火探自动消防系统在风力发电机组中的应用Word格式文档下载.docx
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截至2009年底，我国风电并网总容量达1613万千瓦，同比增长92.26%。
其中，2009年，风电电量为269亿千瓦时，同比增长105.86%，占总电量的0.75%。
这些风电装机主要分布在“三北”及东部沿海省区，其中，内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、河北五省区的风电并网装机均突破100万千瓦，内蒙古达到500万千瓦以上。
中国近海风能资源约为陆地的3倍，所以，中国可开发风能资源总量约为10亿千瓦，根据资源、土地、交通和电网条件确定近期具备开发条件的风力发电地址约有50个，分布在全国16个省（市，自治区），其中新疆达坂城、内蒙古辉腾锡勒、河北张北、吉林通榆.和广东南澳等地址均具备装机100兆瓦的条件，青海、甘肃、新疆和内蒙可开发的风能储量分别为1143万千瓦、2421万千瓦、3433万千瓦和6178万千瓦。
近年来，我国共建成32处风电场，总容量约46.8万千瓦。
据专家预测，照目前我国风电装机的增长速度，到2020年装机容量很有可能突破1.5亿千瓦，甚至还可能接近2亿千瓦。
图1~图10是目前国内已建成的部分风电场。
图1国电苍南风电场图2国电东山风电场
图3国电达坂城风电场图4国电浙江东海塘风电场
图5国电福建莆田南日风电场图6国电甘肃玉门风电场
图7国电和风风电开发公司风电场图8国电浙江临海括苍山风电场
图9国电江苏龙源风电场图10新疆天风发电公司风电场
3、风力发电机组消防隐患分析
3.1风力发电机组部分火灾案例
据全球风电安全事故统计与分析资料显示，在早期，风机数量较少而且功率不大的时期，几乎没有关于风机重大火灾损失事故的记录，直到2001年，一共才记录了10次火灾事故。
因此人们对风机火灾的危险性没有认识。
2002年-2005年间，德国的风力发电机组总共发生了22起火灾，截止2010年，中国（包括台湾省）也烧毁了约十几台风力发电机组，风机存在的火灾风险和安全隐患日益引起重视。
在世界各国公开报道并经证实的715起风电事故中，火灾事故有138起，占事故总数19.3%。
位列第二位（列第一位的是风机叶片损坏事故，167起，占总数的23.4%）。
而火灾导致的损失则是最大的，几乎都导致整个机组全部烧毁。
中国目前风机装机数量急剧增加，却对火灾事故尚没有引起足够的重视。
事实上，从2009年到2010年初才一年左右时间里，就有至少5起的火灾事故的记录。
2010年04月，因液力耦合器中油脂过多，内蒙古辉腾锡勒发生苏斯兰风电事故，事故现场图片如图11所示。
图11苏斯兰风电事故
2010年1月24日，华能宝龙山风机发生事故。
此次事故原因是当电机转速达到2700转每分时，会导致联轴器飞车保护打滑，使发电机集电环，编码器损坏，刹车器出现磨损等。
叶轮转动有热量产生，出现火花导致轮毂着火，随着火势的蔓延，机舱大部分部件已经烧毁，事故查看风机时发现第三节塔筒也发生断裂，如图12所示。
图12华能宝龙山东汽风电事故
2009年7月12日，锡林郭勒草原风力发电机设备失火，事故现场如图13所示。
无自动灭火设施。
消防队赶到现场，但面对60余米高的机舱和叶片火灾无力施救，束手无策！
只能退离100米之外的上风方向，见机扑灭掉落残片之火焰，避免引起草原大火！
图13锡林郭勒草原风电事故
2009年2月，福建某风电场内一台进口的1.5MW风机发生火灾全部烧毁，直接经济损失两千万元。
火灾的直接原因系装于机舱后侧的主变压器三相绝缘垫块长期受盐雾腐蚀形成污闪，造成变压器绕组对地和相间短路放电，电弧引燃机舱内可燃物形成火灾，最终导致机舱完全烧毁，如图14所示。
由于无自动灭火设施，因夜间大雾人员无法到达现场，未能及时救援。
2008年7月，海南某风电场一台进口的600KW风力发电机组塔筒底部发生火灾，电气控制柜和变频柜全部烧毁。
造成了较大的直接损失和停止运行两个月的间接损失。
经现场调查，起火原因是由于南方夏季气温高，位于塔筒底部的电气控制柜通风不良，散热条件不好，运行中长期处于过热状态（有时高达60℃以上），造成柜内电气元件过热短路击穿起火，如图15所示。
消防救援时，无自动灭火设施，外部救援无效，水渍损失大。
图14福建某风电场火灾事故图15海南某风电场火灾事故
由以上火灾事故可知，目前风电场内机组无自动消防设施，不能早期发现火情，不能早期灭火控制，一旦发生火灾，无法避免巨大损失；
人员无法及时赶到现场，外部救援灭火无能为力，只能望火兴叹。
随着我国风电场的陆续建成，数量逐渐增加，风电已成为国内新能源的重要组成。
目前我国风电设备进口居多，建设成本较高。
风力发电机组往往安装在人烟稀少的沙漠、草原、岛屿与海洋地带，一旦发生火灾，不能及时响应，这就可能导致整台风力发电机组烧毁，甚至造成人员伤亡，带来巨大的经济损失。
因此，加强风电设备消防意识，增强自动消防能力，对于风电设施的正常运转，提升经济效益，具有重要的作用，风力发电机组的消防安全保护已刻不容缓。
3.2风力发电机组成及各部位存在的火灾隐患
3.2.1风力发电机组成
风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
风力发电机组主要由叶轮、机舱、塔架及控制系统组成。
叶轮与机舱形成相对封闭的横向分区，机舱与塔架形成相对封闭的分区，有的塔架由数个平台形成上下相对封闭的数个竖向分区。
具体结构功能如下：
机舱：
机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。
维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。
机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。
转子叶片：
捉获风，并将风力传送到转子轴心。
现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很像飞机的机翼。
轴心：
转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。
低速轴：
风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。
在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。
轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。
齿轮箱：
齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。
高速轴及其机械闸：
高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。
它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸门失效时，或风力发电机被维修时。
发电机：
通常被称为感应电机或异步发电机。
在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。
偏航装置：
借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。
偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。
图中显示了风力发电机偏航。
通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。
电子控制器：
包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。
为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。
液压系统：
用于重置风力发电机的空气动力闸。
冷却元件：
包含一个风扇，用于冷却发电机。
此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。
一些风力发电机具有水冷发电机。
塔：
风力发电机塔载有机舱及转子。
通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。
现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。
它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。
管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。
格状的塔的优点在于它比较便宜。
风速计及风向标：
用于测量风速及风向。
风机的基本结构如图16所示。
图16风力发电机基本结构
3.2.2风力发电机各部分火灾隐患
风力发电机结构复杂，组成部件众多，因此要对火灾预防需对各组成部件火灾隐患进行分析。
（1）叶轮。
由叶片、整流罩、轮毂、叶片调节电机与控制系统等组成，其中叶片、整流罩和轮毂大多采用易燃的强化玻璃钢等复合材料。
叶片调节电机与控制系统在长期运行过程中容易发生机械摩擦过热、控制柜通风不良导致电气元件过热击穿、调节电机故障卡死导致过流过热、液压油泄漏等等，如果不及时妥善处理．这些因素都有可能导致火灾事故的发生。
另外，叶片还容易遭受雷击而引发火灾。
（2）机舱。
以塔架支撑。
由机舱罩围成相对封闭的空间。
内有主轴总成、润滑散热系统、齿轮箱、刹车系统、联轴器、发电机、提升机、风向标、风速仪、偏航轴承、偏航驱动电机、机舱底座、照明系统、传输电缆、控制柜等部件。
其中．润滑散热系统、齿轮箱、刹车系统、机舱底座、照明系统、传输电缆、控制柜等部位，由于高速运行和持续振动．各个设备接插件和电缆接头容易松动．接触电阻增大导致局部过热，通风小良导致电气元件过热老化击穿．润滑油和液压油泄漏导致对舱内设备和机舱底座的污染，高速制动产生过热碎片。
制动故障导致机组超速运行，发电机内部过热短路，以及极端恶劣气候条件等因素，都有可能引发火灾。
（3）塔架。
塔架用于支撑风机叶轮和机舱。
一般为真空圆柱形，有的设有数个平台形成上下相对封闭的数段，内有爬梯、照明系统和较多的传输电缆和控制电缆。
有些在塔架底层平台还设有变频柜和控制柜等设备。
由于空间狭小、通风不良导电电气元件过热老化击穿，电气设备超负荷运行，设备接插件和电缆接头接触不良，电缆过流和绝缘层老化等，容易引起控制柜内电气元件火灾和电缆火灾。
3.3风力电机组发生火灾的原因
造成风力发电机组火灾的原因很多，针对国内外造成风力发电机组火灾爆发和蔓延事件的分析，可概括为以下几个方面：
（1）由雷击导致火灾。
大量火灾数据显示，雷击是引起风力发电机组火灾的主导原因之一。
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。
风力发电机组处于50m以上的高空，如没有避雷设施或设施维护不当，因雷击导致火灾的风险就特别高。
若安装的避雷针接触电阻太高，则遭受雷击是无法避免的。
（2）电气安装不当引发火灾。
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。
火灾由接地故障、电路短路及产生的电弧等造成部件过载，继而过热引起。
（3）表面炙热触发火灾。
如果风力发电机组的空气动力制动发生故障，一般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。
若发生紧急制动现象，机械制动产生的飞溅火花也能点燃远处的可燃金属，产生较高的火灾风险。
风力发电机组或其中部件的缺陷，如泄露或液压系统受污染，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。
（4）修理、安装和拆卸等工作引起火灾。
在对风力发电机组的维修中，焊接、火焰切割、磨削等工作产生的火花能产生高温，极易引起附近或远处的易燃材料燃烧。
其中，焊接、切割和磨削产生的火花特别危险，能点燃10m甚至更远处的易燃材料，许多火灾有可能在完成这些工作的数小时后爆发。
（5）风力发电机组内部存在着大量的可燃、易燃材料也是引发火灾的原因。
①机舱内部有被油污沉淀污染的隔音泡沫；
②塑料机舱罩由玻璃增强热固性塑料或玻璃钢（GlassReinforcePlastic，GRP）玻璃纤维增强塑料制成；
③液压系统（如角度调整器和制动系统）存在油污，当这些系统有任何损坏或温度偏高，液压管的高压就能导致液压油以雾状的形式被挤出，从而可导致扩散速度极快的火灾；
④齿轮箱用油和其他润滑用油（如发电机轴承、低速轴轴承处）；
⑤变压器油。
这些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。
3.4风力发电机组火灾的特点及对消防系统的不利影响
3.4.1风力发电机组火灾的特点
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、液压油、高压胶管、通风管、电气元件、电线电缆、油漆、密封材料、吸音棉、机舱罩和叶片材料等等。
这些材料的火灾危险性高，也未采取有效的防火措施，仅使用的各种油类的总量就达数百千克以上．而且运行中油渗漏污染现象严重。
风力发电机组火灾的特点如下：
（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）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。
（5）容易引起附近建构筑物火灾，诱发森林火灾和草原火灾。
（6）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。
另外，机舱和塔筒上下联通，有较多的输电电缆和控制电缆，火灾时容易通过电缆上下蔓延而难于控制；
爬梯口容易产生烟囱效应；
电缆过流引发的电气火灾，具有不易监控、蔓延速度快的特点；
刹车系统在高速制动时容易产生火花和高温碎屑，可能引燃附近泄露的润滑油和其它可燃物而酿成火灾，等等，这些复杂因素都使得风电消防困难重重。
3.4.2风力发电机组所处环境技术条件对消防系统的不利影响
风力发电机组所处环境技术条件对消防系统的不利影响如下：
（1）内部通风设备和外部环境风速形成强气流，机舱内部快速通风换气，对火灾探测器的快速响应和灭火装置的灭火效能有较大影响。
（2）工作环境的低温（-40℃以下）和高温（+50℃以上）对设备长期运行可靠性的不利影响。
（3）震动尤其是横向震动对设备安装和安全运行产生不利影响。
（4）水雾、腐蚀性气体、沙尘等恶劣气候环境对设备长期可靠运行的不利影响。
（5）机舱内强电磁场和电磁兼容性对设备运行可靠性的影响。
（6）少量的烟雾可能被大量的空气流稀释，必须择高灵敏度的感烟探测器。
（7）窄小空间内热空气分层形成热屏障效应，对探测器的设置位置和高度提出了要求。
（8）烟雾和热气流容易受密集的设备、线缆以及电缆夹层结构的阻挡，使得探测器工作效果不理想，需要在易发生火灾的设备和部位多点布置。
（9）电气设备控制柜等装置的外壳密闭性强，需要重点考虑探测器的设置。
（10）电线电缆火灾初期发热和发烟量很少，而且这些量少且温度不高的烟气的扩散能力很差，普通探测器很难探测到。
（11）变速箱和发电机等的异常高温由于快速换气不易探测。
基于上述风力发电机火灾的特点，必须以火灾预防与设备保护为主，降低火灾发生的几率，提前探测火灾发生可能，从而最大程度降低风力发电机组设备的巨大经济损失。
传统消防设备不具备预防与探测可能性，而且不能尽短时间对设备火灾进行有效控制与消灭，为此，应该针对风机火灾寻求最有效装置进行消防。
4、火探自动消防系统
火探（FIREDETECT）管式自动消防装置是消防行业的一个创新发明。
作为一套简单、低成本且高度可靠的独立自动灭火系统，它无需任何电源，无需专门的烟、温感探测器，无需复杂的设备及管线，利用自身储压，依靠一根经充压的火探管及一套火探瓶组就能快速、准确、有效地探测及扑灭火源，集报警和灭火于一体，将火患扑灭在最初阶段。
既可大幅度降低工程的造价，也可降低每次灭火的费用，并且不会对人员造成任何伤害。
采用火探装置，可由原来对较大封闭空间的房间保护改为直接对各种较小封闭空间的贵重设备进行保护。
4.1火探自动消防系统的组成
火探自动消防系统是由固定的灭火剂供给源，通过与之相连的固定的火探管来直接完成探火、输送及喷射灭火剂，从而向防护区内喷射一定浓度的灭火剂使其均匀地充满整个防护区，扑灭火灾的探火灭火系统。
火探自动消防装置如图17。
4.2火探自动消防装置的工作原理
图17火探自动消防装置
火探自动消防装置是由装有灭火剂的压力容器、容器阀及能释放灭火剂的火探管和释放管等组成。
将火探自动消防装置安装于靠近或在火源最可能发生处的上方，同时，依靠沿火探管的诸多探测点（线型）进行探测。
一旦着火时，火探管在受热温度最高处被软化并爆破，将灭火介质通过火探管本身（直接系统）或喷嘴（间接系统）释放到被保护区域。
其中，火探管是高科技领域开发的新品种，是一种高科技非金属合成品。
它集长时间抗漏，柔韧性及有效的感温性于一体，在一定温度范围内爆破，喷射灭火介质或传递火灾信号。
火探自动消防装置是将火探管直接布置在易发生火灾的电子、电气设备内，并将其直接作为火灾探测和灭火剂喷放件，利用火探管对温度的敏感性，一旦发生火灾，在160℃±
（1-2）℃（距离被保护设备1米范围内）的温度环境下几秒～十几秒钟内，靠管内压力的作用，火探管自动爆破形成喷射孔洞，将灭火剂直接喷射到火源部位灭火。
4.3火探自动消防装置分类
火探装置分为直接式和间接式两种。
直接式火探灭火系统是由贮存灭火剂的容器、开启容器的容器阀及自动探火及输送释放灭火剂的火探管等三大部分组成，其工作原理是（图18）：
火探管通过容器阀直接连接在灭火剂容器上，遇火时沿火探管上线性均布的诸多探测点就会对着火点进行探测，并在受热温度最高处发生爆破，灭火剂直接通过火探管的爆破孔释放进行灭火。
直接式火探灭火装置按贮存灭火剂种类不同可分为：
二氧化碳直接式火探灭火装置和七氟丙烷直接式火探灭火装置。
间接式火探灭火系统是由贮存灭火剂的容器、开启容器的容器阀、自动探火的火探管、输送灭火剂的释放管及喷嘴等五大部分组成。
其工作原理是（图19）：
火探管通过容器阀直接连接在灭火剂容器上，遇火时沿火探管上线性均布的诸多探测点就会对着火点进行探测，并在受热温度最高处发生爆破，利用火探管中压力的突然下降打开容器阀，灭火剂经释放管及喷嘴释放出来扑灭火源。
图18直接式火探灭火系统图18间接式火探灭火系统
4.4火探自动消防装置与传统灭火装置对比分析
（1）灭火效率：
由于直接布置在被保护机柜和设备内，保证其反应快速、准确，灭火剂释放及时对症，灭火的针对性和有效性更强，可迅速有效地探测及扑灭最初期的火灾，是一种早期灭火系统。
这跟传统固定式气体灭火系统等到火势已经很大了，才针对整个房间或大空间进行灭火的原理是一个飞跃性的进步。
（2）系统设置及成本比较：
火探灭火装置不需要设置专门的储瓶间，占地面积小。
无需电源和复杂的电控设备及管线，无需专门的烟、温感探测器。
系统只依靠一条火探管及一套灭火剂瓶、阀，利用自身储压就能将火灾扑灭在最初期阶段。
系统大大简化，施工简单，节约了建筑面积，大幅度降低了工程造价。
（3）灭火费用比较：
传统固定式气体灭火系统把较大封闭空间的房间作为防护区，而火探灭火系统只将较大封闭空间的房间里体积较小的变配电柜、通讯机柜、电缆槽盒等被保护的电子、电器设备作为防护区。
灭火剂的用量大为减少，降低了一次灭火的费用。
（4）安全及环保：
由于这种灭火系统是将灭火剂释放在有封闭外壳的机柜里，无论选用规范允许的那一种灭火剂，即使稍有毒性，对现场人员的影响也不大，危害减至最低，无须人员紧急疏散；
同时，由于灭火剂用量大大减少，减小了对环境的污染。
（5）优势：
①反应时间快，迅速将火患扑灭在萌芽状态，有效降低火灾带来的经济损失；
②无源操作。
该装置无需电源，不会因电源问题致使装置无法运行，并消除了因电子系统可能产生的干扰而影响操作功能；
③火探管是软性物，不受任何位置的影响，可伸进各种窄小和复杂易燃空间或设备；
④距离被保护物近，灭火效率高，可靠性好；
⑤设计简单、安装简便，费用低廉。
表1风电机组消防要求与火探自动消防系统特性对比表
对比项目
风电机组消防要求
火探管式自动探火灭火装置
防护对象
风力发电机组中主要火灾隐患为机舱内配电柜及齿轮箱漏油等原因。
火探管为非金属软管，可以深入机柜内部或易
漏油处进行点对点的保护。
施工
安装
由于其建造位置特殊（在高空中，空间狭小），所以要求施工简单，布线方便，没有储瓶间等任何大型设备，并且能及时察觉狭小空间内火源并第一时间探火灭火。
要求后期改造简单，不能造成破坏
安装简便，工期短
管线简单，布装方便
无需储瓶间
无需专门的烟、温感探测器，火探管（感温探测器）布置在设备或箱体内，靠近火灾危险部位
可伸进各种窄小和复杂易燃的空间或设备中
在设备正常工作状态下安装对外部环境不产生影响
维护运行
因位置特殊，无人值守，所以要求系统必须为全自动，不受各种自然因素影响切维护简便。
本系统：
无需电源、全自动操作。
火探管为非金属
管，不受油烟、灰尘、电磁干扰等影响，不会
产生误报，没有电器部件，系统维护简便。
灭火
有效性
灭火系统必须在火源出现的最初阶段灭火并发出警告，否则火势蔓延后再启动，就失去安装灭火系统的作用与意义了
将火探管布置在易发生火灾的盘柜内或油管道连接处，探测到火源后即刻释放灭火剂灭火，它是一种早期灭火系统，灭火剂释放更及时，灭火速度快
5、火探自动消防装置用于风力发电系统的可行性分析
5.1火探自动消防装置的工作特点
根据火探自动消防装置的工作原理可知，火探自动消防装置具有以下工作特点：
（1）警灭火合一，探测反应时间快，迅速将火患扑灭在萌芽状态，有效降低火灾带
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