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摘要：隨著風電機組數量的飛速增加，風電建設運行管理和風電設備可靠性已是不容忽視的問題，尤其是風電機組火災問題，尤為突出。本文通過對目前常用的風力發電機組自動消防系統在真實環境下進行評測，為今后風力發電機組自動消防系統的選擇提供必要的參考依據。
關鍵詞：風力發電機組 自動消防系統 火災自動報警 滅火裝置
2020年，我國“十三五”規劃已圓滿收官。全國發電裝機容量從2015年底的15億千瓦增長到2020年底的22億千瓦，年均增長7.6%，高于“預期2020年全國發電裝機容量20億千瓦，年均增長5.5%”的規劃目標。2020年的風能大會上，全球400余家風能企業代表提出在“十四五”期間需保證風電年均新增裝機5000萬千瓦以上。短時間內大批新型風電機組產品投入規模化生產和裝機運行后，質量和運行可靠性問題突出，安全事故頻發，其中火災事故占有相當大的比例，且往往造成整個機組被全部燒毀，經濟損失巨大[1,2]。隨著機組運轉時間的增加，機組各個系統的零部件逐漸磨損老化，故障率將會不斷升高，火災風險也將顯著增大，風電機組自動消防系統能否快速滅火起到了至關重要的作用[3,4]。
本文通過風力發電機組自動消防系統和試驗裝置，進行機艙模擬火災報警與滅火試驗，檢測火災探測與啟動裝置、氣溶膠滅火裝置、超細干粉滅火裝置、火災報警控制器等的報警與聯動啟動性能、滅火性能與全淹沒濃度分布性能進行評測[5,6]。驗證目前常見的風力發電機組自動消防系統滅火裝置在真實環境下的滅火能力，給今后風力發電機組自動消防系統性能要求提供必要的參考依據[7]。
2.1 試驗裝置
風力發電機組消防試驗裝置位于應急管理部天津消防研究所燃燒試驗館內，該試驗裝置釆用1.5MW實體風力發電機組機艙搭建，機艙內部尺寸為9m（長）×3.8m（寬）×3.5m（高），容積約為114m3。按照機艙內部主要設備的結構和布局特點，模擬設置發電機、變速箱、控制柜、機艙平臺等裝置。在機艙頭部、中部和后部設有送、排風變頻調節系統，根據機艙結構及其火災特點設置多個點火源可用于開展風力發電機組火災報警與自動滅火試驗測試研究，如圖1所示。
圖1 風力發電機組消防試驗裝置
2.2 火源模型
在風力發電機組機艙內，變速箱、發電機、剎車盤和電纜等裝置和部位發生火災的危險性較大，為了模擬風力發電機組機艙失火的場景，試驗裝置內設置有10處火源模型HY1~YH10，火源的詳細情況與設置位置參見表1。
表1火源模型設置情況匯總表
2.3 試驗設備
熱電偶采用鎳鉻鎳硅鎧裝K型，直徑為φ3，風力發電機組消防試驗裝置共設置19支熱電偶，具體安裝位置參見表2和圖2。
表2 TC1-TC19熱電偶安裝位置匯總表
圖2 TC1-TC19熱電偶安裝位置示意圖
2.4 實驗樣品
2.4.1 樣品1：某品牌3kg懸掛式干粉滅火裝置
本試驗采用6具3kg懸掛式干粉滅火裝置，如圖3所示，執行標準為《干粉滅火裝置》XF602-2013。
圖3 某品牌3kg懸掛式干粉滅火裝置樣品照片
2.4.2 樣品2:某品牌QRR3.0G/S熱氣溶膠滅火裝置
本試驗采用6具QRR3.0G/S熱氣溶膠滅火裝置，如圖4所示，執行標準為《氣溶膠滅火系統第1部分熱氣溶膠滅火裝置》XF499.1-2010。
圖4 3kg熱氣溶膠滅火裝置樣品照片
2.4.3 樣品3:某品牌QRR3.0G/S熱氣溶膠滅火裝置
本試驗采用6具QRR3.0G/S熱氣溶膠滅火裝置，如圖5所示，執行標準為《氣溶膠滅火系統第1部分熱氣溶膠滅火裝置》XF499.1-2010。
圖5 3kg熱氣溶膠滅火裝置樣品照片
2.4.4 火災自動報警聯動控制系統
火災自動報警聯動控制系統由火災報警控制器、點型光電感煙火災探測器、點型感溫火災探測器、點型紅外火焰探測器、火災聲光警報器、輸入/輸出模塊、風電消防監控系統平臺（非標）等組成。
2.5 實驗過程
依據《風力發電組自動消防系統測試試驗大綱》的要求，開展了火災報警與聯動啟動試驗、以及滅火試驗。
2.5.1火災報警與聯動啟動試驗
在火災報警與聯動啟動試驗中，使用7只火災探測器、1臺火災報警控制器、3只輸入/輸出模塊、1只火災聲光警報器、1套風電消防監控系統平臺（非標）。7只火災探測器分別設置于機艙頂部的不同位置，具體安裝位置參見表3和圖6，消防系統試驗樣品的安裝照片參見圖7~圖8[8,9]。
表3 火災探測器安裝位置表
圖6 火災探測器安裝示意圖
圖7 火災聲光警報器啟動警報鳴響
圖8 火災報警控制器發出聯動啟動信號
2.5.2 干粉滅火裝置（樣品1）滅火試驗
采用6具3kg懸掛式干粉滅火裝置（樣品1），分別懸掛于機艙頂部的不同部位，安裝照片參見圖9。
圖9 干粉滅火裝置安裝照片
啟動試驗后，測試系統數據顯示10個火源全部熄滅，抑制10min后，開啟試驗機艙艙門和風機通風，未出現火源復燃現象，滅火成功。
2.5.3 熱氣溶膠滅火裝置（樣品2）滅火試驗
采用6具QRR3.0G/S熱氣溶膠滅火裝置（樣品2），分別設置于機艙的不同部位，安裝照片參見圖10。
圖10 熱氣溶膠滅火裝置安裝照片
啟動試驗后，所有熱氣溶膠滅火裝置在2-3s內啟動噴射滅火劑，滅火劑噴射總時長為31s，測試系統數據顯示10個火源全部熄滅，抑制10min后，開啟試驗機艙艙門和風機通風，未出現火源復燃現象。
2.5.4 熱氣溶膠滅火裝置（樣品3）滅火試驗
采用6具QRR3.0G/S熱氣溶膠滅火裝置（樣品3），分別設置于機艙的不同部位，安裝照片參見圖11。
圖11 熱氣溶膠滅火裝置安裝照片
啟動試驗后，所有熱氣溶膠滅火裝置在4-5s內啟動噴射滅火劑，滅火劑噴射總時長為49s，抑制10min后，開啟試驗機艙艙門和風機通風，未出現火源復燃現象，經試驗火源1與火源10的燃料燒盡，明火熄滅。
圖12 TC1~TC10溫度變化曲線TC11~TC14
熱電偶均勻設置在機艙艙頂的前部和中部，艙內火源模型被點燃后，熱煙氣在機艙頂部聚集，四支熱電偶的溫度曲線逐漸上升，其中TC14溫度最高為103℃，93.5s啟動干粉滅火裝置實施滅火后，TC11~TC14熱電偶溫度值逐漸降至環境溫度，如圖13所示。
圖13 TC11~TC14溫度變化曲線
TC15~TC19為機艙左側前部設置的5只熱電偶樹，試驗中，艙內溫度場隨高度變化呈明顯的梯次升高規律，TC15距艙頂最近，溫度最高為70.3℃。啟動干粉滅火裝置實施滅火后，5只熱電偶溫度值逐漸下降，表明艙內溫度場逐漸緩慢降至環境溫度，如圖14所示。
圖14 TC15~TC19溫度變化曲線
3.2 熱氣溶膠滅火裝置（樣品2）滅火試驗數據分析
試驗開始后，HY1~HY10火源相繼被點燃，從圖15可以看出，位于火源上方的熱電偶TC1~TC10溫度變化曲線不斷上升。火焰探測器與感煙探測器前后發出報警信息后火，控制器倒計時30s后啟動滅火裝置，2-3s后熱氣溶膠滅火裝置啟動并持續噴射滅火劑31s。在滅火劑噴射過程中有9個火源溫度快速下降，剩余一個火源HY6在滅火劑噴射結束后7s內（試驗進行到121s時）快速下降，隨后所有火源熱電偶溫度值逐漸降至環境溫度，表明所有火源全部被撲滅。
圖15 TC1~TC10溫度變化曲線
從圖16熱電偶溫度變化曲線可以看出，位于艙頂前部和中部的TC12~TC14熱電偶（TC11損壞）在艙內10個火源被點燃后，熱煙氣在機艙頂部聚集，煙氣層溫度逐漸上升，當熱氣溶膠滅火裝置啟動噴放后，受氣流擾動的影響，熱電偶溫度變化曲線出現一定程度的波動，但溫升幅度較小，其中TC14溫度最高，最高溫度為121.3℃。當火源被全部撲滅后，艙內頂部溫度逐漸緩慢降至環境溫度。
圖16 TC12~TC14溫度變化曲線
從圖17TC15~TC19溫度變化曲線可以看出，艙內溫度場隨高度變化呈明顯的梯次升高規律，TC15距艙頂最近，溫度最高為100.6℃。啟動熱氣溶膠滅火裝置實施滅火后，艙內溫度場逐漸緩慢降至環境溫度。
圖17 TC15~TC19溫度變化曲線
3.3 熱氣溶膠滅火裝置（樣品3）滅火試驗數據分析
試驗開始后，HY1~HY10火源相繼被點燃，從圖18可以看出，位于火源上方的熱電偶TC1~TC10溫度變化曲線不斷上升。試驗進行到93s后關閉艙門，試驗人員通過遠程控制系統緊急啟動滅火裝置，所有熱氣溶膠滅火裝置在4-5s內啟動噴射滅火劑，滅火劑噴射總時長為49s，噴射過程由艙內氣流擾動和滅火劑自身溫度較高，導致部分熱電偶溫度值呈瞬間加速上升，系統數據顯示火源1與火源10的溫度并未在滅火裝置噴放后明顯下降，點火后4min10s后所有火源降至環境溫度，該產品噴放時間過長，角落的油罐處，藥劑量達不到滅火濃度，導致滅火失敗。
圖18 TC1~TC10溫度變化曲線
從圖19TC11~TC14熱電偶溫度變化曲線可以看出，在10個火源被點燃后，熱煙氣在機艙頂部聚集，煙氣層溫度曲線逐漸上升，當熱氣溶膠滅火裝置啟動噴放后，受氣流擾動和滅火劑自身溫度較高的影響，四支熱電偶溫度均呈現一定程度的瞬間快速升高過程，溫升幅度較大，其中TC12溫升幅度最大，最高溫度為217℃。當火源被全部撲滅后，艙內頂部溫度逐漸緩慢降至環境溫度。
圖19 TC11~TC14溫度變化曲線
從圖20TC15~TC19溫度變化曲線可以看出，艙內溫度場隨高度變化呈明顯的梯次升高規律，TC15距艙頂最近，溫度最高為184.6℃。啟動熱氣溶膠滅火裝置實施滅火后，艙內溫度場逐漸緩慢降至環境溫度。
圖20 TC15~TC19溫度變化曲線
