火探自动消防系统在风力发电机组中的应用

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1、火探自动消防装置在风力发电机组中的应用1、引言随着世界新能源发展的趋势，国家对新能源发展加以重视，投资力度逐年增加，以 风能为主体的新能源技术成为国内外能源发展的重点。众所周知，风力发电机组往往安装在人烟稀少的沙漠、草原、岛屿与海洋地带，一 旦发生火灾，不能及时响应，这就可能导致整台风力发电机组烧毁，甚至造成人员伤亡， 带来巨大的经济损失。同时，在某些草原及邻近森林地带，风力发电机组火灾可能导致 发生森林大火，对植被造成灾难性破坏，由此带来的损失是不可估量的。雷电、高温、热辐射、电气短路、机械摩擦、人为因素等都可能导致机组发生火灾， 目前风力发电行业通用的要求是在机舱内配备手提式灭火系统，以预

2、防突发的火灾事 故。然而机舱往往处在数十米高空，风力发电机组也基本处于无人值守状态，若在机组 正常运行过程中发生火灾，即使人员发现后，赶到现场时火灾已经较大面积蔓延，同时， 若机舱起火，存在爆炸、倒塌的可能性，人员不可接近机组，因而任何外界消防设施基 本无计可施。如何确保机组避免火灾威胁已成为风力发电机组设计者所必须考虑的重要问题。在 风机中设置火灾监测和报警装置，并配备灭火装置已经得到了人们越来越多的关注。然 而风电机舱又有其特殊性，使得一些传统的消防设施并不能起到很好的保护作用，也不 能适应于风电的消防领域。因此拥有新型的、稳定可靠的针对风力发电的自动消防系统 设备尤其重要。2、风力发电发

3、展概况世界能源消耗量的持续增加，使全球范围内的能源危机形 势越来越严峻，缓解能源危机、开发可再生能源、实现能源 的可持续发展成为世界各国能源发展战略的重大举措。风能 作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。 其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2.74X109MW，其中可 利用的风能为2X107MW。2008年中国新增风电装机容量达到 719.02万千瓦，新增装机容量增长率达到108.4%，累计装机 容量跃过1300万千瓦大关，达到1324.22万千瓦。目前全球风力发电装机容量突破四千万千瓦，风力发电占全球电力供应的0.5%。 过去5年来全球风电装机容量年均增长速度超过26.3%。目

4、前全世界风电工业规模约为 120亿美元，预计到2020年可望达到1200亿美元。欧洲是全世界风力发电发展速度最快，同时也是风电装机最多的地区。2008年底欧 洲地区累计风电装机容量2930万千瓦，约占全球风电总装机容量的73%。尽管2008年 欧洲风电装机增长幅度有所放缓，年增幅由2002年的35%降为23%，不过随着一些欧 洲国家海上风电项目的发展，预计欧洲地区风电装机仍将维持快速增长的势头。美洲地 区风电装机容量达690万千瓦，占全球风电总装机的17%。亚洲地区风力发电与美欧相 比还比较缓慢，除印度一支独秀以外，其它国家风电装机容量均很小。我国是世界上风力资源较为丰富的国家之一，据估计，2

5、005-2009年，我国风电并 网装机容量以年均90%以上的速度增长。截至2009年底，我国风电并网总容量达1613 万千瓦，同比增长92.26%。其中，2009年，风电电量为269亿千瓦时，同比增长105.86%， 占总电量的0.75%。这些风电装机主要分布在“三北”及东部沿海省区，其中，内蒙古、 辽宁、吉林、黑龙江、河北五省区的风电并网装机均突破100万千瓦，内蒙古达到500 万千瓦以上。中国近海风能资源约为陆地的3倍，所以，中国可开发风能资源总量约为 10亿千瓦，根据资源、土地、交通和电网条件确定近期具备开发条件的风力发电地址约 有50个，分布在全国16个省（市，自治区），其中新疆达坂城

6、、内蒙古辉腾锡勒、河北 张北、吉林通榆.和广东南澳等地址均具备装机100兆瓦的条件，青海、甘肃、新疆和内 蒙可开发的风能储量分别为1143万千瓦、2421万千瓦、3433万千瓦和6178万千瓦。 近年来，我国共建成32处风电场，总容量约46.8万千瓦。据专家预测，照目前我国风 电装机的增长速度，到2020年装机容量很有可能突破1.5亿千瓦，甚至还可能接近2 亿千瓦。图1图10是目前国内已建成的部分风电场。图1国电苍南风电场图2国电东山风电场图3国电达坂城风电场图4国电浙江东海塘风电场图3国电达坂城风电场图4国电浙江东海塘风电场图5国电福建莆田南日风电场图6国电甘肃玉门风电场图9国电江苏龙源风电

7、场图10新疆天风发电公司风电场3、风力发电机组消防隐患分析3.1风力发电机组部分火灾案例据全球风电安全事故统计与分析资料显示，在早期，风机数量较少而且功率不大的 时期，几乎没有关于风机重大火灾损失事故的记录，直到2001年，一共才记录了 10次 火灾事故。因此人们对风机火灾的危险性没有认识。2002年-2005年间，德国的风力发 电机组总共发生了 22起火灾，截止2010年，中国（包括台湾省）也烧毁了约十几台风 力发电机组，风机存在的火灾风险和安全隐患日益引起重视。在世界各国公开报道并经 证实的715起风电事故中，火灾事故有138起，占事故总数19.3%。位列第二位（列第 一位的是风机叶片损坏

8、事故，167起，占总数的23.4%）。而火灾导致的损失则是最大 的，几乎都导致整个机组全部烧毁。中国目前风机装机数量急剧增加，却对火灾事故尚没有引起足够的重视。事实上， 从2009年到2010年初才一年左右时间里，就有至少5起的火灾事故的记录。2010年04月，因液力耦合器中油脂过多，内蒙古辉腾锡勒发生苏斯兰风电事故， 事故现场图片如图11所示。图11苏斯兰风电事故2010年1月24日，华能宝龙山风机发生事故。此次事故原因是当电机转速达到2700转每分时，会导致联轴器飞车保护打滑，使发电机集电环，编码器损坏，刹车器出现磨 损等。叶轮转动有热量产生，出现火花导致轮毂着火，随着火势的蔓延，机舱大部

9、分部 件已经烧毁，事故查看风机时发现第三节塔筒也发生断裂，如图12所示。图12华能宝龙山东汽风电事故2009年7月12日，锡林郭勒草原风力发电机设备失火，事故现场如图13所示。无 自动灭火设施。消防队赶到现场，但面对60余米高的机舱和叶片火灾无力施救，束手 无策！只能退离100米之外的上风方向，见机扑灭掉落残片之火焰，避免引起草原大火!图13锡林郭勒草原风电事故2009年2月，福建某风电场内一台进口的1.5MW风机发生火灾全部烧毁，直接经 济损失两千万元。火灾的直接原因系装于机舱后侧的主变压器三相绝缘垫块长期受盐雾 腐蚀形成污闪，造成变压器绕组对地和相间短路放电，电孤引燃机舱内可燃物形成火灾，

10、 最终导致机舱完全烧毁，如图14所示。由于无自动灭火设施，因夜间大雾人员无法到 达现场，未能及时救援。2008年7月，海南某风电场一台进口的600KW风力发电机组塔筒底部发生火灾， 电气控制柜和变频柜全部烧毁。造成了较大的直接损失和停止运行两个月的间接损失。 经现场调查，起火原因是由于南方夏季气温高，位于塔筒底部的电气控制柜通风不良， 散热条件不好，运行中长期处于过热状态（有时高达60C以上），造成柜内电气元件过热 短路击穿起火，如图15所示。消防救援时，无自动灭火设施，外部救援无效，水渍损 失大。图14福建某风电场火灾事故图15海南某风电场火灾事故由以上火灾事故可知，目前风电场内机组无自动消

11、防设施，不能早期发现火情，不 能早期灭火控制，一旦发生火灾，无法避免巨大损失；人员无法及时赶到现场，外部救 援灭火无能为力，只能望火兴叹。随着我国风电场的陆续建成，数量逐渐增加，风电已成为国内新能源的重要组成。 目前我国风电设备进口居多，建设成本较高。风力发电机组往往安装在人烟稀少的沙漠、 草原、岛屿与海洋地带，一旦发生火灾，不能及时响应，这就可能导致整台风力发电机 组烧毁，甚至造成人员伤亡，带来巨大的经济损失。同时，在某些草原及邻近森林地带， 风力发电机组火灾可能导致发生森林大火，对植被造成灾难性破坏，由此带来的损失是 不可估量的。因此，加强风电设备消防意识，增强自动消防能力，对于风电设施的

12、正常 运转，提升经济效益，具有重要的作用，风力发电机组的消防安全保护己刻不容缓。3.2风力发电机组成及各部位存在的火灾隐患3.2.1风力发电机组成风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使 发电机发电。风力发电机组主要由叶轮、机舱、塔架及控制系统组成。叶轮与机舱形成 相对封闭的横向分区，机舱与塔架形成相对封闭的分区，有的塔架由数个平台形成上下 相对封闭的数个竖向分区。具体结构功能如下:机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通 过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。

13、现代600千瓦风力发电机上，每个 转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很像飞机的机翼。轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风 力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管， 来激发空气动力闸的运行。齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急 机械闸，用于空气动力闸门失效时，或风力发电机被维修时。发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出 通常为5

14、00至1500千瓦。偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作， 电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风力发电机偏航。通常，在风改变 其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防 止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动， 并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于 冷却齿轮箱内的油。一些风力发电机具有水冷发电机。塔：风力发电机塔载有机舱及转

15、子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速 越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子 状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格 状的塔的优点在于它比较便宜。风速计及风向标：用于测量风速及风向。风机的基本结构如图16所示。图16风力发电机基本结构a起声秋国传恿嗣维修用吊军带吏物器领神典新惹毛机。新的词节洋压右I。施咔曲却辨株叶片轮完3叶片釉玉O滴压枝刮曲元年扭垣骨4藤式机标初it器哆宜夺型理式偶碧整3.2.2风力发电机各部分火灾隐患风力发电机结构复杂，组成部件众多，因此要对火灾预防需对各组成部件火灾隐患 进行分析。(1) 叶轮。由叶片、整流罩、轮毂、叶片调节电机与控制系统等组成，其中叶片、 整流罩和轮毂大多采用易燃的强化玻璃钢等复合材料。叶片调节电机与控制系统在长期 运行过程中容易发生机械摩擦过热、控制柜通风不良导致电气元件过热击穿、调节电机 故障卡死导致过流过热、液压油泄漏等等，如果不及时妥善处理.这些因素都有可能导 致火灾事故的发生。另外，叶片还容易遭受