風力發電機組典型火災原因分析與消防系統

摘 要：文章通過研究幾例風力發電機組典型火災事故，按照火災發生部位進行分類對風機火災事故的發生原因進行分析，闡述了風電機組專用消防系統的構成和工作原理。

關鍵詞：風力發電機組；火災；消防系統

1 引言

中國風能資源豐富，大力發展風力發電對調整能源結構、保障能源安全、應對氣候變化、促進經濟社會可持續發展具有重要意義。近年在國家一系列政策的推動下，風電裝機容量迅速增長，風電裝備制造業也快速發展。2011年我國并網風電超過50GW，當年并網14.5GW，均穩居世界第一。隨著大批量各種型號的風電機組投運和運行時間的增加，各類事故頻發，其中火災事故占有相當大的比例，多造成風電機組全部燒毀，給企業帶來巨大的經濟損失。

2 風電發展現狀介紹

根據全球風能理事會最新數據顯示，1996年至2011年間全球風電年新增裝機容量從1996年的1280MW增至2011年41236MW，全球風電累計裝機容量年復合增長率為25.86%，累計裝機容量1996年6100MW增至2011年238，351MW。可以看出全球風電累計總裝機容量逐年穩步增長。

2012年3月，中國可再生能源學會風能專業委員會正式公布《2011年中國風電裝機容量統計》。2011年中國（不包括臺灣地區）新增安裝風電機組11409臺，裝機容量17630.9MW，累計安裝風電機組45894臺，裝機容量62364.2MW，年增長39.4%。2012年6月，中國并網風電5258萬千瓦，取代美國成為世界第一風電大國。

風力發電是利用風能來發電，而風力發電機組（簡稱風電機組）是將風能轉化為電能的機械。風電機組主要由葉輪、傳動系統、發電機、控制系統、偏航系統、塔架與基礎等部分組成。風電機組基本結構見圖1所示。

圖1 風力發電機組結構圖

3 風電機組典型火災事故

隨著風電產業迅猛發展，投運風電機組數量高速增加，風電機組火災事故的發生數量也越來越多。火災不僅給風機帶來毀滅性的破壞，如果附近的草原或者林場連帶點燃，將會帶來更大的經濟損失和社會風險。風機往往安裝在距離地面幾十米甚至百米以上的高空，一旦發生火災，在地面進行滅火顯然不切實際。美國風機協會有一項統計，在風力發電行業中，火災在保險索賠中占有7%的份額，同時造成9%的保險損失。以下是幾例風電機組典型火災事故。

3.1 2010年2月8日賀蘭山某風電場，運行人員在值班室監控計算機上發現 #2線路#16風機報Manual brake故障，20分鐘后該條線路其他三臺風機通信中斷。半小時后值班人員到現場確認風機已經倒塌起火，隨后采取滅火措施及相鄰風機斷電措施。本次事故的原因是發電機故障引起主開關跳開（變頻器記錄缺相），觸發安全鏈動作，變槳蓄電池電量不足，無法順槳停機，造成超速和振動。在振動及超速的聯合作用下，一只葉片空中解體飛出，進一步加大了振動及載荷。在巨大的振動及載荷的持續作用下，塔筒倒塌，齒輪箱油漏出，與剎車盤等高溫發熱部件接觸起火。

3.2 2011年4月西北地區某風電場#23風機通訊中斷，經過兩次連接無法恢復通訊后，風電場檢修人員馬上開車到達現場，發現#23風機著火。當時風機已停止轉動，機艙及一只垂直向上的葉片在燃燒，同時發現一葉片已收槳，燃燒的葉片未收槳，另一葉片未收槳。因風機正在燃燒，無法靠近箱變斷開電源，通過遠程控制將35KV線路所有風機停機。風電場迅速撥打119進行火災報警，同時風電場人員與風機廠家人員在安全范圍外設置了警戒線，并設專人在路口把守，防止人員受到傷害。消防人員到達現場后，因消防設備噴水揚程無法達到風機著火點高度，放棄撲救工作。垂直向上燃燒的葉片在燒斷后，掉落地面燃盡。另兩只葉片根部灼燒。本次事故的直接原因是變槳控制系統程序存在嚴重缺陷，導致槳葉未收槳，高速剎車系統長期工作線路過熱老化產生火源，造成風機整體燒毀。間接原因是主控系統蓄電池檢測程序存在嚴重安全隱患，剎車系統和機艙罩殼存在嚴重防護和火災隱患。

3.3 2011年6月東北地區某風電場一風機報警“Manual break”（手動剎車），檢修人員到達風機后后發現風機機艙冒煙，機艙、輪轂及垂直向上的葉片在燃燒，三只葉片均已收槳。火焰全部熄滅后統計的事故損失為：機艙燒毀、三只葉片根部燒損、其中一只葉片燒損嚴重、輪轂外殼燒毀、第三節塔筒過火。本次事故的直接原因是主控柜通往通訊滑環的400V AC 電纜因磨損導致電纜短路、引燃電纜，產生火源，進而將機艙內可燃物引燃，造成風機整體燒毀。

4 風電機組火災特點及原因

風電機組發生火災的特點為：可燃物種類多，火災載荷密度大；火災種類多，極易發生電氣火災、固體火災和液體火災；通風換氣迅速，火災蔓延速度快；設備價值高，火災損失大；火災撲救難度大。

風電機組容易發生火災的部位和設備如下：

5 風電機組消防系統

由于風電機組獨特的結構、安裝的地理位置及其工作環境等多方面原因，傳統的消防系統已經不能滿足風電機組消防要求。綜合考慮風電機組容易發生火災的部位、滅火劑與滅火系統、火災探測器及控制策略等因素，需要采取有針對性的防火措施，開發風電機組專用消防系統，并不斷進行優化與集成。

風電機組專用消防系統應能滿足以下要求：做到智能監測、智能防護，自動控制，無需人員值守；做到及早發現火情，實現多級預防；消防報警系統與自動滅火系統聯動及時有效；傳感器、滅火設備設施滿足機組運行環境的要求；能夠實現高速滅火，防止事故進一步擴大造成重大經濟損失；設備設施性能穩定可靠，能長期運行，運行成本低。

風電機組消防系統一般包含以下裝置：溫度傳感器、煙霧傳感器、火焰探測器、空氣采樣探測器、滅火介質、消防系統控制盤、通信系統。煙霧傳感器可用于風電機組所有位置，用以監測輪轂、機艙、塔筒等處的煙霧濃度，將濃度變量轉換成有對應關系的輸出信號傳輸至控制盤，繼而通過通信系統至風電場主控。同理，溫度傳感器、是將以上位置的溫度信息傳送至風電場主控。火焰探測器、空氣采樣探測器能實時監測空氣中是否存在火焰以及空氣采樣的信息。以上傳感器等元器件一般安裝在監測對象附近，在火災早期就起到監測作用。滅火介質的選取也很重要，應盡量選擇無殘留、無腐蝕、無導電性能的材料，同時還需滿足風電機組運行的環境條件，如溫度、天氣、設備密封性等。適用于風電機組的滅火藥劑一般選取高壓二氧化碳、惰性氣體（如七氟丙烷、氮氣、氬氣等）、細水霧（添加少量的防復燃藥劑）和泡沫液等。

目前主流的風電機組消防系統分為兩類，全淹沒式和半淹沒式兩種。全淹沒式消防系統將風機組機艙視為一個密閉空間，若發生火災，滅火介質迅速充滿機艙，達到滅火功能。半淹沒式消防系統與之不同，是在風機組機艙重點防火部位設置消防設備設施，進行重點保護。半淹沒式消防系統又可分為直接式和間接式兩種。在防護空間內發生火災時，直接滅火系統的火災探測管將會在正對火情的位置破裂出隱形噴射口，滅火介質將通過噴射口直接噴射到火情位置，從而在極短時間內消滅火源，實現極早期火情探測和極早期滅火。極早期火災發生時，火災探測傳感器會將火情信號傳遞到火災聲光報警裝置及風電場控制中心，風電場控制中心接到火災信號后可以采取相應保護動作和措施。間接滅火系統在探測到防護空間發生火災后，控制系統接收到火災信號后打開滅火介質存儲設施開關，滅火介質將通過布置在重點防護部位的噴射口進行有效的滅火。間接滅火系統同樣可以將風機組火災信號傳送至風電場控制中心，以便進行下一步滅火措施的開展。

6 結束語

風機的火災隱患是全球風電行業共同面臨的難題，與國外陸續出臺相應的強制規范標準相比，國內在此項工作方面尚有很大差距。但隨著風電機組的單機容量的增加，經濟價值也相應增加，風電制造商和運營方也逐漸認識到自動消防系統應用在風電機組的必要性和緊迫性。

參考文獻

[1]李俊峰等.2012中國風電發展報告[M].中國環境科學出版社.2012年.

[2]楊旭坤.風力發電機組火災危險性及防范措施[J].消防技術與產品信息.2011（5）.

[3]曹勇兵.風力發電機組火災原因分析及對策[J].消防技術與產品信息.2011（7）.

[4]尋征軒.自動消防系統在風力發電機組中的應用[J].上海電機學院學報.2010（2）.

[5]徐大軍，張晉，劉連喜，馬建民，高云升，彭燕華.風力發電機組火災特性與消防系統應用研究[J].消防科學與技術.2010（12）.

作者簡介：劉卿（1974.12- ），女，河北省石家莊，本科學歷，注冊安全工程師，安全評價師，河北建投新能源有限公司安全監察部工作，研究方向：風力發電運營安全管理。