风电机组机舱自动灭火装置布设探讨及验证

摘要：以风电机组应用日趋广泛且在配置了自动灭火装置后火灾仍时有发生为背景，通过分析风电机组本身结构特点和现有自动灭火装置的特性，结合风电机组机舱内部结构、设备布局等工况条件和相关标准，提出了适合风电机组机舱使用的自动灭火装置类型及合理布设方式，并制作模型样机进行试验验证。结果表明，本文提出的自动灭火装置布设方案能够更有效、彻底地扑灭风电机组机舱上部与下部各部位出现的火情。

“十四五”期间，根据国家规划和相关报道，预计全国陆上与海上风电合计新增有网时间225GW以上（年均新增陆海风电装机45GW以上）。其中，195GW以上的陆上风电新增（年均新增39GW以上）和30GW以上海上风电新增（年均新增6GW），可再生能源大比例接入趋势明确。届时，风电将占全国电力装机容量的12.8%，其所占份额已由“微不足道”增长为“举足轻重”。

随着风电行业的大力发展，风机数量越来越多，给国家和社会带来便利的同时，其火灾风险的增加也给风电行业的发展造成了一定困难。值得一提的是，由原公安部天津消防研究所主编、由中国工程建设标准化协会批准的CECS391:2014《风力发电机组消防系统技术规程》中明确要求风电机舱及控制柜等部位配置自动灭火装置，其中机舱宜配置干粉灭火装置。但该标准实施以来，风电火灾事故仍时有发生。因此，仍有必要对风电机舱灭火装置的选型、布设等进行研究。

1、风电机舱消防灭火现状分析

1.1风电机舱内部结构

风电机组机舱分为机舱上部和机舱底板平具下部两个部分，基本内部结构如图1所示。机舱上部主要由主轴、齿轮箱、发电机、控制柜等组成；机舱底板平具下部主要由偏航驱动、动力电缆构成。1.5MW风电机舱罩尺寸约为9

800mm◊5000mm◊4500mm，体积约为220.5m³，其中机舱上部净空间约为80-100m³。其机舱外形呈长筒状，内部结构紧凑、遮挡多、死角多。

1.2风机机舱现常用干粉灭火装置

新建风电机组配置自动灭火装置已成硬性要求，对于已运行的风电机组也要求进行相应消防改造，逐步增加消防自动灭火装置的配置。目前风机机舱最常用的自动灭火装置为非贮压悬挂式5具干粉灭火装置（如图2）。

图2 非贮压悬挂式干粉灭火装置

1.2.1干粉灭火装置在风电机舱配置数量

国家固定灭火装置与耐火构件质量监督检验中心对非贮压悬挂式超细干粉灭火装置的灭火效能有明确要求，灭火浓度为应不低于100g/m³，出具的型式检验报告中对各单位送检的超细干粉类装置全淹没灭火的最小灭火浓度也有具体试验参数记载。根据CECS322-2012《干粉灭火装置技术规程》要求设计计算，可得出1.5MW风电机舱内部配置非贮压悬挂式5具超细干粉灭火装置进行全淹没灭火应配置2-3具，由于机舱内部遮挡、死角较多，为了确保消防安全，该类装置在1.5MW风电机舱内使用时，一般需配置4~6具才能解决该机舱的消防问题。因此，在实际1.5MW风机应用中，机舱也是配置了4~6具非贮压悬挂式5具超细干粉灭火装置，但这也带来了成本增高、后期清理困难、对机舱内部设备的影响和损害较大的问题。

1.2.2干粉灭火装置在机舱内部的安装

目前超细干粉灭火装置在风电机舱使用时，一般是安装在机舱顶部，喷口向下进行灭火剂喷射灭火。以1.5WM机舱为例，5具非贮压悬挂式干粉灭火装置均被安装在机舱顶部，喷口朝下。机舱顶部离机舱中部隔板约3m，机舱中部隔板距下部高约1.5m，且机舱内部结构紧凑，遮挡物多，机舱上部与下部被隔板分割，开口面积小造成联通不畅。若机舱下部发生火情， 由于5具非贮压悬挂式干粉灭火装置在机舱上部喷放，喷出的灭火剂大量飘落在机舱上部设备和上、下层隔板上，难以到达机舱下部，可能导致机舱下部火情无法扑灭。

1.3风电机舱干粉自动灭火装置设置原则：

通过以上对机舱结构、干粉灭火装置喷放特性的分析，自动灭火装置在机舱的设置应遵循一下原则：

（1）灭火装置喷口应横向设置；因机舱为长筒状，灭火装置横向喷放，灭火剂喷射分散及扩散运动过程与机舱本身结构形状相适应，有利于灭火剂快速扩散到机舱全部空间；

（2）提高灭火装置喷放强度和喷射距离；机舱一般长为8~10m，且内部结构紧凑，遮挡多，死角多。提高灭火装置喷放强度和喷射距离，则可使灭火剂绕过遮挡，到达死角，迅速弥漫整个机舱空间，以提升灭火效果，达到全淹没灭火目的。对于非贮压式干粉灭火装置而言，提高喷放强度和喷射距离要求驱动装置要动作更快、驱动干粉的气体量更大。

（3）灭火剂喷放时间短；风电机舱为非完全密闭空间，且本身有通风换气系统。发生火情后，灭火装置必须将灭火剂快速喷放出来，使防护区内的灭火剂浓度第一时间到达其设计灭火浓度，完成灭火。否则，灭火剂泄露、沉降等作用可能导致灭火失败。

（4）装置内灭火剂喷放剩余率要小；发生火情时，灭火装置应将其装填的灭火剂最大化的喷射到防护区里，以保证灭火装置的灭火效率。由于灭火装置喷口横向布置时，不利于灭火剂喷出，设计与使用人员应充分考虑这一点。

笔者在实践中已经注意到，非贮压悬挂式干粉灭火装置若喷口横向安装，则在装置启动后，由于装置本身喷口细，罐体粗等原因，灭火剂的剩余率常远远大于《干粉灭火装置》XF602-2006中6.6.1规定的5%。这有可能导致5具5kg非贮压悬挂式干粉灭火装置在1.5MW风电机舱使用时仍不能保证可靠灭火成功。

2试验研究及验证

为了确保风电机舱灭火装置设置的合理性，我们参照生产厂家风电机舱实物模型，设计并加工了750kW风电机组机舱，并建立了风电机组火灾模拟试验研究装置。为了更加逼真的模拟机舱内部空间结构，试验装置内安装了机舱座、主轴、齿轮箱刹车盘和发电机等实体结构单元。同时在模拟机舱前部设置了13000m³/h的轴留流送风风机，并安装了6000m³/h的轴流排风风机，以便与机舱实际工况环境相一致。利用该模拟试验机舱，我们使用5具5kg非贮压悬挂式超细干粉灭火装置进行了灭火对比试验。

2.1灭火试验模型

试验所用750kW风电机舱及灭火装置设置情况如图3所示。

图3中，H1~H13为着火点火灾模型，机舱顶部安装4具非贮压悬挂式5kg超细干粉灭火装置，试验开始180s后，同时启动装4具灭火装置，对整个机舱实施全淹没灭火。

2.2喷口横向设置灭火装置样机

为了与常规顶部悬挂的传统非贮压悬挂式干粉灭火装置进行对比试验，我们专门设计了喷口可以水平布置的灭火装置，其样机见图4。

为了使该装置能够具有喷射时间短、强度大、距离长的特点，我们将驱动灭火剂的产气药量加大到200g，同时将自动灭火装置设计为直筒型，尺寸为Φ159400mm，灭火剂装填量为3具常规5kg干粉灭火装置的用量，即15kg。在装置内部（灭火剂与推动剂之间）设计了滑环结构，在自动灭火装置启动后产气药产生的气体推动滑环，滑环推动干粉灭火剂喷出。

经过空喷测试，该自动灭火装置在启动后0.5s内可以将干粉灭火剂喷完，且罐体内剩余率小于5%，喷射距离能够达到6-8m，宽3-5m，与试验机舱尺寸相匹配。

该试验样机灭火剂喷出后在机舱内的覆盖和预测灭火区域如图5所示。

2.2.2灭火实验验证

第一次试验：使用4具5kg非贮压悬挂式干粉灭火装置，在机舱顶部悬挂布置，装置启动后，4具灭火装置同时喷放灭火剂，机舱上部模拟火源全部扑灭，但机舱隔板下部模拟火源并未熄灭。

第二次试验： 第二次试验采用我们自己设计的水平布置的灭火装置样机进行。根据图5所示的空喷情况，单具灭火装置无法全部扑灭机舱全部模拟火源，因此，试验采用2具样机进行灭火试验，灭火装置及模拟火源设置如图6所示。

试验开始180s后，同时启动2具干粉装置样机，对整个机舱实施全淹没灭火，机舱上部与机舱隔板下部模拟火源均瞬间熄灭。

3结论

本文通过广泛调查，分析了风电机组机舱结构特点及自动灭火装置配置、安装现状，建立了风电机组机舱自动灭火系统试验模拟装置，并对灭火装置及安装布置方式进行了改进设计，通过与传统干粉装置及其顶部悬挂设置的情况进行对比试验，得出以下结论：

（1） 风电机舱内部结构紧凑，遮挡物多，死角多的特点对风电机舱自动灭火装置全淹没灭火影响极大。在自动灭火装置启动后，灭火剂无法快速绕过障碍物到达死角，形成全淹没灭火，特别是机舱下部舱室的火灾不易被扑灭。

（2） 5具5kg传统非贮压悬挂式干粉灭火装置悬挂在机舱顶部，依然不足以保证1.5MW风电机舱火灾的可靠熄灭，这可能是近年来风电机舱火灾时有发生的原因之一。

（3） 传统非贮压悬挂式干粉灭火装置如果横向安装设置，启动后罐体内的干粉灭火剂难以全部喷出，剩余率远超5%的标准要求。故传统非贮压悬挂式干粉灭火装置不宜横向安装。

（4） 针对风电机舱这一特殊防护场合的特点，其自动灭火装置应能横向安装布置，同时灭火装置应具有喷放速度快、喷放强度大、喷射距离长的特点，这样有利于提高风电机舱的灭火效率。

（5） 本文改进设计的直筒型灭火装置驱动元件气体生成量大，启动迅速；灭火剂喷射强度大、距离远、喷放后的剩余率低；而且便于横向安装布置，特别适用于风电机舱使用。

参考文献

[1]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.

[2]DIN EN 5308-2005,风力发电机组防护措施的设计、操作和维修要求[S] .

[3] CECS391:2014；风力发电机组消防系统技术规程[S] .

[4]NF PA 850-2010,发电厂和高压直流转换站的防火推介规程[S] .

[5]DL/T 5383-2007,风力发电厂设计技术规范[S] .

[6]CECS322-2012，干粉灭火装置技术规程[S].

[7]施跃文，高辉，陈钟.国外特大型风力发电机组技术综述[J].电网技术，2008，9（18）：87-91.

[8]叶航冶，风力发电机组的控制技术[M]，北京：机械工业出版社2009.

[9]张晋,徐大军,刘连喜,等.风力发电机组火灾特性与消防系统试验研究[J]. 消防科学与技术, 2011, 30(7):4.

[10]张小青.风电机组防雷与接地[M].北京：中国电力出版社，2009.