許 鋼,許 崢,袁金霖,駱育真
(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江省杭州市 311122)
近年來,海上風(fēng)電增長(zhǎng)勢(shì)頭良好,根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)(GWEC)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2019年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量6.1×106kW,累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到2.914×107kW,比2018年增長(zhǎng)了35.5%。2015~2019年,全球海上風(fēng)電市場(chǎng)年均增長(zhǎng)近16%。[1]
全球海上風(fēng)電發(fā)展前景及趨勢(shì):全球風(fēng)能理事會(huì)(GWEC)近日發(fā)布的《2021全球海上風(fēng)電報(bào)告》中指出,在過去一年中,全球海上風(fēng)電裝機(jī)保持穩(wěn)定增長(zhǎng)勢(shì)頭,2020年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量6.1GW,比2019年的6.24GW略有降低,但GWEC預(yù)計(jì)2021年將是全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量創(chuàng)紀(jì)錄的一年。GWEC預(yù)測(cè),到2030年,全球海上風(fēng)電將新增裝機(jī)容量205GW。
中國(guó)海上風(fēng)能資源豐富,5~25m水深、50m高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力具備2億kW的開發(fā)潛力,5~50m水深、70m高度具備5億kW的開發(fā)潛力,另外,近岸潮間帶、深遠(yuǎn)海也具備較為豐富的風(fēng)能資源。根據(jù)《2021全球海上風(fēng)電報(bào)告》,我國(guó)在2020年實(shí)現(xiàn)了3GW以上的海上風(fēng)電新增并網(wǎng),連續(xù)第三年成為全球最大的海上風(fēng)電市場(chǎng)。
我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展前景:“十三五”以來,我國(guó)海上風(fēng)電快速發(fā)展,截至2019年底,累計(jì)并網(wǎng)容量593萬(wàn)kW,提前一年完成規(guī)劃目標(biāo)。
“十四五”是實(shí)現(xiàn)2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重20%目標(biāo)的關(guān)鍵期,在此期間,我國(guó)海上風(fēng)電仍將繼續(xù)保持快速發(fā)展,成為新能源發(fā)電新的增長(zhǎng)極。[2]
(1)海上升壓變電站(見圖1)位于海上,環(huán)境惡劣,電氣設(shè)備易受鹽霧腐蝕,容易發(fā)生短路事故從而引發(fā)火災(zāi);場(chǎng)地狹窄布置緊湊,熱量容易聚集;可燃物密度高,火災(zāi)容易發(fā)生蔓延。
圖1 國(guó)內(nèi)某已建成海上升壓站效果圖Figure 1 Effect diagram of one offshore substation of wind farms
(2)離岸距離遠(yuǎn),撲救困難。海上升壓變電站一般距岸十幾公里甚至是幾十公里,遠(yuǎn)離陸地,無人值守。一旦發(fā)生火災(zāi),沒有工作人員第一時(shí)間展開撲救,消防船及專業(yè)人員也無法在短時(shí)間內(nèi)抵達(dá)火場(chǎng)展開救援。火災(zāi)借助風(fēng)勢(shì)迅速蔓延,火災(zāi)很快就進(jìn)入失控的局面。且撲救困難,對(duì)其只能是望洋興嘆。
(3) 海上升壓變電站面積雖小,但精密儀器、貴重設(shè)備多,施工成本高。單個(gè)升壓站造價(jià)動(dòng)轍過億元,火災(zāi)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸上升壓站。運(yùn)維船出海成本非常高且按日計(jì)算,火災(zāi)后維修費(fèi)用遠(yuǎn)高于陸上。海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量大,因火災(zāi)造成停發(fā)的間接經(jīng)濟(jì)損失巨大。
基于海上升壓變電站的火災(zāi)特點(diǎn)分析,要選擇一種或者幾種有效滅火系統(tǒng)對(duì)海上升壓變電站進(jìn)行有效、迅速、全方位的保護(hù)。
(1)無人值守,離岸距離遠(yuǎn),因此要選擇自動(dòng)滅火系統(tǒng)。
(2)施工船租賃費(fèi)用高,海上施工不便,因此要選擇更換方便、使用周期長(zhǎng)的滅火劑。
(3)必須選擇對(duì)環(huán)境友好、對(duì)人員安全、對(duì)設(shè)備無干擾的滅火系統(tǒng)和滅火劑。
(4)海上平臺(tái)面積狹小,寸土寸金。所選擇的滅火系統(tǒng)必須占地面積小,使用效率高,不能占用太多設(shè)備用房,因此不能選用太多滅火系統(tǒng),選擇的滅火系統(tǒng)一定要有廣泛的適用性,以便于維護(hù)管理。
系統(tǒng)必須能及時(shí)有效撲滅火災(zāi),把相關(guān)的火災(zāi)損失降到最低。
(1)《風(fēng)電場(chǎng)工程110kV~220kV海上升壓變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 31175—2017)已發(fā)布,并于2018年3月1日起實(shí)施。
(2)《海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51308—2019)已發(fā)布,并于2019年10月1日起實(shí)施。
(3)挪威船級(jí)社編制的《Offshore substations》(DNVGLST-0145),歐洲的海上風(fēng)電研究與實(shí)踐開展得比較早,已有相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范供參考。
(4)各系統(tǒng)設(shè)計(jì)(例如細(xì)水霧、氣體)國(guó)內(nèi)均有系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范,對(duì)國(guó)內(nèi)規(guī)范有詳細(xì)規(guī)定的,從其規(guī)定;對(duì)國(guó)內(nèi)規(guī)范沒有詳細(xì)規(guī)定的,參考NFPA(美國(guó))規(guī)范執(zhí)行。
基于對(duì)消防滅火系統(tǒng)選擇的分析,針對(duì)變電站內(nèi)的危險(xiǎn)源,大致分為以下幾類:以主變壓器為代表的充油設(shè)備;以開關(guān)柜、繼電保護(hù)器為代表的柜式電氣設(shè)備;直升機(jī)平臺(tái)(如有);避難室、空調(diào)機(jī)房和內(nèi)走廊等其他用房。
針對(duì)主變壓器等含油設(shè)備,根據(jù)《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50229—2019)11.5.4條規(guī)定:推薦采用水噴霧滅火系統(tǒng)或其他固定式滅火裝置。[3]
對(duì)于海上升壓變電站主變壓器,如果利用泡沫滅火系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行滅火,會(huì)取得比較好的滅火效果。但是泡沫更換周期短,不符合維保方便、使用周期長(zhǎng)的原則,而且對(duì)平臺(tái)上第三類場(chǎng)所消防的兼容性較差。同時(shí),主變壓器室為層高遠(yuǎn)超過6.5m的高大空間,不適合用氣體滅火系統(tǒng)保護(hù)。[4]因此,只能選擇水作為滅火劑的選項(xiàng)。
考慮到海水的腐蝕性,國(guó)內(nèi)的主流電氣設(shè)備供貨商都反對(duì)使用海水作為滅火劑對(duì)電氣火災(zāi)進(jìn)行滅火。因此,雖然身處汪洋大海之中,也不能使用便捷的海水作為消防水源,只能選擇淡水作為滅火劑,而升壓站空間狹小,不能儲(chǔ)備大量淡水。雨淋、水噴霧、水噴淋、細(xì)水霧等各個(gè)水系統(tǒng)中又以細(xì)水霧滅火系統(tǒng)一次滅火用水量最小。因此,推薦采用細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。
海上升壓變電站中的高壓開關(guān)柜、低壓配電柜、應(yīng)急配電盤、接地變壓器及電阻柜、GIS柜、二次繼保柜等電氣盤柜設(shè)備是升壓站正常運(yùn)行的重要保證,一旦發(fā)生故障導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)停發(fā),將造成較大經(jīng)濟(jì)損失。因此,要求所有主要電氣用房均設(shè)固定式滅火裝置。
根據(jù)《Offshore substations》(DNVGL-ST-0145)及《風(fēng)電場(chǎng)工程110kV~220kV海上升壓變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 31175—2017)要求,以上設(shè)備及設(shè)置場(chǎng)所推薦采用氣體滅火系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。目前的海上石油平臺(tái)電氣類房間也是采用氣體滅火系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。
氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前存在兩種方式:一是采用全淹沒氣體滅火方式;二是采用新興的火探管式氣體滅火方式?;诤I仙龎鹤冸娬镜奶攸c(diǎn),對(duì)以上兩種方式進(jìn)行比較。
4.2.1 滅火針對(duì)性、有效性
全淹沒氣體滅火方式保護(hù)的是整個(gè)設(shè)備用房,而火探管式氣體滅火方式保護(hù)的是相對(duì)封閉的電氣盤柜。
電氣設(shè)備一般均有防護(hù)等級(jí)較高的外殼保護(hù),尤其是充氣柜防護(hù)和密封等級(jí)更高,當(dāng)柜體內(nèi)部元件發(fā)生過熱(過載、短路、接觸電阻大引起的發(fā)熱)進(jìn)而引起燃燒時(shí),由于有柜體的保護(hù)且電氣室空間較大,設(shè)在電氣室內(nèi)的煙感和溫感探測(cè)器不會(huì)很快探測(cè)到火災(zāi)的發(fā)生。當(dāng)柜內(nèi)的火燃燒到較大程度時(shí),電氣室內(nèi)的煙感和溫感才會(huì)動(dòng)作,但此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的熱容值已經(jīng)很高。此時(shí)啟動(dòng)電氣室內(nèi)的氣體滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火,其效果均不理想,如果室內(nèi)密封不嚴(yán)或通風(fēng)系統(tǒng)未能及時(shí)關(guān)閉,往往造成滅火失敗。即使將火災(zāi)撲滅,其造成的損失(設(shè)備損失、停機(jī)損失、環(huán)境影響)將是巨大的。
而利用火探管式氣體滅火方式對(duì)電氣設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行保護(hù),情況將完全不一樣,根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn),其火焰預(yù)警管可以伸進(jìn)狹小的電氣設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行保護(hù),當(dāng)電氣設(shè)備內(nèi)部元件發(fā)生溫度異常或火災(zāi)時(shí),系統(tǒng)可在第一時(shí)間感知到火災(zāi)的發(fā)生(溫度異常)并快速啟動(dòng)將火災(zāi)撲滅,現(xiàn)場(chǎng)無須清理,只需更換少量的元件即可恢復(fù)工作。
可見,選用火探管式氣體滅火方式針對(duì)性強(qiáng),滅火時(shí)間快,過火面積小,損失低,設(shè)備可快速恢復(fù)工作。
4.2.2 系統(tǒng)可靠性
全淹沒氣體滅火方式依賴的是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)探頭探測(cè)而后判斷啟動(dòng);而火探管式氣體滅火方式依靠的是自身火焰預(yù)警管具有靈敏的熱源探測(cè)功能。
火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)會(huì)因鹽霧、灰塵、電磁干擾等影響而導(dǎo)致誤報(bào)誤噴,甚至是不動(dòng)作。而火焰預(yù)警管是一種專利復(fù)合材料,沒有任何電氣元器件,在異常溫度達(dá)到火焰預(yù)警管設(shè)定值,其火焰預(yù)警管會(huì)快速動(dòng)作并形成噴口,不受任何空間和使用環(huán)境的限制且絕無誤報(bào)和誤動(dòng)。
可見,選用火探管式氣體滅火方式在海上氣象條件下系統(tǒng)可靠性要高許多。
4.2.3 維保
采用全淹沒氣體滅火方式根據(jù)藥劑類型的不同,存儲(chǔ)壓力從4.5MPa到15MPa不等,近幾年已發(fā)生多起爆瓶的事故。其本身屬于壓力容器,根據(jù)國(guó)家《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)定》的要求,業(yè)主每3~5年要送到指定地點(diǎn)測(cè)試壓力容器安全性能,重新充裝藥劑。[5]在管理上給業(yè)主帶來很大麻煩,還需要在后續(xù)持續(xù)投入維保費(fèi)用。
火探管式滅火方式,選用Novec 1230作為藥劑,存儲(chǔ)壓力為1.3MPa,系統(tǒng)安全性有較大提高。規(guī)避了壓力容器管理上麻煩,藥劑壽命10~15年,升壓站全壽命周期更換一次即可。
可見,維保方面無論從方便程度、費(fèi)用來看,火探管式氣體滅火方式都更具優(yōu)勢(shì)。
4.2.4 系統(tǒng)造價(jià)
電氣設(shè)備空間大,采用全淹沒氣體滅火方式需要的藥劑量較大,需要單獨(dú)設(shè)置氣瓶間,且壓力鋼瓶荷載較大。海上平臺(tái)寸土寸金,氣瓶間的設(shè)置將增加土建的成本。
火探管式滅火方式因采用貼近式火源且均為初期火災(zāi),故系統(tǒng)所需的藥劑量很少,進(jìn)而可以節(jié)省藥劑的存儲(chǔ)空間,無須單獨(dú)的氣瓶間。
可見,在選用相同藥劑的前提下,火探管式氣體滅火方式系統(tǒng)造價(jià)更低。
綜合以上幾點(diǎn)分析,推薦火探管式氣體滅火方式。
直升機(jī)停機(jī)坪為室外露天平臺(tái),可能發(fā)生火災(zāi)的成因主要是航空煤油發(fā)生泄漏或直升機(jī)降落發(fā)生事故引發(fā)火災(zāi)。根據(jù)《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》14.4.2.4條,應(yīng)配置一套固定式泡沫滅火系統(tǒng)。[6]水成膜泡沫由于具有良好的流動(dòng)及覆蓋等特性,可以快速降低油面溫度和隔絕空氣,撲滅油火及有機(jī)物火災(zāi),因此,推薦采用設(shè)置一套水成膜泡沫滅火裝置。
高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)有廣泛的適用性,對(duì)于相對(duì)封閉空間內(nèi)的可燃固體表面火災(zāi)、可燃液體火災(zāi)和帶電設(shè)備的火災(zāi)都有良好的效果。因此,適用于升壓站平臺(tái)上的應(yīng)急避難室、暖通用房、工具間、備品備件間等場(chǎng)所。由于已有高壓泵組、水箱等主要核心設(shè)備,增加一些防護(hù)區(qū)不會(huì)大幅增加投資,卻可以大幅度降低火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),根據(jù)火災(zāi)模擬試驗(yàn)證明,設(shè)置了高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的房間,頂棚溫度低于200℃,不會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安全造成較大影響。因此,建議電氣盤柜室也布置了高壓細(xì)水霧噴頭,保證最不利工況下主體結(jié)構(gòu)的安全。
《風(fēng)電場(chǎng)工程110kV~220kV海上升壓變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 31175—2017)對(duì)滅火系統(tǒng)的選擇要求見表1[7]。與本文的分析及設(shè)計(jì)理念十分契合。
表1 海上升壓站變電站滅火系統(tǒng)選擇Table 1 Selection of fire extinguishing system in offshore substation
高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)由高壓泵組(包括主/備泵、穩(wěn)壓泵、調(diào)節(jié)水箱、補(bǔ)水裝置、泵控制柜)、開式區(qū)域閥組(高壓進(jìn)/出水球閥、電動(dòng)球閥、壓力開關(guān)、壓力表、接線盒、手動(dòng)啟動(dòng)按鈕、調(diào)試放水閥等)、開式噴頭、不銹鋼管及配件、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。在海上變電站水泵房?jī)?nèi)設(shè)置一套高壓細(xì)水霧泵組,采用組合分配方式對(duì)多個(gè)防護(hù)區(qū)進(jìn)行細(xì)水霧保護(hù),每個(gè)防護(hù)區(qū)設(shè)置一套區(qū)域閥組,區(qū)域閥組設(shè)置在防護(hù)區(qū)外的附近便于觀察及操作的地方。海上升壓站細(xì)水霧系統(tǒng)應(yīng)用三維效果圖如圖2所示。
圖2 海上升壓站細(xì)水霧系統(tǒng)應(yīng)用三維效果圖Figure 2 3D diagram of water mist extinguishing system in offshore substation of wind farms
變壓器防護(hù)區(qū)采用高壓細(xì)水霧開式局部保護(hù)方式,噴頭分三層布置在圍繞變壓器的矩形環(huán)管上。噴頭側(cè)向安裝噴口方向使水霧直接噴射并能覆蓋變壓器的外表面。
其他設(shè)備用房?jī)H在房間頂部設(shè)開式噴頭,設(shè)計(jì)為全淹沒系統(tǒng)保護(hù),噴頭布置間距小于3.0m。高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)供水水質(zhì)應(yīng)滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749)的規(guī)定。由消防水箱儲(chǔ)存,為了水質(zhì)(主要是濁度和電導(dǎo)率)能滿足要求,消防用水定期從陸上運(yùn)輸進(jìn)行更換。為方便供水,在甲板層配備一個(gè)符合《國(guó)際海上人命安全公約》規(guī)定的國(guó)際通岸接頭。水箱放空用水排入大海。系統(tǒng)持續(xù)噴霧時(shí)間30min,系統(tǒng)管網(wǎng)水力計(jì)算采用Darcy-Weisbach(達(dá)西—魏斯巴赫)公式。[8]
火探管式氣體滅火系統(tǒng)由裝有專用高效滅火劑的壓力容器、集成容器閥組、無源報(bào)警器以及能自動(dòng)釋放滅火劑的火焰檢測(cè)管等組成。將火焰檢測(cè)管置于靠近或在火源最可能發(fā)生處的上方,同時(shí)火焰檢測(cè)管上諸多靈敏的線性溫度檢測(cè)點(diǎn)對(duì)周圍情況進(jìn)行檢測(cè),其火焰檢測(cè)管材料具有靈敏的熱源探測(cè)功能。一旦著火時(shí),火焰檢測(cè)管在受熱溫度最高處會(huì)自動(dòng)爆裂并形成噴口,將滅火介質(zhì)通過火焰檢測(cè)管本身(直接系統(tǒng))或噴嘴(間接系統(tǒng))釋放到被保護(hù)區(qū)域完成滅火,同時(shí)給主控發(fā)報(bào)警信號(hào)。
火焰檢測(cè)管布置在盤柜內(nèi)側(cè),結(jié)合電氣盤柜具體設(shè)計(jì)分層繞行,裝有專用高效滅火劑的壓力容器、集成容器閥組放置在柜子側(cè)面或是頂部?;鹛焦茈姎獗P柜應(yīng)用原理圖如圖3所示。
圖3 火探管電氣盤柜應(yīng)用原理圖Figure 3 Schematic diagram of fire trace automatic fire suppression system in electrical cabinet
直升機(jī)平臺(tái)設(shè)置一套固定泡沫滅火系統(tǒng)。其中,消防水源單獨(dú)考慮,在平臺(tái)上設(shè)置水箱及消防泵組供水與泡沫發(fā)生器混合。直升機(jī)平臺(tái)設(shè)置45kg干粉滅火劑、18kg二氧化碳滅火器各一具。系統(tǒng)采用固定式泡沫滅火裝置作為主要滅火方式,在直升夾板兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)泡沫消火栓。泡沫混合液供給強(qiáng)度為6L/(min·m2),連續(xù)供應(yīng)時(shí)間5min。
所有設(shè)備用房配置一具5kg的手提式磷酸銨鹽滅火器和一具5kg手提式二氧化碳滅火器。主變壓器室、散熱器平臺(tái)、柴油機(jī)房加配一具45kg的推車式泡沫滅火器。
在各層外走廊、屋頂層甲板配便攜式手提式滅火器,每處配置一具5kg的手提式磷酸銨鹽滅火器和一具5kg手提式二氧化碳滅火器(無電氣設(shè)備處配置兩具5kg的手提式磷酸銨鹽滅火器),使從甲板任何一點(diǎn)到達(dá)滅火器的步行距離不大于10m。
目前,海上風(fēng)電已進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段,海上風(fēng)電場(chǎng)離岸越來越遠(yuǎn),規(guī)模也越來越大。在能源轉(zhuǎn)型背景下,“十四五”期間,中國(guó)海上風(fēng)電仍將延續(xù)快速發(fā)展態(tài)勢(shì)。[9]消防滅火系統(tǒng)作為海上風(fēng)電安全運(yùn)行的基本保證顯得越來越重要。然而目前還受到幾個(gè)方面的制約和困擾:
(1)海上風(fēng)電消防的行政管理體系,仍需要進(jìn)一步明確和完善。
(2)我國(guó)是海上風(fēng)電發(fā)展的大國(guó),但還不是標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)國(guó),包括設(shè)計(jì)、制造、施工、運(yùn)維的標(biāo)準(zhǔn)仍十分欠缺。僅拿設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 31175—2017來講,其僅適用于110~220kV,隨著更高電壓等級(jí)以及深遠(yuǎn)海柔性直流輸變電的開展,相關(guān)消防滅火系統(tǒng)適宜性還有待驗(yàn)證,系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需要不斷創(chuàng)新、力保安全。
(3)在快速的建設(shè)同時(shí),相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用效果還需要等待時(shí)間的檢驗(yàn)。目前暴露出來的問題,例如露天電纜夾層、蓄電池室等區(qū)域的消防滅火措施的提升及優(yōu)化,都已超出了現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外規(guī)范的條文規(guī)定,成為擺在面前亟待解決的課題。