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风力发电机专用消防系统的研究与设计

李继森，张海平，王成

（大唐集团青岛华创风能有限公司，青岛 266109）

Research and Design of Fire System for wind turbines

Jisen Li, Haiping Zhang, Wang cheng

(China Datang Group Qingdao Creative Wind Energy Co.,Ltd Qingdao 266109)

易造成巨大的损失。从风电机组消防的安全标准和国内的现状看，现在国内还没有一套完全的统一的消防标准，现在国际上的标准只是德国消防协会的标准。我国现有的风力发电机专用消防系统还比较有少，大多数的风场并没有安装风力发电机专用的消防系统，这就留下了火灾隐患。因此，设计一套适用于风力发电机的消防系统就显得尤其重要。

本文针对 1.5M 双馈风力发电机的火灾易发部位，设计了一套专用消防系统。介绍了系统的组成结构，选型依据及以及在风机上的测试效果。证明了本套系统能够及时有效地探测火灾，并将火灾消灭于萌芽当中，可以广泛的应用于风电之中。

1 风力发电机火灾易发处分析

风力发电机组设备主要包括叶轮、机舱、塔筒和基础等部分，重点预防火灾的部位如：摩擦盘、液压站、齿轮箱、发电机、控制柜、变流器、电缆等。主要的原因是电气设备运行故障，机械摩擦、雷击等。

1.1 叶轮处火灾诱因

（1）变桨电机与控制系统在长期的运行过程中容易发生机械摩擦过热。（2）控制柜通风不良导致电气元件过热击穿。

（3）调节电机故障卡死导致过流过热。

（4）液压油泄漏。

（5）叶片还容易遭受雷击引发火灾。 1.2 机舱处火灾诱因（1）在风机高速运行和持续震动的情况下，各个设备的接插件和电缆接头容易松动，接触电阻增大导致局部过热。（2）通风不良导致电气元件过热老化击穿。（3）润滑油和液压油导致对机舱设备的污染。（4）高速制动产生的过热碎片。

（5）发电机内部过热短路。

ABSTRACT : The special fire protection system for wind turbine can discover the fire and put out it in time to ensure safe operation of wind farms. The paper, depending on the characteristics of the wind turbine, designs the special fire control system. Which contain analysis of prone areas that get fire easily, as well as measures to deal with, select the types of special fire - fighting systems detectors and fire extinguishers. Fire experiments on the prototype showed that special fire systems can find the fire in time and targeted implementation of fire, so as to effectively ensure the safety of wind turbines.

KEY WORD : wind turbine

fire system fire

detection designing scheme

摘要：风力发电机专用消防系统能够及时的发现火灾并灭火，可以确保风力发电场的安全运行。本文针对风力发电机的特点，设计了风力发电机专用消防系统方案，分析了风机易着火部位，以及应对的措施，选定专用消防系统的探测器及灭火器的类型。在样机上进行的消防灭火实验表明，专用消防系统可以及时的发现火情，并有针对性的实施灭火，可以有效的确保风力发电机的安全。

关键词：风力发电机组专用消防系统火灾探测设计方案

0 引言当今时代，新能源的发展突飞猛进，风能在新能源领域占有重要的地位。随着风力发电机装机容

量及数量的增长，与其相关的问题逐渐凸显，火灾

就是其急需解决的问题之一。风电场一般远离消防

救援中心，地处偏远地带，甚至在海上，一旦风力

发电机着火，灭火难度系数大，普通的消防器材无

济于事，就算大型消防设备赶到现场，由于其机舱

距地面一般都在 70 米以上，还是难以将火扑灭。另

外，我们发现了火警如不及时处理，火灾容易蔓延，

容

收稿日期：2014.04.28

基金项目：国家科技支撑计划资助项目（2012BAA01B00）第一作者简介：李继森（1990-），男，山东潍坊人，自动化学士，主要从事风电消防系统的测试研究。E-mail :lijis e n@ccwew ind.c o m .

（6）极端恶劣的气候条件等因素。 1.3 塔筒处火灾诱因

（1）塔筒空间狭小、通气不良易导致电气元件过热老化击穿。

（2）电气设备超负荷运行，设备插接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。

2 风力发电机专用消防系统

风力发电机组消防系统主要由两部分组成，一是火灾自动探测报警系统，即探测和控制中枢系统。通过对引起风力发电机火灾的因素分析，对关键部位采用专用的探测器，及时有效的探测报警并且向集中控制器发送火灾报警信号；二是自动灭火及相关联动系统，即执行系统，针对特定的部位选用特定的灭火剂，保证减少对设备二次伤害前提下灭火。通过这两部分的互联互动，消防系统能及时发现风力发电机组的火灾隐患，并及时扑救。

（1）消防系统中的灭火装置，支持自动和手动两种启动方式。（2）消防系统的自动灭火装置符合国家消防安全相关标准。（3）消防系统的自动灭火装置的灭火介质选取符合风电相关环保标准及国家各项环保规定。 2.3 火灾报警系统网络

（1）火灾报警控制器能够通过光纤网络传输报警信号。

（2）网络具有高速的通讯速率，网络上任意一台主机报警到整个系统响应时间不大于 3 秒。（3）任一节点故障不会影响其他正常节点之间的通讯。

（4）设备可以接入网络中的任意位置。

（5）可以支持多种网络拓扑结构：星型、总线型、环行、或者混合型。

3 火灾探测器的选择

3.1 火灾自动探测装置的选择问题

（1）窄小空间内热空气分层形成热屏障效应，探测器的设置位置和高度要适当，在排风口附近应增加探测点。

（2）电气设备控制柜等装置的外壳密闭性强，可单独安装探测器。

（3）所选设备性能必须稳定可靠，易于维护管理，运行成本低。

3.2 探测器的种类：风机内常用的探测器有以下几种： 1、感烟探测器：可感知燃烧或热分解产生的固体或

液体微粒，用于探测火灾初期的烟雾并发出火灾报警信号。其特点是发现火情早、灵敏度高、响应速度快、不受外面环境光和热的影响及干扰，使用寿命长，构造简单，对人体不会有放射性伤害和使用面广等。 2、感温探测器：温感探测器工作原理主要是利用热敏元件来探测火灾的。在火灾初始阶段一方面有大量烟雾产生另一方面物质在燃烧过程中释放出大量的热量周围环境温度急剧上升。探测器中的热敏元件发生物理变化从而将温度信号转变成电信号，并进行报警处理。 3、线性感温探测器：由两根弹性钢丝分别包敷热敏材料，绞对成型，绕包带再加外护套而制成。在正常监视状态下，两根钢丝间阻值接近无穷大。由于

图 1 专用消防系统框图

2.1 火灾自动探测报警系统

（1）由火灾探测器、输入输出模块和火灾报警控制

器、操作员站组成。在火灾初期火灾探测器触发，将信号通过输入输出模块传送到火灾报警控制器，在操作员站将报警信息显示出来。

（2）风力发电机组专用消防系统的火警、故障、灭火等信号通过风电场生产控制网络传输至风电场主控室内的火灾报警控制器主机。通过声光报警报告预警或报警信息。（3）火灾报警控制器能够给风机控制系统提供一个常开的开关信号，在系统正常时为常闭状态，在发出报警信号时常闭点断开，用于主控系统报警停机信号。 2.2 灭火系统：

有终端电阻的存在，电缆中通过微小的监视电流。当电缆周围温度上升到额定动作温度时，其钢丝间热敏绝缘材料性能被破坏，绝缘电阻发生跃变，几近短路，火灾报警控制器检测到这一变化后报出火灾信号。当线型火灾探测器发生断线时，监视电流变为零，控制器据此可发出故障报警信号。根据风机的特点及各类探测器是使用条件，探测器的布置如下：

（2）由于可能发生火灾的设备和部位较多，应尽量采取全淹没灭火方式，并考虑足够灭火剂用量和流失补偿量。

（3）机舱内设备安装条件和空间有限，应尽量采用安装简便、占用空间少的无管网灭火装置和火探灭火装置。

（4）电气控制柜、变频柜等封闭设备应内置小型自动灭火装置才能有效控制灭火。

（5）灭火药剂不会对机组设备造成二次污染，容易

清理，不污染环境，不破坏大气层。

（6）所选设备性能稳定可靠，易于维护管理，运行成本低。

4.2 灭火介质的种类：灭火介质大致分为气体、液体和固态三种，由于部件的特点决定了液态的灭火介质无法在风机内使

用，下面为气体和固态灭火介质的说明。见表 2。常温下(+0 度以上)七氟丙烷的性价比和适用性也不错，但灭火时会产生氢氟酸，具有腐蚀性，对人体有明显的毒性，因此不推荐使用

4.3 灭火介质的布置：根据以上灭火介质的分类对比，机舱及控制柜内的灭火介质类型布置如下：

表 3 灭火介质分布图

表 1 探测器的布置点

4 灭火介质的选择：

4.1 灭火介质的选择问题

（1）强空气对流和开敞空间孔洞容易导致灭火药剂

的快速流失，对需要较长时间才能灭火装置不利，应选用能够快速灭火的灭火装置和灭火药剂。机舱内设备密集，空间窄小，会阻挡灭火药剂的喷放和扩散，应选用全淹没应用和局部应用能力都好的灭火装置，根据机舱内设备的运行特点灭火装置重点布置在变速箱、高速刹车盘、发电机等易发生火灾的部位。

表 2 灭火器的灭火介质的选择

风机安装的灭火系气体灭火系统固态灭火系统统（灭火剂）高压 CO 2 气体惰性气体（IG 系列）气溶胶超细粉末式工作环境温度

-10～+50℃

-40～+60o℃

机舱内部液压站及不适用，受机舱密封条不适用，受机舱密封条件限不适用，受机舱密封条适用，需要在着火点附近布置，高刹盘附近

件限制做不到全淹没

制做不到全淹没

件限制做不到全淹没

并加大灭火剂量

主控柜

适用

不适用，粉状物容易污染电气件

触点，造成触点接触不良。

变流器柜

适用

不适用，粉状物容易污染电气件

触点，造成触点接触不良。国家标准

有

其中只有 IG541 有

有

序号介质类型布置点 1 0.3kg 气溶胶机舱控制柜 2 10kg 超细干粉机舱内高刹盘附近 3

IG541 气体灭火

塔底柜

序号探测器类型布置点 1 红外火焰探测器机舱 2 智能感烟探测器机舱控制柜 3 智能感温探测器机舱控制柜 4 智能感烟探测器塔底柜 5 智能感温探测器塔底柜 6 智能感烟探测器机舱 7 智能感温探测器机舱

线性感温探测器

塔筒电缆扭缆部位

5 消防系统测试

以 1.5MW 双馈风机为模型，主要针对机舱内部件搭建消防系统，模拟机舱着火环境，对消防方案进行了验证。 5.1 传感器布置。

要实现对机舱的火灾监控，需要做到感烟探测器与火焰探测器配合使用，这样才能更加有效的发现火情并及时控制。

感烟探测器使用吸气式感烟探测器，可以主动的将烟雾吸到探测器中，这样避免了由于机舱的空气流动将火灾初期的烟带走，使控制系统更加灵敏。火焰探测器置于机舱顶部，对于小火苗的检测非常有效。可以在第一时间发出报警信息。 5.2 灭火器的布置。

机舱内采用超细干粉灭火器，灭火的瞬间，可以使超细干粉充满整个机舱，隔绝火灾周围的空气达到灭火的效果。 5.3 进行实验

在机舱内部模拟液压站起火，点火后几秒钟，火焰探测器首先探测到火焰，接着感烟探测器探测到烟。控制器马上报警，紧接着超细干粉喷射出干粉，瞬间充满机场，将火扑灭。如图 3 所示 5.4 测试结果

风力发电机专用消防系统可以及时的发现机舱内火源，并且发送报警信号，进而自动触发超细干粉灭火器，将火灾控制住。超细干粉灭火器适用于机舱灭火，风力发电机专用消防系统能有效的确保了风力发电机安全运行。

图 3 超细干粉灭火器灭火效果

6 结语

本消防系统是针对大型风力发电机组的具体构造设计的，设计包括两部分，一是火灾自动探测报警系统，实现对火灾的探测功能；二是自动灭火系统，针对特定部位使用特定的灭火剂，完成对火灾的控制。该系统已经应用于风电场中，对于风电场反馈的问题还在不断改进。

参考文献

[1].徐大军，张晋，刘连喜，马建民.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,2010.12：第 9 卷第 12 期 1081-1082. [2]吕贵龙，张宇，邵鹰.消防安全保护系统在风力发电机组中的应用 [J]. 电力与能源,2012.10.第 33 卷第 5 期：471-473.

[3]张立志，胡星.风电机组自动消防系统研究[J].风能，2012.9：91-93.

图 2 模拟液压站起火