风力发电消防技术现状与趋势分析

1、我国风力发电发展概况

近年来，风能发电已经成为全世界可再生能源发展的重要方向。从2006年《中华人民共和国可再生能源法》实施以来，我国风能的开发利用发展迅猛2006-2009年连续4年实现全国风电累计装机容量年增长率100％以上，2010年以来，依然保持了良好的快速发展势头。据统计，截止到2012年，我国（不包括台湾地区）新增安装风电机组7872台，装机容量12960MW；共累计安装风电机组53764台，总装机容量75324.2MW，年增长率20.8％。我国总装机容量已连续3年位居世界第一位。

根据我国《可再生能源“十二五”规划》，到2015年，累计并网风电装机达到1亿KW，年发电量超过1900亿千瓦时。其中，海上风电装机达到500万KW，基本形成完整的、具有国际竞争力的风电装备制造产业。到2020年，累计并网风电装机达到2亿KW，年发电量超过3900亿千瓦时。其中，海上风电装机达到3000万KW，风电成为电力系统的重要电源。

目前，我国1.5MW和2MW风电机组已是主力机型，3MW风电机组已投入运行，5～6MW风电机组样机也已下线，我国已经成为全球发展最迅猛的风电设备研发和制造基地，吸引了美国GE、丹麦Vestas、德国No－dex、西班牙Gamesa、印度Suzlon等全球有实力的风电企业进入我国投资办厂，研发生产。

但是，风电建设运营管理和风电设备可靠性已是不容忽视的问题。短时间内大批新型风电机组产品投入规模化生产和装机运行后，质量和运行可靠性问题突出，安全事故频发。在最近几年发生的风电机组运行安全事故中，火灾事故占有相当大的比例，且往往造成整个机组被全部烧毁，经济损失巨大。随着机组运转时间的增加，机组各个系统的零部件逐渐磨损老化，故障率将会不断升高，火灾风险也将显著增大。

2、风力发电火灾情况分析

一、国内外风电火灾事故情况

根据有关资料，瑞典曾对1487台风电机组运行一年中发生事故进行统计分析。其中，雷电事故有86次，年故障率为5.8％；控制系统3次，年故障率为2.6％；动力系统25次，年故障率为1.7％。德国和丹麦风力发电机的总事故率分别为3％和8％，其中，控制系统的事故率分别占30％和52％，电气系统的事故分别占27％和12％。而雷电事故、控制系统和电气设备事故往往引发火灾。据报道，全球每年约有2％的风力发电机发生火灾，其中很大一部分是毁灭性火灾。

英国某风能机构发表的截止到2013年6月30日的全球风电安全事故的统计报告显示，在1405起风电机组安全事故中，毁灭性的火灾事故202起，占风机总事故的14.4％，位列第二，仅次于风机叶片损坏事故（265起，18.9％），其导致的损失则是最大的，几乎都导致整个机组全部烧毁。风力发电机逐年火灾事故统计见表1所示（2013年截止到6月30日）。然而，正如该报告所述，由于事故单位保密等各种原因，能够收集到并经证实的事故数量往往很少，很可能只是冰山一角。事实上，在2006－2010年的5年中，仅英国的风力发电机事故就可能超过1500起（《每日电讯报》报道），但大部分都无法得到可靠证实，在该统计报告中仅仅列出了142起，只有实际发生数量的10％左右。

2009年7月14日，内蒙古锡林浩特市某风电场一台1.5MW的风力发电机组发生火灾，机舱和叶片全部烧毁。起火原因是在维修过程中，维修工在机舱内电焊，不慎引燃机舱内泄漏积存的油脂而引发火灾。

2010年1月24日，内蒙古通辽宝龙山某风电场发生火灾事故和机组倒塌事故，损毁1.5MW机组一台，火灾原因是由于机械或电气设备故障，无法制动刹车，风机严重超速飞车，摩擦产生大量热量导致轮毂着火，火势在大风中迅速蔓延。随后超速飞车产生剧烈震动引起机舱和塔筒共振，机舱和塔筒轰燃倒塌。

2011年7月初，某集团公司下属的江苏南通某风电场，烧毁1.5MW进口机组一台。笔者曾前往协助调查分析事故原因。经分析查明，由于机舱内照明线路和照明灯具设置安装存在严重问题，事故中灯具故障过热（镇流器）引燃导线和机舱顶部的隔热吸音棉而引发火灾，且火灾发展异常迅速，舱内温度在40ｓ内急速上升了近400℃。据悉，该集团同型号机组在国内已安装500余台，经排查，所有机组大多存在类似问题。

2008年以来，我国共发生风力发电机组毁灭性的火灾事故40余起，造成直接经济损失5亿元和伤亡10余人的惨痛代价。由于发生事故的风机生产厂家和运营单位出于自身利益考虑，往往对发生事故严格保密，而且风力发电机组大多安装在人员稀少的地区，导致对风力发电事故很难全面统计。据估计，我国实际发生的风电火灾事故已达数百起之多，比国外的火灾事故率还要高，且主要发生在近几年研制生产的兆瓦级以上风机，损失相当惨重，已引起国家能源局的高度重视。

二、风电火灾特性分析

经过对国内外风力发电机组火灾事故案例的调查分析以及开展的大量试验研究，概括起来，风电火灾原因主要包括以下几个方面。

（1）雷击，这是引起风力发电机组火灾的主要原因之一。近年来，国内外大量火灾数据显示，由雷击导致风机火灾的风险率呈上升趋势。当风力发电机组遭受雷击时，强大的雷电流通常是从机组的叶片叶尖或机舱顶端注入，雷电流会沿机组的叶片、滑环、电刷，流过主轴承，进入塔体顶部，然后经塔体导入接地装置散入大地。如果机组没有避雷设施或避雷设施安装和维护不当、避雷针接触不良或接地电阻过大等，任一环节出现问题都可能引发火灾。对于处于野外的风力发电机组来说，雷击几乎是无法避免的，因此雷击导致的火灾风险特别高。

（2）电气设备安装不当，也是引起风机火灾的主要原因之一。由于技术错误和安装不当，出现连接件接触不良、电路短路、接地故障、绝缘强度不够、过载保护装置选用错误或装置失效、电子元器件和控制部件选用或安装错误等，都可能导致火灾发生。

（3）正常运行温度较高的装置表面和高温飞溅物，具有较高的火灾风险。变速箱和机械制动装置产生大量的热量导致装置表面温度显著升高，可引燃靠近的可燃物，机械制动装置紧急制动时产生的大量飞溅火花也可能引燃附近积存的渗出油品等易燃物，液压油管爆裂，高温油品喷溅遇静电自燃而引发火灾。

（4）失控状态下的高速飞车，具有很高的火灾风险和机组倒塌风险。由于变桨电机故障、变桨控制柜蓄电池严重亏电或其他机械故障导致顺浆不成功，空气制动失效，引起机组高速飞车。轮毂高速运转摩擦产生的大量热量可引燃轮毂内的可燃物，变速箱高速运转可损毁发电机滑环引起发电机内部短路起火，若此时采取机械制动，制动装置可能产生大量飞溅火花引燃周围的油污和其他可燃物。甚至于高速飞车还有可能引起机舱和塔筒产生剧烈共振，导致机舱和塔筒的倒塌事故。

（5）泄漏油品和其他易燃废弃物，具有较高的火灾风险。液压油、润滑油长期泄漏积存，如不及时清理，积存越来越多且容易污染附近的其他物品，如电线电缆、吸音棉和维护用的棉纱纸张等，不但使火灾风险显著增加，而且增加火灾荷载、加快火焰蔓延速度。

（6）装置和设备故障，如电机润滑故障、齿轮箱故障、发电机滑环故障、变桨电机故障、设备过负荷运转、液压油管爆裂等，都可能引发火灾，具有较高的火灾风险。

（7）设备维护、维修和安装、拆卸工作也有较高的火灾风险，尤其是在机舱的狭窄空间中进行电气焊、切割、磨削等热工作业，火灾风险更高。在维修施工中，一旦维修人员麻痹大意，不按规定操作，未采取必要的防火保护措施，未及时清理高温碎屑、润滑油品及其他易燃废弃物等，都极易导致火灾事故的发生。

3、国内外风力发电消防技术现状与发展趋势

风力发电机组火灾事故不断，损失越来越大，世界各国对风力发电的消防安全问题越来越重视。德国制订了国家标准DINEN50308－2005《风力发电机组防护措施的设计、操作和维修要求》、测试认证标准Vds3523－2008《风力发电机组消防指南》、劳埃德船级社GL－2008《风力发电机组消防系统评定规程》；欧洲消防协会联合会制定了CFPA－ENo22：2012F《风力发电机防火导则》；美国NFPA－2010《发电厂和高压直流转换站的防火推荐规程》修订版中增加了有关风力发电场、太阳能发电厂和地热能发电厂3个章节。2008年，我国宁夏制订了地标DB64／T524－2008《宁夏风力发电机组消防系统设计、施工、验收规范》。2011年，中国工程建设标准化协会下达了CECS标准《风力发电组防火技术规程》的制订任务，由公安部天津消防研究所主编，预计该标准将于2013年底制订完成。2011年公安部下达了重点科研任务“风力发电机组专用消防系统环境适应性研究”，预计该项目将于2014年中期完成。

德国安防认证机构Vds和劳埃德船级社（GL）已经对外开展风力发电机组消防系统检测认证工作，重点对风力发电机组使用的消防设备进行产品质量认证、对风电消防系统工程进行检测认证，还将对风电消防系统的设计、施工和管理使用单位和人员进行资格认证。据悉，目前部分进口风力发电机组经过GL和Vds等相关国际机构认证。

欧美发达国家凭借在风力发电领域的技术优势，又有很强的消防产品研发能力，未来几年将会在风力发电机组专用消防设备的研发上投入更多力量，一些高技术产品已在新建的大型风力发电机组中推广使用。

目前，我国对风力发电机组的消防安全问题重视程度有所提高。随着公安部天津消防研究所对风力发电机组消防问题的关注、相关标准的制订和研究项目的实施，已经取得了大量的试验数据和研究成果，有一些企业也已经投入力量研发风电专用消防设备。现在，我国在新建的风电场中，有些项目在招投标中已加入了防火要求的内容。但目前全国仅仅只有２％的机组安装了消防设备，而且其消防设计安装工作还很不规范。

一、当前风电消防面临的问题

机组运行工况环境问题。电气设备要有适宜的运行工况条件才能长期稳定地工作。高温会导致电器元件设备的性能下降，如绝缘性能降低、电器元件损坏击穿、加速材料热老化、低熔点焊缝开裂、焊点脱落、使用寿命缩短等。低温会引起电容、电感、电阻器、蓄电池的功能和参数改变，加速材料脆化，严重影响设备的工作稳定性和可靠性。此外，湿度对电气设备和电子器件的影响也很大，湿度偏高会加速金属材料氧化腐蚀和锈蚀，并使得绝缘材料的绝缘强度显著降低，尤其是高温高湿会带来更加严重的后果。

风力发电机组运行工况和环境条件恶劣，与普通工业与民用建筑差异很大。根据我国有关风电标准以及笔者开展的试验研究表明：标准型（常温型）风力发电机组工作温度为－20～＋45℃，生存温度为－30～＋50℃；低温型风力发电机工作温度为－30～＋45℃，生存温度为－40～＋50℃；高温型风力发电机组工作温度为0～＋50℃，生存温度为－10～＋65℃。此外，机组工作环境昼夜温差大、北方尤其是西北风沙重、南方潮湿度大、海边盐雾腐蚀严重、机组工作时的长期持续震动和强电磁场等恶劣工况条件，都严重影响到消防系统设备长期运行的可靠性和使用寿命。

笔者对辽宁省朝阳市某风电场的7＃和8＃风电机组进行了为期1年的运行工况和环境参数在线测试，测试记录了包括机舱、主控制柜和塔底设备层等多个部位的温度、湿度和电磁场强度等数据。其最高温度45.96℃，最低温度－20.39℃，最高湿度95.26％，最大电磁场强度为25.7MG，已经大大超出了有关国家标准和行业标准的相关规定。

在我国更加偏北的新疆甘肃等西北地区和内蒙黑龙江等地区，冬季气温更低，而我国南方地区夏季更加炎热潮湿。为此，笔者在项目研究中已着手对黑龙江省、海南省和新疆等地的风电机组运行工况开展测试研究工作。

二、风电专用消防系统开发应用问题

在风力发电机组专用消防系统的开发和工程应用中，既要注重设备选型，尽量选择比较适宜机组工况环境的产品，也要注重系统的集成优化设计等技术问题。笔者认为，应着重解决以下三方面的问题：

三大解决方案

（1）在火灾报警系统设备的选择上，感温电缆、吸气式感烟探测器在采取必要的保护措施后比较适宜机组运行工况，图像型火灾探测报警系统集视频监控和火灾报警功能于一身，对风电场距离分散、无人值守的各个机组的火灾探测与视频监控管理极为有利。

（2）在灭火系统类型的选择上，一定要与风机所处的地域环境相适应，尤其要注意到北方的寒冷冬季和南方的夏季酷暑对灭火系统运行的有效性、可靠性和安全性的重要影响，同时还要考虑到使用空间狭窄、管道安装困难、设备存储空间有限等问题。最好选择预制式灭火系统和悬挂式灭火装置。

（3）在灭火药剂的选择上，既要满足机组特殊工况环境条件要求，又要尽量避免对设备带来二次损害和环境污染。在现有的成熟灭火技术中，虽然超细干粉和气溶胶在喷放灭火后不大容易清理干净，但由于其耐高低温性能好、安装方式简便，投入和维护成本低，在风电消防保护中仍然是一种比较好的选择。细水雾灭火技术在我国南方的风电机组上比较适宜，而在北方使用就面临很大的防冻抗冻问题，且在喷放灭火后可能造成水渍损失，降低电气设备的绝缘性能。七氟丙烷和六氟丙烷也是比较好的选择，但在低温环境下不气化或气化不完全，严重影响灭火效果，所以低温环境下不宜使用；另外，还要注意灭火剂遇火焰后可能会产生一定量的氢氟酸而带来的设备腐蚀问题。惰性气体和高压二氧化碳等的灭火剂用量和瓶组较多，在机组中难于找到存储空间，且系统管道安装困难；系统贮存装置的压力高，高压瓶组和阀门长期在高低温变化大的环境中具有安全隐患；另外，两类灭火剂都是靠窒息作用灭火，所需灭火时间长，在机组所处的高风速和强气流环境下灭火剂很容易散失，很难达到预期的灭火效果。

三、下一步的研究工作方向

结合国内外情况和自身从事的研究工作经验，笔者认为，现阶段我们应重点围绕风力发电机组的工况环境、结构布局、可燃物品种类及火灾荷载分布、火灾成因等方面开展攻关研究工作。在风力发电机组火灾风险分析与辨识技术、消防安全综合评价技术、机组关键部件阻燃防火技术、风电专用消防设备及试验测试平台技术等方面取得突破。

（1）开展大型风电机组火灾特性规律与防范对策研究。依据国内外风力发电的技术现状与发展趋势，针对我国大型风电机组技术特点和运行工况，在对国内外发生的众多风电机组火灾事故开展广泛调查分析基础上，运用计算机模拟与实体火灾试验研究相结合的方法，探寻大型海上与陆地风电机组的火灾特性规律，对机组的火灾成因、火灾风险加以辨识，提出火灾风险防范对策。

（2）开展大型风电机组防火关键技术研究与开发。围绕风力发电行业的特殊需要，充分利用现有的各类成熟的消防技术和手段，采取理论分析与应用研究相结合，测试平台建设与模拟火灾试验研究相结合，通过技术引进和消化吸收，开发出符合我国国情的大型风电机组专用的防火与灭火关键技术，满足不同地域条件的多种类型的风力发电机组的现实需要，如低温机型（－40℃）、高温机型（65℃）和海上机型（高盐腐）的不同需求。

（3）大型海上与陆地风电场消防技术应用研究及示范。根据各个地区的现实情况需要，对风电机组消防技术装备的应用开展综合、集成与优化研究，在我国风电发展前景广阔、风资源丰富的地区，选择具有代表性的典型地域，如北方寒冷地区、南方湿热地区和沿海高盐腐地区，建成多个国家级大型海上及陆地风电场消防工程示范项目，为制订适合我国国情的风电消防技术标准，促进消防技术在风电行业的全面推广应用奠定基础。