

参考文献：

[1]易剑晖，彭力，李凯松，等.风电机组火灾现象、原因、防范浅析[J].风能，2015（9）：48-51.

[2]孙成忠，党玲.风力发电机组灭火系统的设计[J].广东公安科技，2014（6）：45-46.

[3]孙乐场，习书广，张文林.风电机组自动消防系统优化设计方案探究[J].机电信息，2021（9）：43-45.

Research on the design and linkage test of automatic fire protection system for wind turbines

Jiao Yuhang， Wang Xueli， Wang Peng

（CRRC Shandong Wind Power Co.， Ltd.， Shandong Jinan 250100）

AbstraCt： As a security system in wind turbines， automatic fire protection systems have become an indispensable part of the wind power field with the continuous expansion of models and the continuous optimization of project configurations in recent years. If cost compression is considered too much in the early design of the program to reduce the process， quality， configuration selection and other requirements， once the fan has problems such as false alarms， mistaken spraying， and failure to start a fire， it will not only cause greater property damage， but also cause damage to the surrounding environment. Therefore， the current comprehensive program design and linkage test of automatic fire protection systems are analyzed and discussed， hoping to reduce the loss caused by fire accidents in wind turbines.

Keywords： wind turbine; fire protection system; design; test