风电机组起火原因 风电预防火灾的措施

风电产业2018-06-06 11:00

近几年风电行业发展不断加快,同时伴随风电机组的火灾事故越来越多。火灾不仅会对风机带来毁灭性的破坏,如果连带点燃风机附近的草场或者林场,将会带来更大的社会风险;目前风力发电行业在国内乃至国外都属于新兴产业,现在国内的风机大多只在风机机舱内和塔筒底部摆放几个手提灭火器;这些简易的消防装置在突如其来发生的火灾面前,几乎成了完全没有用的摆设;因此需要提高风电机组的火灾防范水平是迫不及待的事情。

风电机组

风力发电机组(简称风电机组)的作用是将风能合理转化为电能。通过风力的作用,实现叶片的转动,通过增速设备将叶轮旋转的频率加大,带动发电机发电。

1.风电机组的结构

风电机组的主要组成部分包括:叶轮、机舱、塔筒以及传动系统、控制系统、发电系统等。叶轮和机舱构成了一个横向的分区,这一区域的封闭性较强;塔筒与机舱共同构成了一个纵向的分区,这一分区也具有较强的封闭性。塔筒一般有3-4层平台,构成了上部与下部互不连通的纵向分区。

2.风电火灾事故情况

风电行业事故主要以叶片损坏、倒塔、火灾、雷击等为主。风电火灾事故影响很大,除了造成设备损失,影响生产效益和人员伤亡外,还会降低风电作为先进的、可持续绿色能源行业的社会形象。

由于事故较敏感,各开发商或厂家不愿意公开统计数据,但风机着火已经是行业内较突出的风电事故之一。而且风电场一般地处偏远地区,发生事故后容易遮掩。据英国风能机构的不完全统计,截至2009年12月31日,全球共发生风电机组重大事故715起,其中火灾事故138起,占总数的19.3%,位列第二位。另,据2014年其中一期《火灾科学》杂志上,有研究人员在对全球20多万台风机进行了评估之后,甚至认为风机发电机的火灾发生率要比业内普遍认为的平均每年11.7起的几率高出10倍,即认为每年至少有超过117起风机着火事故发生。在我国也发生了不少风机火灾事故,造成了重大设备损失,甚至专业技术人员伤亡。我国是风电容量第一大国,截止到2016年底,我国风电装机容量达1.69亿千瓦,意味着国内竖立的风电单机超过11万台。因此,对如此巨量设备的火灾管控必须得到有关部门和单位的重视。

3.风电机组火灾的特征

火灾扑救难度大。一旦发生就造成极大的直接损失(当前单台风电机组设备价格约600-800万元)和间接损失(发电量减少),且外部救援可能性近乎为零。

火灾隐患点多。风电机组从上到下都存在发生火灾可能,且火灾环境恶劣(机舱外部空气流动大,塔筒内部容易形成空气对流等)。

火灾类型复杂。电气火灾、固体火灾和液体火灾均有可能发生(涉及到的可燃物的种类很多,包括:不同种类和用途的润滑油脂、液压油、电器设备、电线电缆、叶片、机舱罩及其保温层等)。

二、风电机组火灾隐患和特征分析

1.叶轮

叶轮的组成部分包括叶片、轮毂、变桨机构(电机或液压)、控制装置以及整流罩。叶片的材质以及整流罩的材质多为玻璃钢复合材料,叶片内部夹芯结构由玻璃钢表层中间加泡沫(PET)芯材或巴沙轻木(BALTEK)芯材构成,本身不易燃,但叶片容易遭受雷击,从而引起火灾。在设备较长时间的运行中,尤其是叶片变桨电机超负荷运行以及控制装置由于过热老化而导致电气击穿,控制箱通风不良也会导致过热发生,如果不能及时处理,会导致火灾。因此,主要隐患部位在于叶片、变桨电机以及变桨系统的电池柜和电容柜。

2.机舱

机舱的支撑结构主要是塔筒,被机舱罩所包围,形成一个独立性较强的空间,机舱中包括主轴、齿轮箱、发电机、刹车系统、散热系统、连轴装置、控制柜、变频柜以及风向标、测速装置、底板、照明系统等。机舱中由于通风不良,舱内温度往往较高(夏天能达50度),电气设备、线缆等材料容易出现过热、老化。机舱内主要设备长时间处于高速旋转的状态,所产生的振动容易使电气短路或连接接头、插件以及电缆接口发生松动,加大接触电阻而导致局部温度过高。多起风机火灾事故也表明,电气火灾是主要形式之一,机舱内因控制柜着火而引燃整个机舱的事故并不少见。机舱内各组件的润滑油、液压油如果出现泄漏,也会对机舱中的设备以及底座造成较为严重的污染,促使火灾产生,并助长火势蔓延。刹车系统制动过于剧烈,会导致设备瞬时温升,同时产生火花,非常容易引发火灾。机舱的封闭结构和空气强烈流动的外部环境,使得火势一旦产生就会快速扩大而不会自动熄灭。可见,机舱的主要火灾隐患在于控制柜、并网柜、变频器、刹车盘、发电机、油污等。

3.塔筒

塔筒对风机叶轮和机舱起到支撑的作用。形状为中空式的圆柱形,一般塔筒还会设置多个休息平台,实现上部与下部相对独立的空间,在塔筒中设置了爬梯、照明系统以及多条用于传输的动力电缆以及用于发挥控制作用的控制电缆。一些风机设备厂家将变频柜和控制柜等装置设置在塔筒的下层平台中。基于其较小的空间,很难实现良好的通风,所以各种电气元件很容易由于老化而被击穿。另外,由于设备连接插件以及电缆连接处接触不好,由于其他设备事故导致的电缆过流或者绝缘层老化,十分容易引起控制柜内部的元件发生火灾或者电气线缆发生火灾。值得一提的是,塔筒内部一旦发生火灾,原本密闭的塔筒门被破坏后与塔筒顶部出口如果形成空气对流,会加速火势蔓延,产生严重后果。总之,塔筒内火灾隐患主要在于各种动力电缆和控制电缆、部分机型位于塔基的控制柜、变频柜。

三、风电机组火灾原因分析

近年来国内发生了多起风机火灾事故,典型事故列举如下:

2009年7月14日,内蒙古锡林浩特某风电场一台1.5兆瓦风电机组发生火灾。原因怀疑为维修过程中,在机舱烧电焊,引发机舱内的油脂起火;

2010年1月24日,通辽宝龙山某风电场一台1.5兆瓦的机组发生飞车引发火灾和倒塔事故;

2010年4月17日,内蒙古辉腾锡勒风电场一台风机由于液力联轴器故障发生溢油,引发机舱起火;

2016年12月,内蒙古通辽朱日河某风电场一台投运了五年的1.5兆瓦风机着火烧毁,原因怀疑与定期维护遗留问题有关。

从绝大部分风电机组烧毁事故来看,大都是由于雷击、电器、线路起火,或机组在运行过程中,由旋转部件损坏而造成剧烈摩擦发热产生的火灾。根据已知实际发生的风电机组火灾事故进行统计与总结,造成风电机组火灾的原因主要有十种,可分为非人为因素和人为因素区别分析。非人为因素有:

1.发电机电缆与接线盒原因。风机发电机定转子出口电缆在相间或单项对地绝缘降低或短路的情况下放电引燃电缆。此外,部分风机设计的机舱内加热器距离发电机出口电缆较近,机舱加热器保护失灵等使得加热器持续工作易引燃电缆。部分风机由于设计或出厂质量等原因,接线盒端子排间隙较小,方形螺丝垫片易发生尖端放电。

2.发电机轴承过热:发电机轴承自动注油系统故障(如发电机加脂机损坏或油路堵塞),润滑油脂劣化、轴承摩擦大的情况下,导致轴承过热,引燃附近易燃物,如油污、遗落布条等。另外,发电机轴承冷却风扇不工作也会导致轴承温度过高。

3.刹车系统形成高温:在机组报安全链故障或人为手动紧急停机的情况下,机组会紧急停机,此时刹车瞬间投入,如机组在高速运转,刹车片和高速旋转的刹车盘之间摩擦产生大量火花,可能引燃周围易燃物。另外,在沿海地区,台风期间如风机没有正常切出停机,叶片没有处于顺桨状态而在30m/s以上风速仍然受力,也会导致刹车盘发热严重。

4.雷击:雷击是引发风机发生火灾的重要原因之一。虽然风电机组都配备了从叶尖-轮毂-机舱-塔筒-基础的避雷系统,但一旦避雷设施维护不当,70米以上高空中的风机遭受雷击并发生火灾的风险就大大提高。进入夏季5-8月期间,雷雨日增加,由于机组长时间处于振动状态或日常检查不到位,可能出现接地系统导通不良,或者遭遇超强雷电超出风电防雷设计标准等情况时,就会造成雷电无法顺利导入大地,局部连接点过热放电引起机组火灾。按照目前风电设备的发展趋势,为了进一步开发中低速风区,风电机组在向高塔筒和长叶片的方向发展,而高塔筒和长叶片使得风机遭受雷击的可能性进一步增大。

5.发电机绕组短路:由于发电机绕组加热装置出现故障或控制回路出现异常,会持续对绕组进行加热,导致绕组绝缘老化引起短路。

6.控制柜、变频柜短路:风机控制柜和变频柜等盘柜内各电源、控制回路接线端子松动造成接触不良或短路,将会同时引发火花。电弧放电温度将会达到2000℃-3000℃,极其容易引发火灾。

7.有关标准执行不充分。风电行业由于竞争激烈,设备厂家采取各项措施降低生产成本,国家能源局等有关行业部门对于有关风电设备防火的要求没有充分执行,业主单位在风电场建设时也仍然存在有关防止风机着火要求执行不到位的情况,如电缆防火封堵、防火涂料等仍然存在诸多不合格情况。这既有行业共性特点,也有行业认识不到位的问题,因此列为非人为因素。

人为因素有:

1.维护工作质量。根据以上分析,风机内部尤其是机舱内部空间狭窄且火灾隐患多,维护工作质量的高低对隐患因素有一定影响。如维护后对漏油油污、酒精、抹布、指条、手套等物品的清理至关重要。如维护人员在进行日常维护、定期检修、卫生打扫等工作时违反规定在机舱内抽烟,易引发火灾。

2.工器具使用不当。工作人员在使用电焊机、电动扳手等大功率电动工器具时,随意接入电源或者在防护措施不当,造成线路过热引发火灾,电焊机火花引燃周围易燃物等。

3.管理不当。设备厂家为保证机组可利用率而掩盖部分问题故障,如屏蔽安全链告警信息,为此国内已发生过数起风机火灾事故。设备保护定值设置不当也会导致事故。风机设备保护定值与电网设备(如机组变)保护定值由不同部门出具,风电场管理人员如没有认真审核,箱变低压侧断路器自动跳闸功能形同虚设也会导致火灾事故产生和蔓延。近年来因此类原因导致风机烧损的例子也不少。

四、风电机组火灾管理措施探讨

国内风机火灾事故向接线盒着火、刹车盘引起火灾(齿轮箱漏油)、变流柜着火、主控制柜电气元件着火等多样性发展,且随着风机服务年限的增加,近两年此类事故发生的频率越来越高。事故原因的多样性发展,对事故的预防管理措施也应从多个方面着手。

1.尽可能通过设备本身和消防设施消除火灾隐患。安全管理优先考虑设备保安,其次是管理(制度、流程)保安,最后才是行为管控。目前国内风电行业对风电机组的消防管理基本上“标配”为机舱和塔筒底部平台各配备2个手提灭火器,这些配置离行业要求有一定差距。为了促进风电行业管控机组火灾事故水平,应将重点放在设备上。提高风电机组主要部件的质量,尤其是齿轮箱润滑油系统、刹车系统、发电机出线和接线盒、变频柜和控制柜等部件的生产和安装质量。此外,风电场业主严格要求风机厂家按照行业主管部门的有关要求生产设备,包括:风机叶片、机舱保温层和隔热吸音棉应选用不燃、难燃或经阻燃处理的材料,机舱内涂刷防火涂料;机舱和塔筒电缆采用阻燃电缆;风机机舱、塔筒内应装设火灾报警系统。按照《电力设备典型消防规程》要求“750kW以上的风机机舱内应设置无源型悬挂式超细干粉灭火装置或气溶胶灭火装置,采用自身热敏元件探测并自动启动”等,但要探讨避免灭火装置误报和误动的措施,否则也会造成设备损害,甚至人员伤亡。另外,直驱型风机由于机舱设备少,结构简单,火灾隐患较非直驱型风机大大降低。

2.细化管理制度,促成良好的运行维护习惯。加强运行维护人员和厂家维护队伍的安全教育,提高防火意识,进入风机内的所有人员严禁吸烟,严禁携带挥发性液体进入机舱。可实行维护班组责任制,工作负责人对工作区域(特别是塔筒和机舱内)的作业前、中、后负全责,不遗留油污、手套、抹布、纸张等易燃物。严格限制在塔筒和机舱内部开展动火作业。

3.定期检查与专项检查相结合。结合近年发生的风机火灾事故原因,针对风机的定期检查工作除了维护质量、叶片检查(重点接闪点)、消防检查等以外,增加对发电机出口电缆绝缘测试、机舱内部(如刹车盘周围、自动注油系统)周围卫生状况、各盘柜内端子连接情况等检查。专项检查工作应结合地区环境和季节特点明确开展内容,如设备发热观测,风机接地导通性检查、风机基础防雷检测等。定期检查与专项检查内容和频率均通过表样控制,达到检查工作有条不紊地开展的目的。

4.加强验收。风电场从开工到正式运营会经历多个节点验收。对风电设备防火安全而言,设备带电前验收和基建转生产验收是最关键的节点。验收应侧重于消防设施数量和摆放位置、电气设备生产质量、电气设备(接线)安装质量、风电机组和箱变的保护定值配置、电缆防火涂料、电缆出线和塔筒平台的防火封堵、消防隐患的整改、应急预案编制等内容。验收中如发现上述消防问题,建议作为验收的否决性条目。

5.行业标准的整合提升。关于风机防火,电缆的阻燃性能要求是比较关键的内容。国家能源局发布的要求和《电力设备典型消防规程》中,关于风机机舱和塔筒内动力电缆均要求为阻燃电缆。经实际调研发现,适用风电的阻燃动力电缆分A、B、C三类,外观上无任何区别,价格会由于阻燃配方不同而产生差异。由于每个风电项目的电缆供货量大,项目建设周期短,业主对电缆阻燃性能的把关往往形同虚设。即便是符合试验标准的阻燃电缆,仅是对电缆本身按照标准要求的排布方式的阻燃性能,而风机电缆的排布方式与试验标准并非完全一致,塔筒内空气供给状况也与实验条件不完全一致;加上塔筒内产生火灾的火源与试验标准也不一,可能存在多处持续着火点,例如,控制电缆着火。风电行业没有对控制电缆等细节有明确阻燃要求。因此,需要有行业协会或主管部门牵头对风电用电缆(动力电缆、控制电缆及各种线缆)细化阻燃标准要求,必要时针对风电塔筒和机舱的着火特点研发制定专用的电缆阻燃等级,以有效地控制因电缆着火而形成的火灾事故。

综上所述,我国风电发电机组在发电方面具有极大的优势,是一种利用可再生资源进行的绿色清洁的发电手段。但是由于单机数量庞大,运行内外部条件恶劣,发生火灾的几率越来越高。管理人员需要全面总结以往发生火灾的经验,找到引发火灾的各项因素,并针对每一项因素进行全面的分析,制定出相应的管理措施和手段。风电机组火灾防控,应优先考虑通过设备管控,从行业标准要求执行和提升、加强重要节点验收、加强检查手段等总体提高管控能力。

        来源:网络
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