淺析高壓細水霧自動滅火系統在海上升壓站的應用

文 | 宋慧慧，杭兆峰

隨著我國的海上風電事業從灘涂走向近海，從近海走向深藍，海上升壓站越來越成為每一個海上風電項目的標配。作為整個海上風電場的電能匯集地，海上升壓站不僅需要配備常規的一、二次設備，還需要為抵抗海洋高鹽腐氣候的侵蝕配備站內新風系統并建立微正壓環境以確保各系統的長期穩定運行。系統越復雜，消防安全就越難得到保障。從國內第一座海上升壓站選擇高壓細水霧作為其消防方式開始，目前為止幾乎所有的海上升壓站都采用了這種方式。然而據了解，有些項目一直沒有將這套高壓細水霧系統真正投入使用或者沒有設置在自動模式。究其原因，無非是擔心其可靠性，怕發生誤動影響海上升壓站的正常運行。本文以具有較高代表性的丹佛斯高壓細水霧系統為例，論述了它的組成、原理、特點以及防止其誤動發生的兩種方法，以期為該系統在海上升壓站的推廣應用提供一定的技術支持。

工程概況

華能如東300MW海上風電場工程位于江蘇省如東縣近海八仙角海域，離岸23km，海底地形變化較大，存在較深潮溝，場區高程在-18.6-0.6m之間，風電場形狀呈不規則四邊形，海域東西長約10km，南北寬約8km，規劃面積約為82km2（詳見圖1：風電場布置圖）。

圖1 風電場布置圖

本工程總裝機容量為300MW，配套設置2座110kV海上升壓站、1座220kV陸上升壓站及1個如東現場生產管理中心，所有的電能通過海上升壓站升壓匯集后通過110kV海底電纜送到陸上升壓站升壓到220kV后送到外部電網。

兩座110kV海上升壓站（分別設于南區和北區）采用包括上部組塊和下部結構的布置模式。下部結構為導管架型式，上部組塊完成建造與安裝調試后，整體運輸至海上完成安裝工作。

南區和北區110kV海上升壓站上部組塊布置基本相同，共三層布置。

一層布置工具間、備品備件間、救生裝置、事故油罐等設備并兼為電纜層，35kV和110kV海纜通過J型管穿過本層甲板，然后采用電纜橋架敷設。根據甲板層的設備高度以及本層作為結構轉換層的功能要求，層高為6.5m。

南區和北區二層中間布置主變室和GIS室，主變散熱裝置和本體分開布置，南區和北區還都布置有40.5kV開關室、接地變室、配電室和暖通機房；南區GIS室左側布置水泵房，對側布置低壓配電室；北區GIS室左側設置蓄電池室、電抗器室和柴油機變壓器室，對側布置避難室；二層層高5.0m。

南區和北區三層中間為主變室和GIS室區域上空，另外還布置有通信繼保室、中控室、暖通機房、柴油機房和油柜等。南區GIS室上空左側布置有蓄電池室；北區GIS室上空左側布置油柜室，水泵房布置在暖通機房對面；三層層高4.5m。

所有房間或區域被分割成不同的防火分區，采用煙感及溫感一體的探測傳感器進行布防，如果探測到火情則立即由火災報警系統觸發該防火分區高壓細水霧系統的區域閥箱，打開該閥箱內電動閥，高壓細水霧系統隨即啟動并滅火。

高壓細水霧系統的組成及工作原理

高壓細水霧系統是由高壓泵組（包括高壓主泵、高壓備泵、穩壓泵、控制柜）、補水增壓裝置（進水電磁閥、過濾器、調節水箱等）、區域閥組、不銹鋼管路、高壓噴頭（包括開式、閉式噴頭及微型噴嘴）、噴槍及其配件等組成（詳見圖2：高壓細水霧系統示意圖、圖3：高壓細水霧系統圖）。

圖2 高壓細水霧系統示意圖

圖3 高壓細水霧系統圖

將海上升壓站內的設備按照布置或功能劃分成若干獨立的防火分區，每個防火分區配置一套區域控制閥組，該閥組由系統控制閥、電動閥、系統供水出水高壓球閥、壓力開關、壓力表及連接管道等組成。如圖4所示，①進水閥與細水霧主管網相連，正常情況下處于開啟狀態，高壓細水霧自動滅火系統在工作狀態下，從泵組出口至每個區域控制閥箱內電動閥前的管網內壓力一直維持在1.0MPa至1.2MPa之間，當管網壓力低于系統設定的啟動壓力1.0MPa時，穩壓泵啟動，維持壓力的穩定。當某個防火分區的區域閥箱內電動閥接收到來自火災報警系統的火警信號后會自動打開，此時管網壓力下降。當壓力低于系統設定的啟動壓力1.0MPa時，穩壓泵啟動，穩壓泵運行超過10s后如果壓力仍然達不到1.2MPa，則高壓主泵啟動，同時穩壓泵停止運行（注意：這里在高壓主泵啟動之前，主管網水流已經通過①進水閥、③電動閥和⑦出水閥到達火災發生區域，只是由于壓力、流量都較小而沒有形成細水霧效果。此時的⑥壓力開關已經感知到水壓并將開關量信號反饋給火災報警系統）。高壓泵組啟動后，管網壓力將達到10MPa以上，水流通過不銹鋼管路輸送至著火區域噴頭后經霧化形成高壓細水霧，將著火區域快速、完全地覆蓋在細水霧環境中，通過快速降溫及隔絕空氣的手段，達到滅火的目的。

圖4 區域閥箱內開關、閥門布置圖

高壓細水霧系統的特點

安裝簡便——系統管路管徑不超過DN50；

節省空間——只需要很小的空間來安裝泵組；

安全、環保——以水作為滅火劑，對環境友好；

高效——迅速降溫、窒息滅火；

即時噴放——無須預警時間；

凈化作用——有效除掉煙霧中的顆粒及腐蝕性物質；

水漬損失小——用水量只有傳統噴淋系統的5%-10%；

免維護——不用定期更換或檢測藥劑。

高壓細水霧系統的設計

一、設計參數

見表1。

表1 系統基本設計參數

二、高壓細水霧系統主要設備選型

高壓細水霧系統主要由制造細水霧的噴頭、中間控制的區域閥箱以及產生動力的高壓泵組組成。

（一）噴頭選型

根據保護對象的火災危險性及空間尺寸選用高壓細水霧噴頭，噴頭的安裝間距不大于3.0m，不小于1.5m，距墻不大于1.5m。

（二）泵組選型

根據流量需求和壓力需求的計算結果，結合高壓細水霧泵組的自身性能參數，選配適當型號及數量的主泵作為高壓細水霧系統的動力源。

1.流量需求

海上升壓站劃分為若干防火分區后，分別按照實際情況與已取得型式試驗報告的模型進行對比，計算出每個防火分區滿足高壓細水霧滅火所需的流量需求。例如本海上升壓站最大防火分區為主變室，根據J10872-2006細水霧滅火系統設計、施工及驗收規范的要求，滿足主變室滅火時的流量需求即滿足了本海上升壓站所有防火分區滅火的流量需求。為安全起見，該數值的選取還要把最大防火分區的流量需求乘以安全系數1.05（1.05倍是根據J10872-2006細水霧滅火系統設計、施工及驗收規范3.4.1第3條的要求），最終的計算結果即作為本海上升壓站消防系統所需流量的設計依據。

2. 壓力需求

系統工作壓力按照最不利點進行計算，計算公式采用Darcy-Weisbach（達西-魏斯巴赫）公式。根據達西公式，當不可壓縮粘性流體在粗糙管內定常流動時，沿管的壓強降表達式：

公式中：l為管長；d為管徑；l/d稱為幾何因子；V為管內平均速度；V2/2g為速度水頭；λ為沿程摩阻系數，λ并不是一個確定的常數，一般由實驗確定。一般情況下，λ與雷諾數Re以及管壁相對粗糙度△/d有關，即λ＝f（Re,△/d），但對于圓管層流運動，λ僅與流態有關，λ＝f（Re）＝64/Re。該式適用于在任何截面形狀的光滑或粗糙管內充分發展的層流和湍流流動，在工程上具有重要意義。其計算結果即作為海上升壓站消防系統所需壓力的設計依據。

高壓細水霧系統的可靠性分析

按照原廠的設計思路，為保證高壓細水霧系統的動作可靠性，高壓泵組啟動的判據為：管網壓力低于1.0MPa后穩壓泵啟動10s，管路壓力仍然達不到1.2MPa，則啟動高壓泵組將管網壓力加壓至不低于10MPa，壓力達不到則繼續啟動后續泵組。在沒有人為干預的情況下，直至水箱消防水耗盡，泵組才停止工作。

有兩種情況會導致高壓細水霧泵組誤動：

一、泵組出口至區域控制閥組之間的管網（主管網）漏水

這種管網分布錯綜復雜，且接口采用焊接形式，施焊水平的高低將直接影響管網質量，且圓形鋼管利用超聲波檢測探傷的準確性并不高，雖然在出運前都已做過保壓試驗且合格，但在整個海上升壓站發運及吊裝過程中管路不可避免會產生變形，且焊接時產生的應力需要較長時間才能得到有效釋放。所以在海上升壓站就位固定后，高壓細水霧管網并不是完全可靠的。一旦漏水，壓力降低后，穩壓泵啟動10s后主管網仍然達不到1.2MPa壓力則啟動主泵，壓力越大漏水越猛烈，而泵組將持續啟動直至水箱中的水噴完為止。這將很可能造成次生災害，嚴重影響海上升壓站的安全穩定運行。

二、管網壓力檢測裝置故障

整個高壓細水霧系統的動作完全取決于此管網壓力檢測裝置反饋的數據（圖3中的壓力變送器），如果此壓力檢測裝置發生故障，在管網正常壓力的時候顯示為壓力低，穩壓泵就會啟動，啟動10s之后如果反饋的壓力仍然低就會使高壓泵組發生誤動。雖然高壓泵組啟動后安全泄壓閥會動作，但高壓泵組會持續工作直到獲得人為干預信號為止。長時間運行很可能導致泵組絕緣損壞。

防誤動改進方法

針對高壓細水霧系統發生誤動的兩種情況，為消除或降低其發生的可能性，提出兩種改進思路。

一、與火災報警系統進行信號關聯

火災報警系統在檢測到火災發生后，除了發出信號打開相應區域閥箱電動閥之外，增加一個火災觸發信號給高壓細水霧主控制器（PLC）。PLC觸發主泵啟動的必要條件除了“管網壓力低于1.0MPa后啟動穩壓泵運行超過10s仍然達不到1.2MPa”這一條件外，增加火災報警系統發出的火災觸發信號，可以避免在沒有火災的情況下因為管網漏水或壓力變送器故障導致系統誤動。另外，如果沒有火災報警信號，在穩壓泵啟動10s后管網壓力仍然達不到1.2MPa的情況下，應停止穩壓泵的運行，并向控制系統發出錯誤報警信號等待運維人員到場解決。

二、與區域閥箱內的壓力開關反饋信號關聯

高壓細水霧區域閥箱內電動閥后面的壓力開關（流量開關）會在電動閥動作后接收到水流壓力并發出開關量信號，這個信號會反饋給火災報警系統（僅作為火災報警系統的一個動作反饋），但并不反饋給高壓細水霧系統自帶的主控系統。如果將此壓力開關動作信號同時反饋給高壓細水霧系統的主控制器（PLC），并將其作為觸發主泵運行的必要條件，將能排除泵組誤動的兩種可能。另外，在沒有收到壓力開關反饋信號的情況下，在穩壓泵啟動10s后管網壓力仍然達不到1.2MPa時，應停止穩壓泵運行，并向控制系統發出錯誤報警信號，等待運維人員到場解決。

三、兩種改進方法的比較

見表2。

表2 防誤動兩種方法對比

總結

高壓細水霧滅火系統是目前比較適合海上升壓站使用的高效滅火系統，其不但滿足了海上升壓站體積小的要求，且該系統具有免維護、環保等諸多優點。如再將其可靠性進行一定提升，消除可能發生誤動的機會，必將使高壓細水霧系統更適合未來海上升壓站對消防系統的要求。本文從華能如東300MW海上風電工程入手，結合工程實際情況，闡述了高壓細水霧系統在海上升壓站的應用、組成及其工作原理，也創新性地提出能夠有效杜絕因管網破裂和壓力傳感器故障而導致的高壓細水霧系統誤動的兩種解決方案，希望能對相關從業人員起到一定的借鑒作用。

攝影：劉富卿